DLS检测纳米粒径分布的三个关键!
纳米人 纳米人 2016-12-12

动态光散射(Dynamic Light Scattering),简称DLS,是一种检测胶体纳米材料整体粒径分布的有效手段。本期,我们将主要讨论DLS检测的基本原理和三个关键问题!

 

当激光照射到纳米粒子时会发生散射,由于溶液体系中的纳米粒子会进行布朗运动,小粒子运动快速,大颗粒运动缓慢,散射光的相位叠加,将引起光亮区域和黑暗区域的光强增加和减少,所以,得到的光散射强度是波动的。DLS技术就是通过激光照射粒子,分析散射光的光强波动,然后计算得到纳米粒子的粒径。

 

 

图1. DLS检测散射光的示意图

 

 

 

图2. 纳米颗粒运动速度和尺寸分布对应示意图

 

Stokes-Einstein公式

 

dh = 水力学直径

kB= 波尔兹曼常数

(1.38x10-23 m2kg/s2K=1.38x10-23

J/K=1.38x10-16 erg/K)

ηo = 介质粘度(Poise, 水=0.01 P=1.00 cP at 20oC)

D = 扩散系数(m2/s)

T = 绝对温度(K)

 

在DLS检测过程中,有三个问题需要特别注意,分别为:数据是真实尺寸吗?不是球形能不能检测?哪个数据是有用的数据?

 

1. DLS所测到的不是纳米粒子的真实尺寸,而是纳米粒子在溶液中的水力直径,相比电镜测得的数据会偏大一些。


影响水力直径的主要因素有3个:温度、介质粘度、扩散系数。而直接与水力直径相关的两个参数是:离子强度和表面物种。


1)离子强度:在低离子强度介质内(如去离子水)双电层是扩展的,在高离子强度介质内双电层是压缩的。因此,同一中尺寸的纳米颗粒在不同离子强度下得到的粒径是不一样的。

2)表面物种:颗粒表面的分子会减慢扩散速度,从而影响水力半径。

 

 

 

图3. 水力直径与双电层厚度和表面分子的关系

(PS:1/k,Debye长度,是双电层的厚度)

 

2. DLS检测得到的是:与在同样条件下具有相同平动扩散系数的标准球形相等价的直径。

 

DLS计算公式是以标准球形为模型,对于球形纳米颗粒的检测最适合。对于其他形状的检测结果都是经过公式换算得到的等扩散系数的球形等价直径。因此,DLS检测得到的非球形纳米材料的直径,尤其是各种片层材料、棒状材料的直径并不十分准确,仅仅能通过对比同类材料来给出一个范围和趋势。

譬如一个直径D1=10 nm,长度为225 nm的纳米棒,其等效标准球形的直径为(0.75r2h)1/3=75 nm。当然,这是一个比较极端的例子,没有人会拿DLS数据来直接作为纳米棒的精确尺寸,这种时候,我们一般会选择使用SEM或者TEM来检测实际尺寸,然后通过DLS来看样品的整体分布情况。

 

 

图4. 棒与球的等价换算

 

3. 哪个数据是最真实的?


DLS测试得到的原始结果都是通过光强度计算得到,因此,强度分布曲线读取的数据是最原始的,也是最常用的。考虑到不同体系的实际情况和特定需要,可以通过公式将强度分布转换为体积分布和数量分布。对于各种分布数据相差太大的情况,必须结合电镜来确定。

对于一个含相同数量的5 nm与50 nm纳米球的混合物,其三种分布如下:

 

 

图5. 三种尺寸分布的换算

 

总之,三种粒径分布数据一般遵循以下规则:

1)如果强度分布是很光滑的单峰,用米氏理论将其转化为体积分布不会产生很大的变化;

2)如果强度分布有拖尾,或者是多峰,体积分布会对拖尾或多峰的重要性给出更现实的结果;

3)数量分布较少用到,这是因为在数据采集中任何微小的误差都会给数量分布造成很大的偏差;但是,在需要考察多分散体系中不同尺寸纳米颗粒的数量比例等特定情况中,数量分布不失为一种更好的选择。

 

 

图6. 单峰纳米颗粒的强度分布和体积分布,相差不大

 

 

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