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DLS檢測納米粒徑分布的三個關鍵！

來源：納米人時間：2022-10-26 13:44:07 瀏覽：27932次

動態光散射（Dynamic Light Scattering），簡稱DLS，是一種檢測膠體納米材料整體粒徑分布的有效手段。本期，我們將主要討論DLS檢測的基本原理和三個關鍵問題！

當激光照射到納米粒子時會發生散射，由于溶液體系中的納米粒子會進行布朗運動，小粒子運動快速，大顆粒運動緩慢，散射光的相位疊加，將引起光亮區域和黑暗區域的光強增加和減少，所以，得到的光散射強度是波動的。DLS技術就是通過激光照射粒子，分析散射光的光強波動，然后計算得到納米粒子的粒徑。

圖1. DLS檢測散射光的示意圖

圖2. 納米顆粒運動速度和尺寸分布對應示意圖

Stokes-Einstein公式

d_h = 水力學直徑

k_B= 波爾茲曼常數

(1.38x10^-23m²kg/s²K=1.38x10^-23J/K=1.38x10^-16erg/K)

η_o = 介質粘度(Poise, 水=0.01 P=1.00 cP at 20^oC)

D = 擴散系數(m²/s)

T = 絕對溫度(K)

在DLS檢測過程中，有三個問題需要特別注意，分別為：數據是真實尺寸嗎?不是球形能不能檢測？哪個數據是有用的數據？

1. DLS所測到的不是納米粒子的真實尺寸，而是納米粒子在溶液中的水力直徑，相比電鏡測得的數據會偏大一些。

影響水力直徑的主要因素有3個：溫度、介質粘度、擴散系數。而直接與水力直徑相關的兩個參數是：離子強度和表面物種。

1）離子強度：在低離子強度介質內（如去離子水)雙電層是擴展的，在高離子強度介質內雙電層是壓縮的。因此，同一中尺寸的納米顆粒在不同離子強度下得到的粒徑是不一樣的。

2）表面物種：顆粒表面的分子會減慢擴散速度，從而影響水力半徑。

圖3. 水力直徑與雙電層厚度和表面分子的關系

（PS：1/k，Debye長度，是雙電層的厚度）

2. DLS檢測得到的是：與在同樣條件下具有相同平動擴散系數的標準球形相等價的直徑。

DLS計算公式是以標準球形為模型，對于球形納米顆粒的檢測最適合。對于其他形狀的檢測結果都是經過公式換算得到的等擴散系數的球形等價直徑。因此，DLS檢測得到的非球形納米材料的直徑，尤其是各種片層材料、棒狀材料的直徑并不十分準確，僅僅能通過對比同類材料來給出一個范圍和趨勢。

譬如一個直徑D1=10 nm，長度為225 nm的納米棒，其等效標準球形的直徑為(0.75r²h)^1/3=75 nm。當然，這是一個比較極端的例子，沒有人會拿DLS數據來直接作為納米棒的精確尺寸，這種時候，我們一般會選擇使用SEM或者TEM來檢測實際尺寸，然后通過DLS來看樣品的整體分布情況。

圖4. 棒與球的等價換算

3. 哪個數據是最真實的？

DLS測試得到的原始結果都是通過光強度計算得到，因此，強度分布曲線讀取的數據是最原始的，也是最常用的?？紤]到不同體系的實際情況和特定需要，可以通過公式將強度分布轉換為體積分布和數量分布。對于各種分布數據相差太大的情況，必須結合電鏡來確定。

對于一個含相同數量的5 nm與50 nm納米球的混合物，其三種分布如下：

圖5. 三種尺寸分布的換算

總之，三種粒徑分布數據一般遵循以下規則：

1）如果強度分布是很光滑的單峰，用米氏理論將其轉化為體積分布不會產生很大的變化；

2）如果強度分布有拖尾，或者是多峰，體積分布會對拖尾或多峰的重要性給出更現實的結果；

3）數量分布較少用到，這是因為在數據采集中任何微小的誤差都會給數量分布造成很大的偏差；但是，在需要考察多分散體系中不同尺寸納米顆粒的數量比例等特定情況中，數量分布不失為一種更好的選擇。

圖6. 單峰納米顆粒的強度分布和體積分布，相差不大

來源：納米人

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