摘要：該文獻(xiàn)規(guī)定了動(dòng)態(tài)光散射(DLS)在流體動(dòng)力學(xué)平均粒徑測(cè)量和主要亞微米粒徑顆粒、乳劑或分散在液體中的細(xì)氣泡的粒徑分布測(cè)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(cè)定粒度是基于第 一性原理的絕 對(duì)方法。適用于廣泛的稀釋和濃縮懸浮液的測(cè)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(dòng)態(tài)光散射法（DLS）的儀器，測(cè)量范圍廣泛，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，完全滿足客戶對(duì)于納米以及亞微米級(jí)別粒徑的測(cè)量需求。

關(guān)鍵詞：動(dòng)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(yùn)動(dòng)中。在布朗運(yùn)動(dòng)的斯托克斯-愛因斯坦理論中，微粒在很低濃度下的運(yùn)動(dòng)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(cè)量已知溫度和黏度的流體中粒子的運(yùn)動(dòng)，就可以確定粒子的大小。DLS技術(shù)通過光學(xué)探測(cè)粒子運(yùn)動(dòng)。不同的擴(kuò)散模式、粒子-粒子相互作用、多次散射和熒光對(duì)DLS實(shí)驗(yàn)計(jì)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(chǎng)分量偏振光垂直于入射和被探測(cè)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(cè)散射光的光學(xué)、透鏡和設(shè)備。光纖經(jīng)常被用作探測(cè)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(cè)量散射光的頻率偏移。

3）試樣架：將試樣溫度波動(dòng)控制在±0.3℃。雖然評(píng)估時(shí)需要對(duì)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(cè)器：輸出與所收集的散射光強(qiáng)度成正比。通常使用光電倍增管或(雪崩)光電二極管。探測(cè)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(jìn)行。

5）信號(hào)處理單元：隨時(shí)間變化的散射光強(qiáng)信號(hào)，輸出輸入信號(hào)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(duì)數(shù)或混合模式。

6）計(jì)算單元：夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理，得到粒徑和/或粒徑分布。一些計(jì)算單元也作為信號(hào)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(jī)械振動(dòng)，避免陽光直射。如果使用有機(jī)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(tái)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(cè)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(huì)影響結(jié)果，因此必須報(bào)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(cè)器靈敏度等其他因素。在不影響報(bào)告粒徑的情況下，可以測(cè)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(yàn)確定。

測(cè)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(qiáng)度，并使樣品保持器在所需的溫度下達(dá)到平衡。注1:對(duì)許多應(yīng)用來說，監(jiān)測(cè)溫度而不是控制溫度就足夠了，只要報(bào)告的監(jiān)測(cè)溫度有一個(gè)已知的黏度值。

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

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(cè)量單元。測(cè)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(diǎn)是當(dāng)光線通過電池散射時(shí)折射較小，因此實(shí)際觀測(cè)角度與探測(cè)器與入射光束的幾何角度相同。測(cè)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(píng)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(yuǎn)離質(zhì)量中值直徑D50的值將有越來越大的不確定性。對(duì)DLS得到的原始信號(hào)進(jìn)行散射強(qiáng)度加權(quán)。許多儀器允許從散射強(qiáng)度加權(quán)信號(hào)計(jì)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(jìn)行彌補(bǔ)，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(gè)指數(shù)衰減分布?jí)嚎s成指數(shù)，然后將指數(shù)展開成多項(xiàng)式表達(dá)式。

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

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

體系認(rèn)證和質(zhì)量控制

一般測(cè)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(huì)影響結(jié)果，因此必須報(bào)告。

系統(tǒng)的驗(yàn)證：

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

如果驗(yàn)證失敗表明這種顆粒懸浮液、測(cè)試樣品的制備或儀器存在問題。應(yīng)使用使用相同評(píng)估算法為DLS分配值的認(rèn)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(cè)試樣品盡可能接近。或者，可以使用經(jīng)認(rèn)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(cè)量。

為了評(píng)估潛在偏差，CRM平均值的不確定度應(yīng)與測(cè)量不確定度的公差相結(jié)合，并將不確定度擴(kuò)大到2倍，以獲得擴(kuò)展不確定度。驗(yàn)證值與5個(gè)結(jié)果平均值之間的絕 對(duì)差值應(yīng)小于該綜合不確定度。

測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量控制

有效的測(cè)量結(jié)果應(yīng)滿足以下條件:

A)粒徑分布與延遲時(shí)間范圍無關(guān)，只要Z 小范圍涵蓋了衰減時(shí)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(jí)技術(shù)相比是合理的。

方法精度和測(cè)量不確定度

可達(dá)到的精度取決于樣本的性質(zhì)和評(píng)價(jià)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(duì)于直徑在50 nm ~ 200 nm的單分散材料，相對(duì)重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)低于2%。

注:即使在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，在運(yùn)行之間、操作人員之間、儀器之間、地點(diǎn)之間等也可能有額外的變化。

重復(fù)性:對(duì)于直徑在50 nm和200 nm之間的單分散材料，實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)偏差可達(dá)5%。

真實(shí)度:DLS得到的結(jié)果取決于很多因素，包括散射角和評(píng)估算法，所以多分散材料的結(jié)果是針對(duì)所使用的儀器和評(píng)估機(jī)構(gòu)的。對(duì)于球形顆粒的單分散樣品，可以估計(jì)出真實(shí)度對(duì)測(cè)量不確定度的貢獻(xiàn)下限。每個(gè)結(jié)果的測(cè)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(dú)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(xiàn)：

BS ISO22412:2017