粒径及相关知识

1、L/O/G/O 粒径的测量及相关知识粒径的测量及相关知识 生物纳米与分子工程生物纳米与分子工程 湖南省重点实验室湖南省重点实验室 杨雪杨雪 一、仪器型号及结构一、仪器型号及结构 有下标有下标90的仪器，指测量粒径和分子量的的仪器，指测量粒径和分子量的散射角为散射角为90 Zetasizer Nano 粒径分析仪配置粒径分析仪配置633 nm“红色红色”激光器或激光器或 532nm“绿色绿色”激光器的型号。激光器的型号。 633 nm激光器不适合用于蓝色样品测。激光器不适合用于蓝色样品测。 532 nm激光器不适合用于红色样品测量。激光器不适合用于红色样品测量。 1、zetasizer仪器仪器

2、2、计算机、计算机 3、样品池、样品池 4、样品测量区、样品测量区 化学单元化学单元 后面板后面板 状态指示灯状态指示灯 样品池开启按钮样品池开启按钮 样品池区样品池区 样品池架样品池架 样品池样品池 特点特点 测量位置可设置测量位置可设置 重复性精确度很高重复性精确度很高 温度可精确进行控制温度可精确进行控制 测试前自行进行光路校准测试前自行进行光路校准 二、粒度理论二、粒度理论 动态光散射理论动态光散射理论 Zetasizer Nano的操作的操作 粒径测量粒径测量 1、动态光散射理论、动态光散射理论 动态光散射动态光散射（也称为（也称为PCS-光子相关光谱）测量布朗运动，并将此运动与光子

3、相关光谱）测量布朗运动，并将此运动与 粒径相关。这是通过用激光照射粒子，分析散射光的光强波动实现的。粒径相关。这是通过用激光照射粒子，分析散射光的光强波动实现的。 散射光波动散射光波动-如果小粒子被光源如激光照射，粒子将在各个方向散射。如果小粒子被光源如激光照射，粒子将在各个方向散射。 如果将屏幕靠近粒子，屏幕即被散射光照亮。如果将屏幕靠近粒子，屏幕即被散射光照亮。 现在考虑以千万个粒子代现在考虑以千万个粒子代 替单个粒子。替单个粒子。 光的明亮区域是：粒子散射光以同一相位到达屏光的明亮区域是：粒子散射光以同一相位到达屏 幕，相互叠加相干形成亮斑。幕，相互叠加相干形成亮斑。 黑暗区域是：不同黑

4、暗区域是：不同 相位达到屏幕互相消减。相位达到屏幕互相消减。 实际上，悬浮于液体中的粒子从来不是静止的。实际上，悬浮于液体中的粒子从来不是静止的。 由于布朗运动，粒子不停地运动。由于布朗运动，粒子不停地运动。 布朗运动是由于与环绕粒子的分子随机碰撞引起的粒子运动。对布朗运动是由于与环绕粒子的分子随机碰撞引起的粒子运动。对DLS 来说，布朗来说，布朗 运动的一个重要特点是：运动的一个重要特点是：小粒子运动快速，大颗粒运动缓慢小粒子运动快速，大颗粒运动缓慢。 由于粒子在不停地运动，散射光斑由于粒子在不停地运动，散射光斑 也将出现移动。也将出现移动。 由于粒子四处运动，散射光的建设由于粒子四处运动，

5、散射光的建设 性和破坏性相位叠加，将引起光亮区性和破坏性相位叠加，将引起光亮区 域和黑暗区域呈光强方式增加和减域和黑暗区域呈光强方式增加和减 少少 或以另一种方式表达，或以另一种方式表达，光强似光强似 乎是波动的乎是波动的。 Zetasizer Nano测量了光强波动的速度，然后用于计算粒径。测量了光强波动的速度，然后用于计算粒径。 如果测量大颗粒，那么由于它们运动如果测量大颗粒，那么由于它们运动 缓慢，散射光斑的强度也将缓慢波动。缓慢，散射光斑的强度也将缓慢波动。 如果测量小粒子，那么由于它们运动如果测量小粒子，那么由于它们运动 快速，散射光斑的密度也将快速波动。快速，散射光斑的密度也将快速

6、波动。 相关关系函数衰减的速度与粒径相关，相关关系函数衰减的速度与粒径相关， 小粒子的衰减速度大大快于大颗粒的。小粒子的衰减速度大大快于大颗粒的。 Zetasizer软件使用算法，提取针对一软件使用算法，提取针对一 系列粒径类别的衰减速度，以得到粒系列粒径类别的衰减速度，以得到粒 径分布。径分布。 2、Zetasizer Nano的操作的操作-粒径测量粒径测量 典型的典型的DLS DLS 系统由系统由6 6个主要部件个主要部件 组成：组成： 1 1）激光器）激光器 2 2）样品池）样品池 3 3）检测器）检测器 4 4）衰减器）衰减器 5 5）相关器）相关器 6 6）计算机）计算机 对于对于Z

7、etasizer NanoZetasizer Nano系列，依系列，依 赖于仪器的型号，检测器位置赖于仪器的型号，检测器位置 将置于将置于173173或或9090 173检测光学构造检测光学构造-背散射检测背散射检测 Zetasizer NanoZetasizer Nano S S 和和ZSZS可测量接近可测量接近180180的散射信息的散射信息, ,这称这称 为背散射检测。为背散射检测。 背散射检测运用了称为背散射检测运用了称为NIBSNIBS（非侵入背散射）的专利技术。（非侵入背散射）的专利技术。 NIBSNIBS的独特功能的独特功能优点优点 因为测量背侧散身，入射光束没有必要穿过整个样品

8、。因为光只需穿过样因为测量背侧散身，入射光束没有必要穿过整个样品。因为光只需穿过样 品的较短路径长度，因此品的较短路径长度，因此可以测量较高浓度的样品可以测量较高浓度的样品。 这这降低了称为多重散射的效应降低了称为多重散射的效应；在多重散射中，来自一个粒子的散射光本；在多重散射中，来自一个粒子的散射光本 身是其它粒子散射的。身是其它粒子散射的。 与样品粒径比较，分散剂中的灰尘等污染物比较大。大颗粒主要在前进方与样品粒径比较，分散剂中的灰尘等污染物比较大。大颗粒主要在前进方 向散射。向散射。 因此，通过测量背散射，因此，通过测量背散射，可大大降低灰尘效应可大大降低灰尘效应。 小颗粒或稀样品小颗粒

9、或稀样品 在样品池中间测量以得到最大的散射体积，并降低池壁的闪耀在样品池中间测量以得到最大的散射体积，并降低池壁的闪耀 NIBSNIBS的独特功能的独特功能-可变的测量位置可变的测量位置 探测器探测器激光激光 聚焦镜聚焦镜 样品池样品池 浓样品浓样品 测量在靠近池壁的地方以减少光在样品中的造成的多重散射测量在靠近池壁的地方以减少光在样品中的造成的多重散射 NIBSNIBS的独特功能的独特功能-可变的测量位置可变的测量位置 探测器探测器激光激光 聚焦镜聚焦镜 样品池样品池 90检测光学构造检测光学构造-经典装置经典装置 Zetasizer NanoZetasizer Nano仪器范围中已包括仪器

10、范围中已包括9090型号即型号即Zetasizer NanoZetasizer Nano S90 S90 和和ZS90ZS90， 提供与其它有提供与其它有9090检测光学构造的系统的连续性。检测光学构造的系统的连续性。 这些模型不使用可移动测量装置，但使用这些模型不使用可移动测量装置，但使用“经典的经典的”固定为固定为9090的监测设置，的监测设置， 即即检测器和激光以样品池区中心为检测器和激光以样品池区中心为9090排列排列。 这种配置这种配置降低了这些型号的可检测粒径范围降低了这些型号的可检测粒径范围。 三、粒径测量三、粒径测量 样品的制备样品的制备 相关测量结果解释相关测量结果解释 1

11、1、样品制备、样品制备-样品浓度样品浓度 测量可在任何样测量可在任何样 品中测量，只要品中测量，只要 颗粒有布朗运动颗粒有布朗运动 每一类样品材料每一类样品材料 都有最理想的测都有最理想的测 量浓度量浓度 如果浓度太低，如果浓度太低， 就没有足够的散就没有足够的散 射光而不能进行射光而不能进行 测量测量 如果样品太浓，多如果样品太浓，多 重散射可能发生，重散射可能发生， 得到的表观颗粒度得到的表观颗粒度 与信噪比会降低与信噪比会降低 带有背散射探测带有背散射探测 器的仪器可延伸器的仪器可延伸 所测的浓度而不所测的浓度而不 会被多重散射效会被多重散射效 应所影响应所影响 z-z-均直径均直径(n

12、m)(nm) 正确浓度正确浓度 样品浓度样品浓度 低低 高高 多重散射多重散射 普通普通PCSPCS仪器仪器 NANO SNANO S 正确浓度正确浓度 多重散射多重散射 测量浓度的上限是什么测量浓度的上限是什么? ? 浓度的上限也是由颗粒间的相互作用而决定。浓度的上限也是由颗粒间的相互作用而决定。 因为颗粒间的相互作用会影响颗粒的扩散速率从而影响所测到的颗粒度。因为颗粒间的相互作用会影响颗粒的扩散速率从而影响所测到的颗粒度。 在决定样品的浓度测量上限时，一个重要因素是颗粒的大小在决定样品的浓度测量上限时，一个重要因素是颗粒的大小 粒度粒度 建议的最小浓度建议的最小浓度 10nm11 m m0

13、.1g/l0.1g/l 1%1%质量质量( (假定密度为假定密度为 1gcm1gcm-3 -3) ) 最低浓度最低浓度 对小于对小于10nm的颗粒，主的颗粒，主 要决定测量最低浓度的因要决定测量最低浓度的因 素是样品的散射光强。素是样品的散射光强。 样品应当产生至少超过介样品应当产生至少超过介 质散射质散射10kcps的散射光强。的散射光强。 最高浓度最高浓度 最大浓度是由样品自身的最大浓度是由样品自身的 性质所决定的。性质所决定的。 颗粒相互作用颗粒相互作用: 这会影响颗这会影响颗 粒的扩散速率从而导致错误粒的扩散速率从而导致错误 的结果，所以尽管许多时候的结果，所以尽管许多时候 测量可以得

14、到结果，但仅是测量可以得到结果，但仅是 表观结果，不一定是真实的表观结果，不一定是真实的 粒径粒径 小颗粒的最小颗粒的最 高最低浓度高最低浓度 最低浓度最低浓度 最低浓度也与它们的散射最低浓度也与它们的散射 光强有关，当然另一个光强有关，当然另一个“数数 目涨落目涨落”因素也必须考虑进因素也必须考虑进 去。去。 测量体积内的颗粒至少在测量体积内的颗粒至少在 1000个（相对误差个（相对误差3%），）， 如果是如果是10000个，则误差为个，则误差为 1%。 最高浓度最高浓度 由多重散射决定。由多重散射决定。 由于由于NIBS技术，技术，Nano S/Nano ZS对多重散射不是对多重散射不是

15、很敏感很敏感 随着浓度的增加，多重散随着浓度的增加，多重散 射会愈来愈明显，直至结果射会愈来愈明显，直至结果 被扭曲被扭曲 大颗粒的最大颗粒的最 高最低浓度高最低浓度 只要有可能，应该选择这样的样品浓度，即样品出现只要有可能，应该选择这样的样品浓度，即样品出现轻微乳状轻微乳状外观或样品外观或样品 得到得到轻微的浊度轻微的浊度。 如果不易达到这样的浓度，应如果不易达到这样的浓度，应测量不同浓度测量不同浓度的样品，以便避免浓度效应。的样品，以便避免浓度效应。 应在这样的浓度范围内测试，即测试结果不依赖所选择的浓度。应在这样的浓度范围内测试，即测试结果不依赖所选择的浓度。 胶凝作用：凝胶不适合采用粒

16、度仪测量。胶凝作用：凝胶不适合采用粒度仪测量。 样品制备的目的之一是在稀释后仍保存颗粒表面原有的状态。样品制备的目的之一是在稀释后仍保存颗粒表面原有的状态。 最好的方法是用样品原有的分散介质来进行稀释。可将原样品过滤或离心最好的方法是用样品原有的分散介质来进行稀释。可将原样品过滤或离心 以去除颗粒以去除颗粒, ,以得到清液。用这种方法得到的介质来配制稀悬浮液以得到清液。用这种方法得到的介质来配制稀悬浮液, ,可保持可保持 原有的液原有的液- -固界面条件。固界面条件。 假如不能获取上层清液假如不能获取上层清液, ,可让样品自然沉淀可让样品自然沉淀, ,用留在上层的带小颗粒的悬浮用留在上层的带小

17、颗粒的悬浮 液进行测量。液进行测量。 稀释介质稀释介质 超声超声 对矿物样品对矿物样品( (如如TiOTiO2 2) )是很有效的应用技术。是很有效的应用技术。 某些材料某些材料(e.g. (e.g. 炭黑炭黑) )的粒度与超声的功率与时间紧密相关。的粒度与超声的功率与时间紧密相关。 乳液不能用超声。乳液不能用超声。 2 2、相关测量结果解释、相关测量结果解释- -光子数率的重现性光子数率的重现性 光子数率症状光子数率症状可能原因可能原因解决方法解决方法 在连续测量中光子数率在连续测量中光子数率 连续递减连续递减 有颗粒沉降有颗粒沉降去除沉降颗粒或选择更去除沉降颗粒或选择更 合适的测量技术合适

18、的测量技术 颗粒产生乳液分层颗粒产生乳液分层制备更稳定的样品以防制备更稳定的样品以防 止乳液分层止乳液分层 样品不稳定样品不稳定 颗粒溶解或破碎颗粒溶解或破碎 制备更稳定的样品颗粒制备更稳定的样品颗粒 不会溶解不会溶解 在测量过程中形成气泡在测量过程中形成气泡去除气泡，脱气去除气泡，脱气 光子数率症状光子数率症状可能原因可能原因解决方法解决方法 在连续测量中光子数率在连续测量中光子数率 连续递增连续递增 分散不稳定，聚合或絮分散不稳定，聚合或絮 凝凝 制备更稳定的样品制备更稳定的样品 测量开始的太快，仪器测量开始的太快，仪器 尚未稳定尚未稳定 在测量前，允许有在测量前，允许有30分分 钟的仪器

19、稳定期钟的仪器稳定期 在测量过程中形成气泡在测量过程中形成气泡去除气泡，脱气去除气泡，脱气 光子数率症状光子数率症状可能原因可能原因解决方法解决方法 光子数率在连续的测光子数率在连续的测 量中任意变化量中任意变化 分散不稳定，样品随时分散不稳定，样品随时 间而变，聚合或破碎间而变，聚合或破碎 制备更稳定的样品制备更稳定的样品 样品不适合用样品不适合用DLS进进 行测量行测量 样品含大颗粒样品含大颗粒 用过滤与离心去除大用过滤与离心去除大 颗粒，或让大颗粒沉颗粒，或让大颗粒沉 淀后再测淀后再测 在测量过程中形成气泡在测量过程中形成气泡去除气泡，脱气去除气泡，脱气 样品不均匀样品不均匀保证混合均匀

20、保证混合均匀 光子数率症状光子数率症状可能原因可能原因解决方法解决方法 粒度随着时间而变小粒度随着时间而变小 温度不稳定温度不稳定 允许更长的温度平衡允许更长的温度平衡 （每度（每度5 5分钟，加上分钟，加上5 5分分 钟钟) ) 样品不稳定样品不稳定 - - 颗粒溶解或破碎颗粒溶解或破碎 制备更稳定的样品制备更稳定的样品 粒度随着时间而变大粒度随着时间而变大 温度不稳定温度不稳定 允许更长的温度平衡允许更长的温度平衡 （每度（每度5 5分钟，加上分钟，加上5 5分分 钟钟) ) 样品不稳定样品不稳定 - - 颗粒聚合颗粒聚合 制备更稳定的样品制备更稳定的样品 光强随时间的变化光强随时间的变化

21、 正常光强随时间变化正常光强随时间变化 如果存在灰尘，那么将观察到如果存在灰尘，那么将观察到 尖峰在后面的计算中，通过软件尖峰在后面的计算中，通过软件 中的灰尘过滤器将有灰尘影响的中的灰尘过滤器将有灰尘影响的 测量过滤掉。测量过滤掉。 幅度较宽的光强波动，可能表幅度较宽的光强波动，可能表 明样品中存在温度梯度，应该进明样品中存在温度梯度，应该进 一步进行温度平衡一步进行温度平衡 稳定增加的光强，表明样品在聚稳定增加的光强，表明样品在聚 集，而稳定降低的光强表明样品在集，而稳定降低的光强表明样品在 沉积沉积 1、菜单条 2、工具条 3、测量文件窗口 4、标题条 5、测量显示窗口 n光强光强200200 n分散系数分散系数 n（0-10-1） n衰光系数衰光系数 （0-110-11） 相关函数能告诉我们什么信息相关函数能告诉我们什么信息 这一相关函数开始衰变的转折点指示平均直径这一相关函数开始衰变的转折点指示平均直径 曲线衰曲线衰 变的角变的角 度指示度指示 样品的样品的