摘要：該文獻規(guī)定了動態(tài)光散射(DLS)在流體動力學(xué)平均粒徑測量和主要亞微米粒徑顆粒、乳劑或分散在液體中的細氣泡的粒徑分布測量中的應(yīng)用。DLS也被稱為“準(zhǔn)彈性光散射(QELS)”和“光子相關(guān)光譜(PCS)”。DLS測定粒度是基于第 一性原理的絕 對方法。適用于廣泛的稀釋和濃縮懸浮液的測量。美國Particle Sizing Systems(PSS)公司提供的Nicomp 380系列產(chǎn)品是一款采用動態(tài)光散射法（DLS）的儀器，測量范圍廣泛，測試結(jié)果準(zhǔn)確，完全滿足客戶對于納米以及亞微米級別粒徑的測量需求。

關(guān)鍵詞：動態(tài)光散射（DLS）、第 一性原則、多重光散射、Nicomp380

前言

懸浮在流體中的粒子由于與懸浮流體的分子相互作用而處于恒定的布朗運動中。在布朗運動的斯托克斯-愛因斯坦理論中，微粒在很低濃度下的運動是由懸浮流體的黏度和溫度，以及微粒的大小決定的。因此，通過測量已知溫度和黏度的流體中粒子的運動，就可以確定粒子的大小。DLS技術(shù)通過光學(xué)探測粒子運動。不同的擴散模式、粒子-粒子相互作用、多次散射和熒光對DLS實驗計算的表觀顆粒直徑有顯著影響。

DLS儀器組成

1）激光器：發(fā)射相干單色光，其電場分量偏振光垂直于入射和被探測光線形成的平面(垂直偏振)?？梢允褂萌魏晤愋偷募す馄?，例如氣體激光器(He-Ne激光器，Ar-ion激光器)，固體激光器，二極管泵浦固體激光器和激光二極管。

2）將入射激光聚焦成散射體并檢測散射光的光學(xué)、透鏡和設(shè)備。光纖經(jīng)常被用作探測系統(tǒng)的一部分和用于光傳遞光學(xué)。相干光學(xué)基準(zhǔn)的使用允許使用散射光和基準(zhǔn)之間的干涉來測量散射光的頻率偏移。

3）試樣架：將試樣溫度波動控制在±0.3℃。雖然評估時需要對樣品溫度有精確的了解，但不需要將溫度調(diào)節(jié)到任何確定的值。

4）光電探測器：輸出與所收集的散射光強度成正比。通常使用光電倍增管或(雪崩)光電二極管。探測器可以放在任何角度。數(shù)據(jù)收集可以以線性或?qū)?shù)的方式進行。

5）信號處理單元：隨時間變化的散射光強信號，輸出輸入信號的自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)或功率譜。這種關(guān)聯(lián)可以由硬件和/或軟件相關(guān)器執(zhí)行，線性、對數(shù)或混合模式。

6）計算單元：夠?qū)π盘栠M行處理，得到粒徑和/或粒徑分布。一些計算單元也作為信號處理單元。

7）儀器位置：置在清潔的環(huán)境中，無過大的電氣噪聲和機械振動，避免陽光直射。如果使用有機液體作為懸浮介質(zhì)，應(yīng)適當(dāng)考慮當(dāng)?shù)氐慕】岛桶踩?，并且該區(qū)域應(yīng)通風(fēng)良好。儀器應(yīng)放置在剛性的桌子或工作臺上，以避免光學(xué)系統(tǒng)頻繁校準(zhǔn)的需要。

試樣制備

一般測試樣品應(yīng)由液體介質(zhì)中分散良好的顆粒組成。分散程序，如超聲波，過濾等，可能會影響結(jié)果，因此必須報告。

濃度限制

DLS工作范圍的低濃度限制是由散射體中存在的粒子數(shù)量決定的，其中包括粒子大小、探測器靈敏度等其他因素。在不影響報告粒徑的情況下，可以測量的Z 大分散顆粒濃度是由顆粒-顆粒相互作用和多次散射確定的。該濃度限值應(yīng)通過稀釋試驗確定。

測量過程

a）：打開儀器，讓它預(yù)熱。通常大約需要15到30分鐘來穩(wěn)定激光強度，并使樣品保持器在所需的溫度下達到平衡。注1:對許多應(yīng)用來說，監(jiān)測溫度而不是控制溫度就足夠了，只要報告的監(jiān)測溫度有一個已知的黏度值。

b）：應(yīng)檢查僅填充懸浮介質(zhì)的測量單元，以確保低計數(shù)率或信號水平，沒有可能表明顆粒污染的根本波動。高計數(shù)率或信號水平可能表明細胞耀斑或臟細胞壁。對于提供背景減法的儀器，測量并存儲所使用的色散介質(zhì)的背景信號。

c）：目視檢查樣品中是否存在可見光顆粒、絮凝體、纖維和其他可能的污染物。如果存在，重復(fù)樣品制備。

d）：將所需數(shù)量的樣品轉(zhuǎn)移到合適的、干凈的測量單元。測量單元可以是一次性的(如塑料)或可重復(fù)使用的(如光學(xué)質(zhì)量玻璃或石英)。與一次性塑料樣品池相比，玻璃樣品池的主要優(yōu)點是當(dāng)光線通過電池散射時折射較小，因此實際觀測角度與探測器與入射光束的幾何角度相同。測量槽的材料必須與分散介質(zhì)和顆粒在化學(xué)上相容。

結(jié)果評估

一般DLS是一種分辨率較低的方法，無法分辨粒徑分布中間隔較窄的峰。低分辨率也意味著遠離質(zhì)量中值直徑D50的值將有越來越大的不確定性。對DLS得到的原始信號進行散射強度加權(quán)。許多儀器允許從散射強度加權(quán)信號計算體積或數(shù)字加權(quán)結(jié)果。Nicomp 380系列儀器可以通過專 利技術(shù)將DLS方法的低分辨率的局限性進行彌補，通過算法的擬合，可以分辨出多組分的多峰系統(tǒng)，使得結(jié)果更加準(zhǔn)確。

相關(guān)算法：

1）累積量法：累積量分析將整個指數(shù)衰減分布壓縮成指數(shù)，然后將指數(shù)展開成多項式表達式。

2）分布計算算法：這些算法中，粒子懸浮液或分子溶液的擴散系數(shù)分布是通過對相關(guān)函數(shù)應(yīng)用多重指數(shù)擬合算法來計算的。這些算法的輸出是一個粒徑分布，如果需要，可以從中確定一個平均粒徑。

3）頻率分析：頻率分析中，從檢測器發(fā)出的信號以固定的間隔和允許分析所需的Z 高頻率的頻率進行采樣。然后對采樣值進行快速傅里葉變換(FFT)，得到頻率功率譜。

體系認證和質(zhì)量控制

一般測試樣品應(yīng)由液體介質(zhì)中分散良好的顆粒組成。分散程序，如超聲波，過濾等，可能會影響結(jié)果，因此必須報告。

系統(tǒng)的驗證：

由于用DLS測定粒度是基于第 一性原理的絕 對方法，因此不需要用粒度校準(zhǔn)器對粒度尺度進行校準(zhǔn)。為了確保SI可追溯的結(jié)果，一些儀器或測試參 數(shù)應(yīng)該用可追溯校準(zhǔn)的工具測量(如用戶在儀器生產(chǎn)過程中測量測試溫度，或由制造商測量激光波長和散射角)。此外，儀器性能的驗證應(yīng)在儀器安裝后，在一段時間間隔內(nèi)或在有疑問時，用經(jīng)認證尺寸的顆粒懸浮液進行。在儀器S次安裝后，并在此后的定期時間間隔內(nèi)，可以使用經(jīng)認證尺寸的顆粒懸浮液來確認儀器的性能。

如果驗證失敗表明這種顆粒懸浮液、測試樣品的制備或儀器存在問題。應(yīng)使用使用相同評估算法為DLS分配值的認證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。理想情況下，顆粒的化學(xué)和形態(tài)應(yīng)該與測試樣品盡可能接近?；蛘?，可以使用經(jīng)認證的聚苯乙烯乳膠懸浮液，其尺寸分布較窄，如5% CV(=標(biāo)準(zhǔn)差/平均直徑)，其平均粒徑由DLS或電子顯微鏡測量。

為了評估潛在偏差，CRM平均值的不確定度應(yīng)與測量不確定度的公差相結(jié)合，并將不確定度擴大到2倍，以獲得擴展不確定度。驗證值與5個結(jié)果平均值之間的絕 對差值應(yīng)小于該綜合不確定度。

測量結(jié)果的質(zhì)量控制

有效的測量結(jié)果應(yīng)滿足以下條件:

A)粒徑分布與延遲時間范圍無關(guān)，只要Z 小范圍涵蓋了衰減時間的集合;

B)粒徑分布的峰值位置與所選粒徑范圍無關(guān);

C)在所選尺寸范圍的兩端沒有峰值;

D)似是而非的，與粒子的物理和化學(xué)性質(zhì)一致;

E)與其他分級技術(shù)相比是合理的。

方法精度和測量不確定度

可達到的精度取決于樣本的性質(zhì)和評價算法。一般來說，均勻、單分散的樣品所得到的結(jié)果比多分散的樣品所得到的結(jié)果的可變性小。

重復(fù)性:對于直徑在50 nm ~ 200 nm的單分散材料，相對重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)低于2%。

注:即使在一個實驗室內(nèi)，在運行之間、操作人員之間、儀器之間、地點之間等也可能有額外的變化。

重復(fù)性:對于直徑在50 nm和200 nm之間的單分散材料，實驗室標(biāo)準(zhǔn)偏差可達5%。

真實度:DLS得到的結(jié)果取決于很多因素，包括散射角和評估算法，所以多分散材料的結(jié)果是針對所使用的儀器和評估機構(gòu)的。對于球形顆粒的單分散樣品，可以估計出真實度對測量不確定度的貢獻下限。每個結(jié)果的測量不確定度至少應(yīng)包括重復(fù)性和再現(xiàn)性的影響。

美國PSS粒度儀旗下的Nicomp 380系列儀器，相比于其他廠家的DLS設(shè)備，在常用的高斯分布下，又用自己獨特的Nicomp算法，可準(zhǔn)確分辨出樣品是否屬于多峰，給客戶提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，滿足客戶的需求。

參考文獻：

BS ISO22412:2017