納米激光粒度儀（動態散射光DLS）基礎知識問答

隨著納米技術的繁榮發展，基于DLS技術的納米激光粒度儀也日益普及，掌握其基本特性及基礎知識，相信會對關注納米粉體材料的粉體圈內人士有所幫助。

本文將以問答的形式，向讀者介紹一些納米激光粒度儀的基本常識。

1、納米激光粒度儀的測量原理是什么？

由于分子熱運動，懸浮介質（多數情況下是水或者有機溶劑）的分子不斷運動，和懸浮的顆粒物產生碰撞，使得分散體或溶液中的小顆粒做無規則的布朗運動。可以通過觀測散射光隨時間的波動性得到顆粒布朗運動的速度，這種技術被稱為光子相關光譜法（PCS）或準彈性光散射法（QELS），但現在通常稱作動態光散射法（DLS）。斯托克斯-愛因斯坦方程定義了顆粒布朗運動速度與顆粒大小之間的關系：

其中，D=擴散速度，k=波爾茲曼常數，T=絕對溫度，h=粘度，DH=流體力學直徑

上述關系式清楚地表示了在樣品溫度和連續相粘度已知的情況下，如何根據擴散速度測定粒徑。盡管必須是控制檢測溫度，但很多商用儀器還是會對溫度進行測量；而對于許多分散劑，尤其是水而言，粘度是已知的。在很多情況下，DLS實驗所需的補充信息也僅僅是粘度測量。

2、納米激光粒度儀有何性能優勢？

納米激光粒度儀法在測量0.1nm~10μm范圍的粒徑時十分出色。它在測量小顆粒方面的能力尤為突出，對于絕大多數待測體系提供2nm及以上的準確、可重復的數據。從理論上講，檢測低密度分子的粒徑僅僅受到儀器靈敏度的限制。無論是稀釋樣品還是混濁樣品都可以用DLS法來進行測量，可分析的濃度范圍最低可至0.1ppm，最高可達40％w/v。不過，由于樣品濃度會大大影響其外觀尺寸，因此當粒子含量較高時對樣品的制備需要加倍小心。

3、納米激光粒度儀有何局限性？

A、對密度較大顆粒而言，沉降是可能導致分析不準確的一個潛在問題。例如，對于密度為10g/ml的顆粒，最大檢測粒徑通常會限制在大約100nm以內。應對的辦法有提高分散介質的密度。例如使用蔗糖溶液作分散介質。存在較大的超出儀器量程的顆粒時，這類顆粒應該事先被過濾掉。或者，如果大顆粒的存在量極少也可以通過軟件進行處理。

B、納米激光粒度儀分辨率較低。動態散射光技術不屬于高分辨率的技術。當樣品的粒度分布排列十分密集，且存在三種以上的粒度分布差異時，DLS 將無法對多重分散樣品進行精確表征。在這種情況下，建議最好在測量之前對樣品進行分離；而在測量方法上，則需要將DLS與制備技術如凝膠滲透法或尺寸排除色譜法（GPC / SEC）和（或）流場分離技術（FFF）聯合使用。

C、多重光散射問題無法絕對避免。多重散射是指從一個顆粒發出的散射光在到達探測器之前又會被其它粒子再次散射，在較致密的樣品中，這種現象會使粒徑計算的精確度受到影響。

4、納米激光粒度儀操作使用是否很復雜？

納米激光粒度儀聽起來似乎是神秘的高科技產品，但是其使用操作流程并不復雜。其固有的操作簡便性使得操作者無需具備很強的專業知識就能正確使用儀器，一般分析過程，從制備樣品到完成測試只需要幾分鐘的時間。并且樣品分散介質的選擇自由度大，不管是水性還是非水性的，只要它們呈透明狀并且不太粘稠，基本都可以使用。這種測試方法所需的樣品量也很小，最少時只需要幾微升即可，這一點對于較為貴重的樣品來說，是有巨大優勢的。

5、如何選擇納米激光粒度儀的分散劑？

雖然大多數分散劑都適用于納米激光粒度儀，但如果分散劑粘度大于100mPa.s，往往會影響測量的可靠性，另外分散劑對光的吸收也會對檢測產生干擾。比如有色樣品的散射光強度可能會有所降低。一種可行的解決方案是根據系統的靈敏度，采用不同的激光波長進行分析或對樣品進行稀釋。樣品中的熒光也會對信噪比造成影響，但可以通過使用窄帶濾波器來解決，以排除熒光雜散光的影響。

6、納米激光粒度儀的核心光電探測器是什么類型的？

光電探測器有兩種類型：一種是便宜、靈敏度較低的光電倍增管PMT，另一種是較昂貴的、性能更好的雪崩光電二極管檢測器（APD）。后者宣稱效率高達65%，遠遠優于替代產品PMT 4-20%的效率，從而使數據收集最大化，測量速度更快、質量更高。

7、環境溫度對納米激光粒度儀的影響。

要獲得精確的測量數據，另一項基本要求是必須對溫度進行很好的控制。如同分散劑粘度一樣，顆粒的布朗運動也直接和溫度相關，因此溫度控制較差造成的影響非常嚴重。例如，在環境溫度下對水性體系進行測量，1oC的溫度誤差將導致2.4％的檢測結果偏差，超過ISO13321 [1]標準規定的+/-2%或更新的ISO 22412[2]標準規定的范圍。對于使用的各類比色皿，納米激光粒度儀溫度控制的合理目標是+/-0.2oC。比起在檢測儀外部連接水浴裝置，內置溫度控制器在使用上更加方便，在測量精度、穩定性和重現性方面也更加可取。此外，具有高性能控制系統的儀器，既能進行快速的系統預熱，又能迅速調整溫度，從而對溫度變化所產生的影響（如蛋白質熱不穩定性）進行研究。

8、納米激光粒度儀除了測試粒度分布，還有其它用途嗎？

納米激光粒度儀除了被廣泛應用于粒度測量外，專業化程度較高的DLS系統組件的組合也適合用于進行如下測量：絕對分子量、 Zeta電位、蛋白質電荷、微流變學性能。除了粒徑， zeta電位也是表征膠體系統時用最廣泛使用的測量參數之一。Zeta電位量化了粒子之間靜電排斥作用的程度。這種量化不是針對顆粒表面之間，而是針對顆粒邊界層內的某個點之間的排斥力，在這個點之外，顆粒對周圍的溶劑分子不再產生影響。Zeta電位測量為分散體固有的靜電穩定性提供了有效參考，配方設計師可因此對穩定性進行了解和控制。例如在乳液配方中，zeta電位數據幫助篩選穩定性候選樣品，將它們用于水處理絮凝過程控制，有助于減少添加劑的劑量水平。

小結：DLS是一項比較成熟的技術，可為各種類型的樣品進行粒徑和分子尺寸測量。光散射系統在測量粒徑的同時，還可以測量分子量、蛋白質電荷和Zeta電位，甚至還能具有微流變學測量功能。除了儀器本身的性能以外，還有其它因素也會影響儀器全壽命周期成本。儀器是否易于維護保養，測試軟件操作是否便利等問題都是值得關注的問題。當前由于能夠提供這類儀器的供應商相對較少，納米激光粒度儀還是一種高大上的貴重儀器。不過隨著應用的普及，及相關儀器制造企業推出相應有競爭力的新產品，相信不久的將來，價格更具優勢，性能滿足常規技術需求的納米激光粒度儀將會出現在大家眼前。

（粉體圈 作者：沐恩）