动态光散射(DLS)基本原理及其在纳米科技中的应用——粒径测量

作者&投稿:爱菊 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
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动态光散射:精密的纳米世界尺子


动态光散射(Dynamic Light ScatteringPCS),作为一种准弹性光散射技术,揭示的是光强度随时间的波动,它在纳米科技领域中扮演着关键的角色,尤其在粒子粒径的精确测量中,因其高精度、快速性和可重复性备受青睐。


现代动态光散射仪器的革新,使其不仅限于测量粒径,还能够测定Zeta电位和大分子的分子量,如上图所示的Zetasizer Nano ZS-90激光粒度仪所示。


动态光散射的基本原理揭示


1. 粒子的微观舞蹈


粒子在液体中的布朗运动,如同一场微妙的舞蹈。微小粒子的运动速度,与它们的大小和周围介质的粘度紧密相关。小粒子在低粘度介质中移动迅速,而大粒子则步履蹒跚,这种差异影响了散射光信号的波动特性。


2. 光与粒径的数学联结


光通过胶体时,粒子散射的光信号,实际上是多个散射光子叠加的结果。这种波动的光强与粒子粒径有着密切的数学关联。光强的瞬间波动并非恒定,它在平均值附近波动,波动幅度与粒径大小相关。通过分析这种波动,我们得以推导出光强的相关函数,进而计算出粒径及其分布。


3. 分布系数:粒径多样性的度量


分布系数,即粒子粒径的均一性指标,对纳米体系的表征至关重要。小于0.05的PDI表明单分散,0.05至0.7代表适中分散度,大于0.7则表明宽广的粒径分布,可能不适合光散射法。通过分布系数,我们可以了解体系的纯度和复杂性。


从光强到粒径的桥梁


光强、体积和数量分布之间的关系,可以通过一个简单的示例来理解。想象一个由两种粒径(5nm和10nm)组成的样品,尽管数量相等,但体积和散射光强度的差异巨大。这反映了粒子尺寸对光散射信号的显著影响。


动态光散射的使用要求


1. 精确的实验条件


要得到准确的测量结果,样品必须均匀分散在透明、折射率匹配的液体中,且分散剂需具备特定的性质,例如:折射率差明显、无溶胀或缔合等。同时,折光率和粘度的准确测量至关重要,误差控制在0.5%以内。


2. 粒径测量的极限


粒径的测量下限取决于多种因素,如粒子与溶剂的散射强度对比、折射率差、浓度、仪器敏感度以及光学构造。而粒径上限则由粒子的沉淀行为和与分散剂密度的关系所决定。


3. 浓度与测量挑战


高浓度样品可能导致多重散射、扩散受限和聚集效应,这些都会影响动态光散射的结果。因此,样品浓度的控制是关键。




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