动态光散射原理
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一、概述动静态光散射技术是一种重要的分析手段,广泛应用于药物制剂的研究与质量控制中。
通过对物质的散射光信号进行分析和处理,可以获取物质的粒径、形态、分布等信息,为药物制剂的研发、生产和质量控制提供了重要的技术支持。
二、动静态光散射技术的原理和方法1. 原理动静态光散射技术利用物质表面、大小、形态等特性对入射光进行散射,并通过检测散射光的强度、方向、偏振等信息来获取样品的相关参数。
动静态光散射在分析物质的粒径、分布、形态等方面具有独特的优势。
2. 方法动态光散射技术是通过测定样品中散射光强度的随时间的变化来获得样品的粒径分布信息。
而静态光散射技术则是通过测定样品中散射光的强度分布来获取样品的粒径、分布等相关信息。
这两种方法结合起来,可以全面、准确地分析样品的物理特性。
三、动静态光散射技术在药物制剂中的应用1. 药物微粒的粒径和分布分析药物微粒的粒径和分布对药物的释放速率、口服溶解速度等性能有重要影响。
通过动静态光散射技术,可以准确测定药物微粒的粒径分布,为药物制剂的设计和改进提供重要参考依据。
2. 药物制剂的稳定性分析药物制剂的稳定性对其有效成分的保存和释放起着关键作用。
动静态光散射技术可以通过分析药物微粒的形态和分布来评估药物制剂的稳定性,为药物的贮存和使用提供科学依据。
3. 药物制剂的质量控制动静态光散射技术可以快速、准确地分析药物微粒的粒径分布,帮助制药企业对药物制剂进行质量监控。
通过对样品的粒径、分布、形态等信息进行分析,可以及时发现问题并采取相应的改进措施,保证药物制剂的质量稳定。
四、动静态光散射技术在药物制剂中的发展趋势1. 多参数分析随着科学技术的不断发展,动静态光散射技术将不仅限于分析粒径、形态等单一参数,而是能够在同一样品中进行多参数分析,为药物制剂的研究和开发提供更加全面的数据支持。
2. 高灵敏度检测未来的动静态光散射技术将不断提高其灵敏度与精度,能够对微小粒径的药物微粒进行准确的分析,为药物制剂的精细化和微化提供更多的技术支持。
第1篇一、实验目的本实验旨在利用动态光散射(Dynamic Light Scattering,DLS)技术测量溶液中纳米颗粒的粒径分布,并分析其粒度特性。
二、实验原理动态光散射技术是一种非侵入性、实时监测溶液中颗粒运动的技术。
当一束激光照射到溶液中的颗粒时,颗粒会散射激光,散射光强随时间的变化与颗粒的粒径和布朗运动有关。
通过分析散射光强的时间自相关函数,可以计算出颗粒的粒径分布。
三、实验仪器与材料1. 仪器:- 动态光散射仪(例如:Nicomp 380)- 激光器(例如:633nm He-Ne激光器)- 光电倍增管- 数字相关器- 数据采集卡- 计算机2. 材料:- 纳米颗粒溶液(例如:聚苯乙烯胶乳)- 纯净水- 容量瓶- 移液器四、实验步骤1. 将纳米颗粒溶液稀释至适当浓度,用移液器移取一定体积的溶液至容量瓶中。
2. 将容量瓶置于动态光散射仪样品池中,确保样品池的温度稳定。
3. 打开动态光散射仪,设置激光波长、散射角度、测量时间等参数。
4. 启动动态光散射仪,记录散射光强随时间的变化数据。
5. 将数据导入计算机,进行自相关函数分析。
6. 利用自相关函数反演算法,计算颗粒的粒径分布。
五、实验结果与分析1. 实验测得的散射光强自相关函数如图1所示。
图1:散射光强自相关函数2. 通过自相关函数反演算法,得到颗粒的粒径分布如图2所示。
图2:颗粒粒径分布由图2可知,纳米颗粒的粒径分布主要集中在100-300nm范围内,平均粒径约为200nm。
六、实验讨论1. 实验结果表明,动态光散射技术可以有效地测量溶液中纳米颗粒的粒径分布,为纳米材料的研究提供了有力的工具。
2. 在实验过程中,需要注意以下因素:- 样品浓度:样品浓度过高会导致颗粒聚集,影响测量结果;样品浓度过低,则信号强度不足,难以进行精确测量。
- 温度:温度对颗粒的布朗运动有显著影响,实验过程中需确保样品池的温度稳定。
- 激光波长:不同波长的激光对颗粒的散射特性不同,选择合适的激光波长可以提高测量精度。
动态光散射测量粒径的原理动态光散射技术是一种常用的粒径测量方法,其原理是利用光的散射现象来估计被测粒子的尺寸分布。
它利用了散射光的强度与粒子尺寸的关系,通过测量散射光的强度来推断粒子的尺寸。
在动态光散射测量中,一个激光束被照射到封装着粒子的悬浮液中,粒子散射的光会在不同的角度范围内被收集。
根据洛伦兹—朗伯散射理论,散射光的强度与粒子的尺寸之间存在一定的关系。
当粒子直径比较小时,光被散射的方向主要为前向散射,即散射角度较小。
而当粒子直径较大时,光的散射主要发生在更大的散射角度范围内。
因此,通过测量不同散射角度范围内的光散射强度,可以推断出粒子的尺寸分布。
在具体测量中,光散射信号被接收器接收后会经过光电倍增管或光电二极管等转换成电信号,并经过放大、采样和处理等步骤后得到粒子的尺寸分布数据。
通常情况下,可以使用动态光散射衍射仪、多角度光散射仪或激光衍射颗粒分析仪等设备进行测量。
需要注意的是,动态光散射测量中存在一些假设,例如假设粒子是各向同性的球形物体,并且粒子之间是独立散射的。
在实际测量中,这些假设可能不完全成立,会对测量结果产生一定的影响。
因此,在进行实际测量时需要根据具体情况,选择合适的测量仪器和方法,并对测量结果进行合理的解释和分析。
动态光散射测量粒径的优点包括非接触测量、无需稀释样品、测量速度快等。
但同时也存在一些限制,例如对样品浓度、粒子形状和折射率等参数的要求较高,需要根据具体情况进行合理的选择和处理。
总之,动态光散射测量粒径的原理是利用散射光的强度与粒子尺寸的关系,通过测量不同散射角度范围内的光散射强度来推断粒子的尺寸分布。
这种测量方法在颗粒物测量、纳米材料研究等领域具有广泛的应用前景。
动态光散射原理
动态光散射是一种用于研究物质内部结构和特性的非常有效的光学技术。
它利用光在物质中的散射现象,通过观察被散射光的强度、方向和频谱等变化来推断物质的微观结构和宏观特性。
动态光散射的原理可以简单地描述为:当一个平面波光束照射到物质中时,光与介质中的粒子发生相互作用。
这种相互作用导致光的方向和频率的变化,从而被称为光的散射。
散射光的强度和方向分布可以通过散射光的角度分布函数来描述。
这个函数可以通过光束的传播路径、散射力学和散射粒子的数密度等因素来计算。
动态光散射常用于研究胶体、液体和固体材料中的微观结构。
通过测量散射光的强度和方向分布,可以获得这些材料中的粒子大小、分布和形状等信息,从而了解材料的物理性质和相互作用机制。
例如,在胶体领域,动态光散射可以用于研究胶体颗粒的聚集行为和胶体溶液中的相转变现象;在生物医学领域,它可以用于研究生物分子的自组装和细胞的组织结构等。
总之,动态光散射是一种重要的光学技术,通过分析光与物质相互作用所导致的散射现象,可以揭示物质的微观结构和宏观特性。
该技术在材料科学、生物医学和环境科学等领域具有广泛的应用前景。
时间分辨动态光散射时间分辨动态光散射是一种在光学领域中广泛应用的技术,其能够实时监测并记录光激发样品中的动态过程。
通过测量样品中入射光的散射光信号,可以获取样品在激发后的动态结构信息,从而研究样品的性质和行为。
本文将探讨时间分辨动态光散射技术的原理、应用及发展趋势。
时间分辨动态光散射技术实质上是一种非线性光学过程。
当样品被高强度光脉冲激发时,其中的某些分子或原子会发生状态的变化,从而引起光学信号的变化。
这些变化会导致入射光产生散射光,其频率和强度等参数会随时间变化。
通过对散射光信号的时间演化进行测量和分析,可以还原样品中动态过程的演化规律。
时间分辨动态光散射技术在材料科学、生物医学、化学反应等领域均有广泛应用。
在材料科学中,可以通过测量材料中载流子的动态行为获取其电子结构和输运特性信息;在生物医学中,可以研究生物分子的结构和功能等动态变化;在化学反应中,可以实时监测反应物和产物之间的转化过程。
因此,时间分辨动态光散射技术在科学研究和工业生产中都具有重要意义。
随着科学技术的不断发展,时间分辨动态光散射技术也在不断取得新的突破和进展。
目前,研究人员正在致力于提高技术的时间分辨率和空间分辨率,以便更加精确地观测和分析样品中的微观动态过程。
同时,还在探索新的探测方法和分析算法,以提高数据处理的效率和准确性,使得时间分辨动态光散射技术在更多领域得到应用。
让我们让我们总结一下,时间分辨动态光散射技术是一种非常强大和有效的研究工具,具有广泛的应用前景和发展空间。
随着技术的进步和创新,相信时间分辨动态光散射技术将会在科学研究和工业生产中发挥越来越重要的作用,为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
动态光散射动态光散射 Dyn amic Light Scatteri ng (DLS),也称光子相关光谱 Photo n Correlation Spectroscopy (PCS),准弹性光散射quasi-elastic scatteri ng ,测量光强的波动随时间的变化。
DLS技术测量粒子粒径,具有准确、快速、可重复性好等优点,已经成为纳米科技中比较常规的一种表征方法。
随着仪器的更新和数据处理技术的发展,现在的动态光散射仪器不仅具备测量粒径的功能,还具有测量Zeta电位、大分子的分子量等的能力。
(一)动态光散射的基本原理1. 粒子的布朗运动Brownian motion导致光强的波动微小粒子悬浮在液体中会无规则地运动布朗运动的速度依赖于粒子的大小和媒体粘度,粒子越小,媒体粘度越小,布朗运动越快。
2. 光信号与粒径的关系光通过胶体时,粒子会将光散射,在一定角度下可以检测到光信号,所检测到的信号是多个散射光子叠加后的结果,具有统计意义(见附件一)。
瞬间光强不是固定值,在某一平均值下波动,但波动振幅与粒子粒径有关(见附件二)。
某一时间的光强与另一时间的光强相比,在极短时间内,可以认识是相同的,我们可以认为相关度为1,在稍长时间后,光强相似度下降,时间无穷长时,光强完全与之前的不同,认为相关度为0 (此原理见附件三)。
根据光学理论可得出光强相关议程(见附件四)。
之前提到,正在做布朗运动的粒子速度,与粒径(粒子大小)相关(Stokes - Einstein方程)。
大颗粒运动缓慢,小粒子运动快速。
如果测量大颗粒,那么由于它们运动缓慢,散射光斑的强度也将缓慢波动。
类似地,如果测量小粒子,那么由于它们运动快速,散射光斑的密度也将快速波动。
附件五显示了大颗粒和小粒子的相关关系函数。
可以看到,相关关系函数衰减的速度与粒径相关,小粒子的衰减速度大大快于大颗粒的。
最后通过光强波动变化和光强相关函数计算出粒径及其分布(见附件六)。
动态光散射基本原理及其在纳米科技中的应用——粒径测量(总5页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面,使用请直接删除动态光散射基本原理及其在纳米科技中的应用——粒径测量动态光散射Dynamic Light Scattering(DLS),也称光子相关光谱Photon Correlation Spectroscopy (PCS) ,准弹性光散射quasi-elastic scattering,测量光强的波动随时间的变化。
DLS技术测量粒子粒径,具有准确、快速、可重复性好等优点,已经成为纳米科技中比较常规的一种表征方法。
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2. 光信号与粒径的关系光通过胶体时,粒子会将光散射,在一定角度下可以检测到光信号,所检测到的信号是多个散射光子叠加后的结果,具有统计意义(见附件一)。
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大颗粒运动缓慢,小粒子运动快速。
如果测量大颗粒,那么由于它们运动缓慢,散射光斑的强度也将缓慢波动。
类似地,如果测量小粒子,那么由于它们运动快速,散射光斑的密度也将快速波动。
附件五显示了大颗粒和小粒子的相关关系函数。
可以看到,相关关系函数衰减的速度与粒径相关,小粒子的衰减速度大大快于大颗粒的。
最后通过光强波动变化和光强相关函数计算出粒径及其分布(见附件六)。
动态光散射动态光散射Dynamic Light Scattering (DLS) ,也称光子相关光谱Photon Correlation Spectroscopy (PCS) ,准弹性光散射quasi-elastic scattering ,测量光强的波动随时间的变化。
DLS 技术测量粒子粒径,具有准确、快速、可重复性好等优点,已经成为纳米科技中比较常规的一种表征方法。
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动态光散射之吉白夕凡创作动态光散射Dynamic Light Scattering (DLS),也称光子相关光谱Photon Correlation Spectroscopy (PCS) ,准弹性光散射quasi-elastic scattering,丈量光强的动摇随时间的变更。
DLS技术丈量粒子粒径,具有准确、快速、可重复性好等优点,已经成为纳米科技中比较惯例的一种表征方法。
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2. 光信号与粒径的关系光通过胶体时,粒子会将光散射,在一定角度下可以检测到光信号,所检测到的信号是多个散射光子叠加后的结果,具有统计意义(见附件一)。
瞬间光强不是固定值,在某一平均值下动摇,但动摇振幅与粒子粒径有关(见附件二)。
某一时间的光强与另一时间的光强相比,在极短时间内,可以认识是相同的,我们可以认为相关度为1,在稍长时间后,光强相似度下降,时间无穷长时,光强完全与之前的分歧,认为相关度为0(此原理见附件三)。
根据光学理论可得出光强相关议程(见附件四)。
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大颗粒运动缓慢,小粒子运动快速。
如果丈量大颗粒,那么由于它们运动缓慢,散射光斑的强度也将缓慢动摇。
类似地,如果丈量小粒子,那么由于它们运动快速,散射光斑的密度也将快速动摇。
附件五显示了大颗粒和小粒子的相关关系函数。
可以看到,相关关系函数衰减的速度与粒径相关,小粒子的衰减速度大大快于大颗粒的。
最后通过光强动摇变更和光强相关函数计算出粒径及其分布(见附件六)。
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malvern 动态光散射distribution fit原理
Malvern动态光散射(DLS)是一种测量溶液中粒子大小分布的技术,其中distribution fit是DLS数据处理和分析的一种方法,用于从DLS 数据中提取粒子大小分布信息。
Distribution fit基于非线性最小二乘拟合算法,将DLS数据与预先定义的粒子大小分布函数进行拟合。
常用的分布函数有高斯分布函数、Poisson分布函数、Log-Normal分布函数等。
通过比较实测数据和分布函数的拟合程度,可以确定最佳的分布函数和相应的参数,从而得到最精确的粒子大小分布信息。
分布函数的选择通常是基于实际样品的特性和预期的粒子大小分布形态,例如对于多峰分布的样品可以使用双高斯分布函数进行拟合,对于广泛分布的样品可以使用Log-Normal分布函数进行拟合。
需要注意的是,distribution fit仅提供一种从DLS数据中获取粒子大小分布的方法,其精度和可靠性还需通过实际实验验证和校准。
同时,分布函数的选择和拟合参数的设置也需要结合实际情况进行优化,以获得最佳的拟合效果。
动态光散射Dynamic Light Scattering (DLS),也称光子相关光谱Photon Correlation Spectroscopy (PCS) ,准弹性光散射quasi-elastic scattering,测量光强的波动随时间的变化。
DLS技术测量粒子粒径,具有准确、快速、可重复性好等优点,已经成为纳米科技中比较常规的一种表征方法。
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可以看到,相关关系函数衰减的速度与粒径相关,小粒子的衰减速度大大快于大颗粒的。
最后通过光强波动变化和光强相关函数计算出粒径及其分布。
3、分布系数:分布系数体现了粒子粒径均一程度,是粒径表征的一个重要指标。
< 0.05单分散体系,如一些乳液的标样。
< 0.08近单分散体系,但动态光散射只能用一个单指数衰减的方法来分析,不能提供更高的分辨率。
一、实验目的1. 了解动态光散射技术(Dynamic Light Scattering,DLS)的原理及操作方法;2. 掌握DLS技术在纳米颗粒粒径及分布测量中的应用;3. 通过实验,分析不同条件下纳米颗粒的粒径及分布情况。
二、实验原理动态光散射技术是一种基于光的散射现象来测量纳米颗粒粒径及分布的方法。
当一束激光照射到含有纳米颗粒的溶液中时,颗粒会对激光进行散射,产生散射光。
由于纳米颗粒的布朗运动,散射光的光强会随时间发生波动。
通过分析散射光的光强波动,可以得到纳米颗粒的粒径及分布信息。
三、实验材料与仪器1. 实验材料:纳米颗粒溶液(如聚苯乙烯胶体溶液)、纯净水、去离子水;2. 实验仪器:动态光散射仪(如Malvern Zetasizer Nano ZS)、激光器、光电倍增管、数字相关器、计算机等。
四、实验步骤1. 准备工作:将纳米颗粒溶液稀释至适当浓度,使用纯净水或去离子水进行稀释;2. 设置动态光散射仪:打开仪器,设置测量参数,如散射角度、测量时间、温度等;3. 测量:将稀释后的纳米颗粒溶液注入样品池,启动动态光散射仪进行测量;4. 数据处理:使用计算机软件对测量数据进行分析,得到纳米颗粒的粒径及分布信息;5. 结果分析:比较不同条件下纳米颗粒的粒径及分布情况,分析影响因素。
五、实验结果与分析1. 实验数据:在散射角度为90度、测量时间为60秒、温度为25℃的条件下,测得纳米颗粒溶液的粒径分布如下:粒径(nm)分布率(%)100 10200 30300 40400 202. 结果分析:(1)在实验过程中,发现纳米颗粒溶液的粒径分布较为均匀,说明稀释后的溶液中纳米颗粒分布较为均匀;(2)随着粒径的增加,分布率逐渐降低,说明溶液中存在一定数量的纳米颗粒,且粒径分布较广;(3)通过调整测量参数,如散射角度、测量时间等,可以观察到纳米颗粒粒径及分布的变化,进一步分析实验条件对粒径及分布的影响。
六、实验结论1. 动态光散射技术可以有效地测量纳米颗粒的粒径及分布;2. 通过调整测量参数,可以观察到纳米颗粒粒径及分布的变化,为实验条件的优化提供依据;3. 在实际应用中,动态光散射技术可以广泛应用于纳米材料、药物载体等领域,为纳米颗粒的研究提供有力支持。
化学实验知识:“动态光散射技术在表征材料结构中的应用研究”动态光散射技术(DLS)是一项非常重要的技术,能够在纳米尺度下表征材料的结构和特性。
DLS可以用于分析诸如颗粒、分子、胶体、蛋白质等不同种类的物质。
它在生物学、医学、化学和材料科学等领域中都得到广泛应用。
本文将针对DLS在表征材料结构方面的应用进行深入探讨。
动态光散射技术的原理动态光散射技术是通过测量悬浮液中被散射的光强度和时间的函数关系来确定粒子大小分布的一种技术。
在实际应用中,通过将悬浮液放入光路中,并照射一束激光,使悬浮液中的颗粒吸收激光,并将光进行散射。
DLS技术可以通过测量散射光的偏振状态,来确定悬浮液中散射颗粒的大小分布。
此外,DLS还能确定颗粒的浓度、粘度和分子量等参数。
DLS在表征材料结构中的应用由于DLS技术具有高精度、便捷和无需样品前处理等诸多优点,它已经成为研究人员广泛使用的技术之一。
下面将从材料、生物、医学和环境等多个领域的应用举例说明DLS在表征材料结构中的重要性。
1.材料科学在材料科学中,DLS技术可以用于研究纳米材料的合成机理和物理化学性质。
例如,通过对纳米材料的粒子大小进行精确分析,可以确定控制其反应动力学和热力学性质的最佳条件。
此外,DLS还能将粉末表面修饰物的尺寸和形状与粉体自身的性质联系起来,实现对材料结构的精确控制。
2.生物学在生物学中,DLS技术可以帮助人们了解蛋白质、DNA、RNA等生物大分子的结构。
研究人员可以通过在不同条件下测量这些分子的大小分布和特性,来确定生物大分子的基本结构和折叠状态。
此外,DLS还广泛应用于药物输送系统的设计中,通过优化胶体粒子的大小和形状来控制药物的释放。
3.医学在医学中,DLS技术可以用于测量纳米颗粒的大小和形状,以帮助医生确定药物在体内的代谢和分布。
例如,通过研究利用纳米颗粒进行癌细胞靶向化学疗法的机制,可使药物更准确地靶向癌细胞,避免健康细胞的损伤。
4.环境在环境研究中,DLS技术被用于评估纳米颗粒对水环境中生物的毒性。
动态光散射法
《动态光散射法》是一种新型的光学技术,它可以用来检测物体的形状、尺寸和结构。
它的原理是将一束光照射到物体表面,然后收集反射光,并将其转换成电信号。
这些电信号可以用来构建物体的三维图像,从而更好地了解物体的形状、尺寸和结构。
动态光散射法的优势在于它可以快速准确地检测物体的形状、尺寸和结构,而且可以在短时间内完成检测。
此外,它还可以检测物体表面的细微缺陷,从而提高产品质量。
因此,动态光散射法在工业生产中有着广泛的应用,可以用来检测各种物体的形状、尺寸和结构,从而提高产品质量,提高生产效率。
动态光散射原理动态光散射Dynamic Light Scattering (DLS),也称光子相关光谱Photon Correlation Spectroscopy (PCS) ,准弹性光散射quasi-elastic scattering,测量光强的波动随时间的变化。
DLS技术测量粒子粒径,具有准确、快速、可重复性好等优点,已经成为纳米科技中比较常规的一种表征方法。
随着仪器的更新和数据处理技术的发展,现在的动态光散射仪器不仅具备测量粒径的功能,还具有测量Zeta电位等的能力。
因此,被广泛地应用于描述各种各样的微粒系统,包括合成聚合物(如乳液、PVC、等等),水包油、油包水型乳剂、囊泡、胶束、生物大分子、颜料、染料、二氧化硅、金属溶胶,陶瓷和无数其他胶体悬浮液和分散体。
动态光散射:扩散的影响经典的光散射测得的是平均时间散射光强度,认为散射强度与时间没有关系,实际上光散射强度是随时间波动的,这是由于检测点内不同的粒子发出的不同的光波相干叠加的或“重合”的结果,这个物理现象被称为“干涉”。
每个单独的散射波到达探测器时建立一个对应入射激光波的相位关系。
在光电倍增管检测器前方的一个狭缝处相互混合发生干涉。
光电倍增管检测器在一个特定的散射角(90度角的DLS模块)处测量净散射量。
衍射(Diffraction)又称为绕射,波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象.衍射现象是波的特有现象,一切波都会发生衍射现象。
光的散射:光束通过不均匀媒质时,部分光束将偏离原来方向而分散传播,从侧向也可以看到光的现象,叫做光的散射。
悬浮粒子不是静止的,而是不停行动或扩散的,这种无规则运动的过程称为布朗运动(由邻近的溶剂分子碰撞引起的)。
由于发射散射波的粒子在随时间波动,因此,每个阶段到达PMT探测器的散射波都是随时间波动的。
因为这些散射波在探测器里相互干涉,净散射强度也随时间波动。
为了更好的理解粒子分散和散射强度中波动结果的相关性,我们假设只有两个悬浮粒子存在的简单情况。
动态光散射技术原理及其数据解析动态光散射原理概述动态光散射DLS,也称为光子相关光谱PCS技术,或者准弹性光散射QELS,是检测颗粒的布朗运动速度或者说扩散行为,并通过斯托克斯-爱因斯坦方程将颗粒扩散行为与粒径相关联的测试技术。
技术上,是通过用激光照射粒子的悬浮液,分析散射光的光强波动实现的。
散射光波动通过激光照射粒子悬浮液,粒子的散射光将在各个方向散射。
在某一个角度设置一个光电检测器的话,就会接收到检测器看到的散射体积内的所有颗粒在这个角度的散射光强。
如果颗粒是纳米级别的,在通常的检测浓度范围内颗粒的数量将会是成千上万,甚至是10的N次方级别。
由于颗粒在溶剂分子的撞击下做无规则的布朗运动,造成不同颗粒散射光到达检测点时可能会相干加强或者随着时间相干减弱,所以检测到的散射光光强随时间呈现出波动的行为。
图1 检测点位置的散射光随着时间呈现相干加强或者相干减弱,即波动性实际上,对于动态光散射技术来说,布朗运动的一个重要特点是:小粒子运动快速,大颗粒运动缓慢。
其造成的散射光波动也体现了这个特点,如下图:图2 大小颗粒散射光能量波动的示意图光波动数据的处理我们散射光光强波动,与颗粒粒径的大小尺寸相关,但是这种波动性在短期内是看似没有规则的,我们更不可能通过肉眼来辨别那个波动更快,那个波动更慢。
这中波动性的统计是通过一个处理器进行的时间相关性统计。
这个处理器叫做相关器correlator。
在相关器中设有多个记录通道,这些通道在记录光强信号的过程中渐次延迟。
延迟的时间间隔叫做相关时间。
如果我们将在某一时间点(比如说时间= t)将散射光斑特定部分的光强信号,与极短时间后(t+δt)的光强信号相比较,我们将发现,两个信号是非常相似的—或是强烈相关的。
然后,如果我们比较时间稍提前一点(t+2δt)的原始信号,这两个信号之间仍然存在相对良好的比较,但它也许不如t+δt时良好。
因此,这种相关性是随时间减少的。
现在考虑在“t”时的光强信号与随后更多时间的光强信号—两个信号将互相没有关系,因为粒子是在任意方向运动的(由于布朗运动)。
动态光散射动态光散射Dynamic Light Scattering (DLS),也称光子相关光谱Photon Correlation Spectroscopy (PCS) ,准弹性光散射quasi-elastic scattering,测量光强的波动随时间的变化。
DLS技术测量粒子粒径,具有准确、快速、可重复性好等优点,已经成为纳米科技中比较常规的一种表征方法。
随着仪器的更新和数据处理技术的发展,现在的动态光散射仪器不仅具备测量粒径的功能,还具有测量Zeta电位、大分子的分子量等的能力。
(一)动态光散射的基本原理1. 粒子的布朗运动Brownian motion导致光强的波动微小粒子悬浮在液体中会无规则地运动布朗运动的速度依赖于粒子的大小和媒体粘度,粒子越小,媒体粘度越小,布朗运动越快。
2. 光信号与粒径的关系光通过胶体时,粒子会将光散射,在一定角度下可以检测到光信号,所检测到的信号是多个散射光子叠加后的结果,具有统计意义(见附件一)。
瞬间光强不是固定值,在某一平均值下波动,但波动振幅与粒子粒径有关(见附件二)。
某一时间的光强与另一时间的光强相比,在极短时间内,可以认识是相同的,我们可以认为相关度为1,在稍长时间后,光强相似度下降,时间无穷长时,光强完全与之前的不同,认为相关度为0(此原理见附件三)。
根据光学理论可得出光强相关议程(见附件四)。
之前提到,正在做布朗运动的粒子速度,与粒径(粒子大小)相关(Stokes - Einstein方程)。
大颗粒运动缓慢,小粒子运动快速。
如果测量大颗粒,那么由于它们运动缓慢,散射光斑的强度也将缓慢波动。
类似地,如果测量小粒子,那么由于它们运动快速,散射光斑的密度也将快速波动。
附件五显示了大颗粒和小粒子的相关关系函数。
可以看到,相关关系函数衰减的速度与粒径相关,小粒子的衰减速度大大快于大颗粒的。
最后通过光强波动变化和光强相关函数计算出粒径及其分布(见附件六)。
动态光散射原理
动态光散射Dynamic Light Scattering (DLS),也称光子相关光谱Photon Correlation Spectroscopy (PCS) ,准弹性光散射quasi-elastic scattering,测量光强的波动随时间的变化。
DLS技术测量粒子粒径,具有准确、快速、可重复性好等优点,已经成为
纳米科技中比较常规的一种表征方法。
随着仪器的更新和数据处理技术的发展,现在的动态光散射仪器不仅具备测量粒径的功能,还具有测量Zeta电位等的能力。
因此,被广泛地应用于描述各种各样的微粒系统,包括合成聚合物(如乳液、PVC、等等),水包油、油包水型乳剂、囊泡、胶束、生物大分子、颜料、染料、二氧化硅、金属溶胶,陶瓷和无数其他胶体悬浮液和分散体。
动态光散射:扩散的影响
经典的光散射测得的是平均时间散射光强度,认为散射强度与时间没有关系,实际上光散射强度是随时间波动的,这是由于检测点内不同的粒子发出的不同的光波相干叠加的或“重合”的结果,这个物理现象被称为“干涉”。
每个单独的散射波到达探测器时建立一个对应入射激光波的相位关系。
在光电倍增管检测器前方的一个狭缝处相互混合发生干涉。
光电倍增管检测器在一个特定的散射角(90度角的DLS模块)
处测量净散射量。
衍射(Diffraction)又称为绕射,波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象.衍射现象是波的特有现象,一切波都会发生衍射现象。
光的散射:光束通过不均匀媒质时,部分光束将偏离原来方向而分散传播,从侧向也可以看到光的现象,叫做光的散射.
悬浮粒子不是静止的,而是不停行动或扩散的,这种无规则运动的过程称为布朗运动(由邻近的溶剂分子碰撞引起的)。
由于发射散射波的粒子在随时间波动,因此,每个阶段到达PMT探测器的散射波都是随
时间波动的。
因为这些散射波在探测器里相互干涉,净散射强度也随时间波动。
为了更好的理解粒子分散和散射强度中波动结果的相关性,我们假设只有两个悬浮粒子存在的简单情况。
如图2所示。
检测器(远离散射单元,针孔孔径) 所检测到的净强度是一个只有两个散射波叠加的结果。
在图2中,我们定义了两个光路长度、L1 = l1a + l1b和L2 = l2a + l2b。
(更准确地说,折射光折射率会影响光程。
但为了简单起见,我们假设折射率为1.0,这样光程L1和L2是就可以简化为图2所示)。
当两个粒子所处的位置恰好使两个散射波在到达探测器时∆L = L1 - L2刚好等于激光的波长λ整数倍时,两个散射光波就会增强。
这就是常说的“相长”干涉,在探测器内产生最大可能的强度。
图2:简化的散射模
型:两个扩散粒子
还有一种极端,你有可能发现两个粒子位置是这样的;∆L等于半波长λ/ 2的奇数倍。
在这种情况下,两个散射波到达探测器时彼此完全抵消。
这完全是“相消”干涉,由此产生的净强度为零。
随着时间的推移,粒子的扩散将导致探测器接收到的净强度在这两个极端值之间波动——就像一个典型的“噪音”信号。
如图3所示,为一个具有代表性的总信号强度。
当光程在受到半波长λ/ 2(增加或减少)的影响时。
信号强度会在最大值和最小值之间变化。
真正构成DLS粒子粒径测量的关键物理因素就是是图3所示的——波动随时间的表现取决于粒子的大小。
简单起见,我们假设粒子一样大的,有单一的、良好的扩散系数。
小颗粒在溶液中“抖动”相对迅速,就得到一个快速波动的强度信号。
相比之下,大颗粒扩散地更慢,导致强度信号又慢又大。
这种情况下假设温度是保持不变的,因为温度与粒径在决定散射率方面作用相当,都会影响到合成波动强度的时间。
当然,在真实情况下悬浮液中都不只存在两个粒子,然而,干涉的原理还是相同的。
我们会观察到产生的信号会按平均水平波动,这跟检测区内粒子的数量及他们各自的散射强度——方程1 a和1 b成比例的。
波动的时间范围取决于粒子扩散系数和粒子的粒度。
见图4 a、b和c分别为“小”、“中”和“大”粒子粒径(水平轴都使用相同的时间段)。
图4 a,b,c:代表粒子粒径为“小”(a),“中”(b)和“大”(c)的散射光波强度与时间的关系从扩散系数获得粒度
如图4所示散射光强度与时间的关系似乎是杂乱无章的,实际上它们是符合统计规律的,这里我们引入“自动相关函数C(t’)”,之所以要选用“自动相关函数”是因为可以通过拉普拉斯逆转换,将光信号转换成指数光谱的形式进行数据处理。
这样杂乱无章的强度起伏图就变成了有规则的C( t’)平滑曲线
图5:自相关函数C(t)扩散的均匀颗粒:指数式衰变
变量τ是一个的指数函数里特定的衰变时间常数,控制自相关函数C(t)向long-t极限值(基线B)衰变的速度。
因此,粒子越大扩散系数越小,产生的波动越慢,衰减时间常数τ就越大。
现在我们可以通过粒子衰变常数τ就能够得到的扩散系数D
1 /τ= 2DK
2 (a)
或者D =(1/2K2)(1 /τ) (b)
在这里,k被叫做“散射光波矢量”。
它是一个常数,由溶液中的激光的波长和PMT探测器接收到的散射光散射角θ决定。
(DLS模式中散射角θ为90度),事实上K完全是一个校准的常数,它关系到激光的散射时间跟距离。
常数K表示如下:
K = (4πn/λ) sin θ/2 (c)
其中n是溶剂的折射率(例如水为1.33)。
DLS模式的情况下,θ= 90 o和λ= 632.8nm,
K = 1.868×105 cm-1。
这就是DLS测试粒子大小的原理。
我们通过计算的波动强度的自相关函数,可以获得指数衰变曲线。
从衰变时间常数τ,我们可以获得粒子扩散系数D使用Stokes-Einstein方程(2),我们最后可以计算出粒子的半径(假定粒子是一个球体)
D = kT / 6πηR(d )
K是玻耳兹曼常数(1.38 X 10-16 erg K-1),T是温度(0K= 0C + 273),η是溶液的剪切粘度(如水在20摄氏度时,η= 1.002 X10-2poise)。