动态光散射原理

动态光散射基本原理    
 

    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。

 

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。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。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。根据光学理论可得出光强相关议程。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。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(particle dispersion index,PI)


    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。
    0.08 - 0.7  适中分散度的体系。运算法则的最佳适用范围。
    > 0.7       寸分布非常宽的体系,很可能不适合光散射的方法分析。