纳米激光粒度仪（动态散射光DLS）基础知识问答

随着纳米技术的繁荣发展，基于DLS技术的纳米激光粒度仪也日益普及，掌握其基本特性及基础知识，相信会对关注纳米粉体材料的粉体圈内人士有所帮助。

本文将以问答的形式，向读者介绍一些纳米激光粒度仪的基本常识。

1、纳米激光粒度仪的测量原理是什么？

由于分子热运动，悬浮介质（多数情况下是水或者有机溶剂）的分子不断运动，和悬浮的颗粒物产生碰撞，使得分散体或溶液中的小颗粒做无规则的布朗运动。可以通过观测散射光随时间的波动性得到颗粒布朗运动的速度，这种技术被称为光子相关光谱法（PCS）或准弹性光散射法（QELS），但现在通常称作动态光散射法（DLS）。斯托克斯-爱因斯坦方程定义了颗粒布朗运动速度与颗粒大小之间的关系：

其中，D=扩散速度，k=波尔兹曼常数，T=绝对温度，h=粘度，DH=流体力学直径

上述关系式清楚地表示了在样品温度和连续相粘度已知的情况下，如何根据扩散速度测定粒径。尽管必须是控制检测温度，但很多商用仪器还是会对温度进行测量；而对于许多分散剂，尤其是水而言，粘度是已知的。在很多情况下，DLS实验所需的补充信息也仅仅是粘度测量。

2、纳米激光粒度仪有何性能优势？

纳米激光粒度仪法在测量0.1nm~10µm范围的粒径时十分出色。它在测量小颗粒方面的能力尤为突出，对于绝大多数待测体系提供2nm及以上的准确、可重复的数据。从理论上讲，检测低密度分子的粒径仅仅受到仪器灵敏度的限制。无论是稀释样品还是混浊样品都可以用DLS法来进行测量，可分析的浓度范围最低可至0.1ppm，最高可达40％w/v。不过，由于样品浓度会大大影响其外观尺寸，因此当粒子含量较高时对样品的制备需要加倍小心。

3、纳米激光粒度仪有何局限性？

A、对密度较大颗粒而言，沉降是可能导致分析不准确的一个潜在问题。例如，对于密度为10g/ml的颗粒，最大检测粒径通常会限制在大约100nm以内。应对的办法有提高分散介质的密度。例如使用蔗糖溶液作分散介质。存在较大的超出仪器量程的颗粒时，这类颗粒应该事先被过滤掉。或者，如果大颗粒的存在量极少也可以通过软件进行处理。

B、纳米激光粒度仪分辨率较低。动态散射光技术不属于高分辨率的技术。当样品的粒度分布排列十分密集，且存在三种以上的粒度分布差异时，DLS 将无法对多重分散样品进行精确表征。在这种情况下，建议最好在测量之前对样品进行分离；而在测量方法上，则需要将DLS与制备技术如凝胶渗透法或尺寸排除色谱法（GPC / SEC）和（或）流场分离技术（FFF）联合使用。

C、多重光散射问题无法绝对避免。多重散射是指从一个颗粒发出的散射光在到达探测器之前又会被其它粒子再次散射，在较致密的样品中，这种现象会使粒径计算的精确度受到影响。

4、纳米激光粒度仪操作使用是否很复杂？

纳米激光粒度仪听起来似乎是神秘的高科技产品，但是其使用操作流程并不复杂。其固有的操作简便性使得操作者无需具备很强的专业知识就能正确使用仪器，一般分析过程，从制备样品到完成测试只需要几分钟的时间。并且样品分散介质的选择自由度大，不管是水性还是非水性的，只要它们呈透明状并且不太粘稠，基本都可以使用。这种测试方法所需的样品量也很小，最少时只需要几微升即可，这一点对于较为贵重的样品来说，是有巨大优势的。

5、如何选择纳米激光粒度仪的分散剂？

虽然大多数分散剂都适用于纳米激光粒度仪，但如果分散剂粘度大于100mPa.s，往往会影响测量的可靠性，另外分散剂对光的吸收也会对检测产生干扰。比如有色样品的散射光强度可能会有所降低。一种可行的解决方案是根据系统的灵敏度，采用不同的激光波长进行分析或对样品进行稀释。样品中的荧光也会对信噪比造成影响，但可以通过使用窄带滤波器来解决，以排除荧光杂散光的影响。

6、纳米激光粒度仪的核心光电探测器是什么类型的？

光电探测器有两种类型：一种是便宜、灵敏度较低的光电倍增管PMT，另一种是较昂贵的、性能更好的雪崩光电二极管检测器（APD）。后者宣称效率高达65%，远远优于替代产品PMT 4-20%的效率，从而使数据收集最大化，测量速度更快、质量更高。

7、环境温度对纳米激光粒度仪的影响。

要获得精确的测量数据，另一项基本要求是必须对温度进行很好的控制。如同分散剂粘度一样，颗粒的布朗运动也直接和温度相关，因此温度控制较差造成的影响非常严重。例如，在环境温度下对水性体系进行测量，1oC的温度误差将导致2.4％的检测结果偏差，超过ISO13321 [1]标准规定的+/-2%或更新的ISO 22412[2]标准规定的范围。对于使用的各类比色皿，纳米激光粒度仪温度控制的合理目标是+/-0.2oC。比起在检测仪外部连接水浴装置，内置温度控制器在使用上更加方便，在测量精度、稳定性和重现性方面也更加可取。此外，具有高性能控制系统的仪器，既能进行快速的系统预热，又能迅速调整温度，从而对温度变化所产生的影响（如蛋白质热不稳定性）进行研究。

8、纳米激光粒度仪除了测试粒度分布，还有其它用途吗？

纳米激光粒度仪除了被广泛应用于粒度测量外，专业化程度较高的DLS系统组件的组合也适合用于进行如下测量：绝对分子量、 Zeta电位、蛋白质电荷、微流变学性能。除了粒径， zeta电位也是表征胶体系统时用最广泛使用的测量参数之一。Zeta电位量化了粒子之间静电排斥作用的程度。这种量化不是针对颗粒表面之间，而是针对颗粒边界层内的某个点之间的排斥力，在这个点之外，颗粒对周围的溶剂分子不再产生影响。Zeta电位测量为分散体固有的静电稳定性提供了有效参考，配方设计师可因此对稳定性进行了解和控制。例如在乳液配方中，zeta电位数据帮助筛选稳定性候选样品，将它们用于水处理絮凝过程控制，有助于减少添加剂的剂量水平。

小结：DLS是一项比较成熟的技术，可为各种类型的样品进行粒径和分子尺寸测量。光散射系统在测量粒径的同时，还可以测量分子量、蛋白质电荷和Zeta电位，甚至还能具有微流变学测量功能。除了仪器本身的性能以外，还有其它因素也会影响仪器全寿命周期成本。仪器是否易于维护保养，测试软件操作是否便利等问题都是值得关注的问题。当前由于能够提供这类仪器的供应商相对较少，纳米激光粒度仪还是一种高大上的贵重仪器。不过随着应用的普及，及相关仪器制造企业推出相应有竞争力的新产品，相信不久的将来，价格更具优势，性能满足常规技术需求的纳米激光粒度仪将会出现在大家眼前。

（粉体圈 作者：沐恩）