PDF《动态光散射原理-Dynamic Light Scattering (》

动态光散射原理-Dynamic Light Scattering (DLS) 动态光散射(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.美国PSS粒度仪Nicomp380系列,就是采用的这种检测原理. 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. 光的衍射(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(Scattering):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. 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 图2:简化的散射模型:两个扩散粒子 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.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