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1、 动态光散射技术 (Dynamic Light Scattering, DLS) -测量粒径及其分布 湖北大学 材料科学与工程学院 张 全 元 材料学院8008 测试原理 运算法则 样品要求 样品制备 数据分析 2 主要内容 什么是动态光散射？ l 动态光散射(DLS)，也称光子相关光谱(Photon Correlation Spectroscopy, PCS),是指由于散射质点不停地做布朗运动而 引起的多普勒效应导致了散射光波长以入射光波长为中心 展开的现象，故又称准弹性散射。 l 布朗运动是由于与环绕粒子的分子随机碰撞引起的粒子运 动。 l 动态光散射技术是指通过测量样品散射光强度起伏的变
2、化 来得出样品颗粒大小信息的一种技术。样品中的分子不停 地做布朗运动使得散射光产生多普勒频移。 3 测试原理 粒子的布朗运动导致光强的波动，动态光散射- -测量光强的波动随时间的变化； 光子相关器(Correlator)将光强的波动转化为相 关方程； 相关方程检测光强波动的速度，从而我们得到 粒子的扩散速度信息和粒子的粒径d(h)； 从相关方程我们还可以得到尺寸的分布信息。 4 5 检测器 两束光线相干，产生光的 相消而减弱散射光的强度 考虑两个静止颗粒 布朗运动与散射光 6 布朗运动与散射光 两束光线相干，产生光的 相增而增强散射光的强度 考虑两个静止颗粒 检测器 布朗运动与散射光 检测器
3、布朗运动特点：小粒子运动快速，大粒子运动缓慢。由于粒子在不停地运 动，散射光斑也将出现移动；由于粒子四处运动，散射光的相位相互叠加 ，将引起光亮区域和黑暗区域呈光强方式增加和减少或以另一种方式表达 ，光强也呈波动形式。即：粒子的布朗运动导致光强的波动。 7 散射光强的波动 散射光强依赖于粒子的 大小 散射光强的信息被传输 到光子相关器 相关器连续加和处理从 散射信号中得到的很短 时间的波动信息进而得 到相关曲线 Time (s) Intensity (kcps) Small Particles Time (s) Intensity (kcps) Large Particles 8 Time I
4、ntensity 相关性: 小粒子，光强波动比较快 散射光强的波动 9 Time Intensity 0 Time Correlation Coefficient 1 0 = 0 相关性: 小粒子，光强波动比较快 散射光强的波动 10 Time Intensity 01 Time 1 0 = 1 Correlation Coefficient 散射光强的波动 相关性: 小粒子，光强波动比较快 11 散射光强的波动 相关性: 小粒子，光强波动比较快 Time Intensity Time 1 0 012 = 2 Correlation Coefficient 12 = 3 Time Intens
5、ity Time 1 0 0123 Correlation Coefficient 散射光强的波动 相关性: 小粒子，光强波动比较快 13 散射光强的波动 相关性: 小粒子，光强波动比较快 Time Intensity Time 1 0 0 = 123 Correlation Coefficient 14 相关方程（曲线） 衰减的过程与粒子 尺寸的分布相关 基线是否归零告诉我们是否有灰尘的存在 初始斜率依赖于粒子大小 截距 15 光强波动，相关函数和粒径分布 Correlate Apply Algorithm Time (s) Intensity (kcps) Small Particles
6、Correlate Apply Algorithm Time (s) Intensity (kcps) Large Particles 16 运算法则-累积矩法 ln g1() = ln At (m2/2!)t2 (m3/3!)t3 这里是衰减时间 为衰减率，与z-均扩散系数相关 = q2D q为散射矢量，q = (4n/0)sin(q/2) n为折光指数，0为入射光波长 由z-均扩散系数得到z-均直径 m2/ 2为分布系数PDI 17 Stokes-Einstein方程 动态光散射测量依赖于时间的散 射光强波动。由动态光散射可以 得到粒子扩散速度的信息, 进而从 Stokes-Einstei
7、n方程得到流体力学 直径 hydrodynamic diameter (dH) D: 扩散系数, kB：波尔兹曼常数, T： 绝对温度, ： 粘度 18 19 流体力学直径 表面上枝接的一层分子 将会降低扩散速度 因此，流体力学直径将 会受到表面结构的影响 测得的直径 分布系数 分布系数值注解 d(volume) d(number) 23 样品要求 v 样品应该较好的分散在液体介质中 v 理想条件下，分散剂应具备以下条件: 透明 和溶质粒子有不同的折光指数 应和溶质粒子相匹配 (也就是：不会导致溶胀, 解析或者缔合) 掌握准确的折光指数和粘度，误差小于0.5% 干净且可以被过滤 24 粒径下限
8、 依赖于： v 粒子相对于溶剂产生的剩余光散射强度 溶质和溶剂折光指数差 样品浓度 v 仪器敏感度 激光强度和波长 检测器敏感度 仪器的光学构造 25 粒径上限 v 动态光散射测量粒子无规则的热运动/布朗 运动 v 若粒子不进行无规则运动，动态光散射无法 提供准确粒径信息 v 粒子尺寸的上限定义于沉淀行为的开始 v 因此上限取决于样品应考虑粒子和分散剂 的密度 26 样品浓度 v 从动态光散射得到的样品尺寸应该不依赖于浓度 v 每种样品都有其理想的测试浓度范围 v 如果浓度太低，可能散射光强不足以进行试验 v 如果样品浓度太高，实验结果可能会依赖于浓度 v 为了得到正确的尺寸信息，可能会需要在
9、不同的 浓度下检测样品尺寸 27 样品浓度上限 v 对于高浓度样品，由动态光散射测得的表观尺寸可 能会受到不同因素的影响 多重光散射检测到的散射光经过多个粒子散射 扩散受限其他粒子的存在使自由扩散受到限制 聚集效应依赖于浓度的聚集效应 应电力作用带电粒子的双电层相互重叠，因而 粒子间有不可忽视的相互作用。这种相互作用将 影响平移扩散 28 样品浓度范围 29 样品制备 v 使用干净的样品池！ v 缓慢注入溶液以避免产生气泡 v 如果使用注射管滤膜过滤样品，请放弃开始 的几滴溶液以避免在滤膜下面的灰尘进入样 品池 v 用盖子将样品池封住 v 将样品池放入仪器时，标志面向自己 30 样品制备：稀释
10、 v 如果样品浓度很高，则需要将溶液稀释； v 稀释样品时须注意保持样品原来的性质； v 稀释溶液应和原来的样品溶液保持相同的性质 ； v 如果样品很多，稀释液可以由过滤或者离心原 来的样品溶液除去溶质而得到； v 如果样品太少，稀释液应尽量按原溶液性质制 备。 31 样品制备：超声与过滤 超声 v对于不易分散的样品，超声是非常有用的技术； v某些材料的粒度与超声的功率和时间紧密相关； v乳液不能用超声。 过滤 v灰尘是光散射实验最主要的问题之一，灰尘的存在可 能导致测试失败； v为了避免灰尘的影响，样品溶液在测试之前应该被适 当的过滤。 32 数据分析：光强的重复性 v 同一个样品重复至少三
11、次测试-光强误差应该 在百分之几以内 v 在连续测试过程中光强增强意味着: 粒子聚集 v 在连续测试过程中光强减弱意味着: 粒子沉淀 粒子溶解 v 在连续测试过程中光强无规则变化意味着: 粒子不稳定 (聚集或分离) 33 数据分析：z-均直径重复性 v 多次z-均直径的测试结果误差应在1%-2%之内 v z-均直径增长意味着: 粒子聚集 温度不稳定 (粘度随温度变化) v z-均直径下降意味着: 粒子沉淀 粒子溶解 温度不稳定(粘度随温度变化) 34 数据分析：尺寸分布重复性 v 对于尺寸分布结果应该检查分布峰的位置和 包含的面积的重复性； v 如果分布没有重复性，建议重新测量，并将 测试时间
12、延长。 35 数据分析：相关曲线图 v 相关曲线图显示在特定时间段下每个通道的相干 性，其中包含样品的信息 v 曲线的形状能够显示一些可能出现的明显的问题 v 应检查相关曲线中的噪音状况 v 噪音可由不同原因造成-光强太弱，样品不稳定 ，或者一些外部原因如散射光和其它杂散光源的 相互干涉 36 数据分析：相关曲线图 q小粒子 q中等分布指数 q存在大的粒子/缔 合(基线不平) 37 数据分析：相关曲线图 q大粒子 q高分布指数 q很大的粒子/缔 合物(基线不平) q截距 1.0 38 数据分析：相关曲线图 q双峰分布 q高分布指数 q无大粒子/缔合 物(基线平) 39 作业 1. 动态光散射仪测定乳液的粒径实验对样品有哪 些要求？ 2. 连续测试过程中光强的变化及多次测试结果的z- 均直径发生改变说明什么问题？（分别说明光 强增强、减弱、无规则变化及z-均直径增长、下 降各意味着什么问题） 40 标准偏差 Dz = 100.7 0.8 nm PDI = 0.018 0.003
