GB∕T 29022-2021 粒度分析 动态光散射法(DLS)

ICS19.120CCSA28

中华人民共和国国家标准

GB/T29022—2021/ISO22412:2017

代替GB/T29022—2012

粒度分析动态光散射法(DLS)

Particlesizeanalysis—Dynamiclightscattering(DLS)

(ISO22412:2017,IDT)

2021-12-31发布

2022-07-01实施

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GB/T29022—2021/ISO22412=2017

目次

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2规范性引用文件 1

3术语和定义 1

43

5關 3

6测量装置 4

6.1激光器 4

6.2光学系统 4

6.3样品池 5

6.4光电检测器 5

6.5信号处理单元 5

6.6计算单元 5

6.7仪器安置 5

7样品的制备 6

7.1il则 6

7.2浓度极限 6

7.3浓度适宜性检查 6

8测量步骤 7

9结果计算 8

9.1il则 8

9.2相关分析 8

9.3频率分析 10

10系统确认和质量控制 10

10.1系统确认 10

10.2测量结果的质量控制 11

10.3方法精密度和测量不确定度 11

11测试报告 11

附录A（资料性）理论背景 13

附录B（资料性）测量过程的潜在影响因素及减小影响的指南 19

附录C（资料性）在线测量 22

附录D（资料性）样品制备的推荐程序 23

26

GB/T29022—2021/ISO22412=2017

本文件按照GB/T1.1—2020（（标准化工作导则第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

本文件代替GB/T29022—2012（（粒度分析动态光散射法（DLS）》，与GB/T29022—2012相比，除结构调整和编辑性改动外，主要技术变化如下：

一更改了规范性引用性文件中的文件（见第2章.2012年版的第2章）；

一增加了颗粒、平均流体动力学粒径、标准物质、有证标准物质的术语和定义（见第3章）；增加了对/。、M\rmax、rmin的名称及单位的说明（见表1）；

一在“原理”一章中增加了对粒径测量上限和对流动样品测量的描述（见第5章）；一增加了对“互相关检测方法”的说明，并给出了光路图（见6.2）；

一增加了自相关函数、信号功率谱和互相关方法的计算方法（见6.6）；

一更改了对分散介质的要求，并增加了压缩或减少双电层的方法（见7.1,2012年版的8.2）；一增加了对样品浓度上下限的通用要求（见7.2）；

一增加了对样品浓度适宜性的常规检查方法，对样品浓度的选择提供指导（见7.3）；

一对测量步骤进行了细化并增加了如下内容:样品测量池选择方法、样品腔无温度传感器仪器的样品温度控制及测量方法、需要记录的信息、样品平均散射强度检查方法（见第8章）；

一删除了平均粒径及多分散指数的计算（见2012年版的第6章），对现有的几种标准化算法进行了归纳总结（见第9章）；

一更改了系统确认方法，并增加了系统确认的方法实例（见10.1.2012年版的第10章）；一增加了“测量结果的质量控制”条目，并给出了相应的技术方法（见10.2）；

一增加了“方法精密度和测量重复性”条目，并分别给出了重复性和重现性的要求（见10.3）。本文件等同采用ISO22412：2017«粒度分析动态光散射法（DLS）》。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国颗粒表征与分检及筛网标准化技术委员会（SAC/TC168）提出并归口。

本文件起草单位：中国计量科学研究院、珠海欧美克仪器有限公司、太原理工大学、丹东百特仪器有限公司、上海思百吉仪器系统有限公司（马尔文帕纳科（中国））、深圳国技仪器有限公司、国家纳米科学中心、中机生产力促进中心、山东理工大学、珠海真理光学仪器有限公司、华南师范大学、北京市理化分析测试中心、上海市计量测试技术研究院、河南省计量科学研究院、北京粉体技术协会。

本文件主要起草人：刘俊杰、傅晓伟、韩晓霞、董青云、杨凯、朱平、朱晓阳、侯长革、刘伟、张福根、韩鹏、高原、吴立敏、肖骥、张文阁、路兴杰、周素红。

本文件及其所替代文件的历次版本发布情况为：

——2012年首次发布为GB/T29022—2012；

——本次为第一次修订。

I

GB/T29022—2021/ISO22412=2017

动态光散射法（DLS）已成为亚微米级范围内测量颗粒流体动力学直径的一种常规方法。此项技术的成功应用主要在于：已推出使用便捷的商品化仪器，可以在几分钟内得出平均粒径及其分布。尽管如此，仍需采取相关措施保证仪器的正确使用和对测量结果的合理解释。

针对动态光散射原理现已开发了多种测量方法，这些方法可分为如下几类：

0.1不同的原始数据获取方法（自相关法、互相关法、频谱分析法）

0.2不同的光路设计（零差式和外差式）

0.3不同的探测角度

此外，由于激光光源种类和运算处理方法［累积量法、非负最小二乘法（NNLS）、归一化法（CONTIN）等］的不同，不同类型仪器之间也表现出一定的差异。

GB/T29022—2021/ISO22412=2017

粒度分析动态光散射法(DLS)

1范围

本文件规定了利用动态光散射法(DLS)测量分散于液体中主体为亚微米级颗粒、乳剂或微细气泡的平均流体动力学粒径和粒度分布的方法。DLS也称为“准弹性光散射法(QELS)”和“光子相关光谱法(PCS)”，尽管光子相关光谱法实际上是测量技术之一。

本文件适用于对宽浓度范围内稀释及浓悬浮液的测量。在测量高、低浓度样品时，DLS使用相同的测量原理，但高浓度样品对仪器构造、样品制备等方面有特殊要求。在高浓度状态下，颗粒间相互作用、多重散射的主导效应显现，会导致高、低浓度样品粒径测量结果的显著差异。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

ISO9276-1粒度分析结果的表述第1部分：图形表征(Representationofresultsofparticlesizeanalysis—Part1:Graphicalrepresentation)

注：GB/T15445.1—2008粒度分析结果的表述第1部分：图形表征(ISO9276-1：1998,IDT)

ISO9276-2粒度分析结果的表述第2部分：由粒度分布计算平均粒径/直径和各次矩(Representationofresultsofparticlesizeanalysis—Part2:Calculationofaverageparticlesizes/diametersandmomentsfromparticlesizedistributions)

注：GB/T15445.2—2006粒度分析结果的表述第2部分：由粒度分布计算平均粒径/直径和各次矩(ISO9276-2：2001,IDT)

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

颗粒particle

有明确物理边界的微小物质。

注1：物理边界也可以描述为界面。

注2:颗粒能够作为一个整体移动。

注3:又称粒子。

［来源：ISO26824:2013,1.1,有修改］

3.2

平均流体动力学粒径averagehydrodynamicdiameter

尤DLS

反映粒度分布中值的流体动力学直径。

注1:平均粒径直接测定，既可以不计算粒径分布，也可以从光强加权分布、体积加权分布或数量加权分布，以及拟合(转换)的密度函数中计算得到。颗粒平均粒径的确切意义与计算方法相关。

注2:累积量法给出散射光强加权的谐平均粒径，有时也称为Z均粒径。

注3:根据ISO9276-2.算术、几何、谐平均值也可以从粒度分布计算得到。

注4:由密度函数（线性坐标）和变换的密度函数（对数坐标）计算得到的平均值可能会有显著差异（见ISO9276-1）o注5: 与颗粒形状与散射矢量（进而与探测角度、激光波长和悬浮液介质的折射率）相关。

注6:又称平均粒径。

3.3

多分散指数polydispersityindex

PI

用于描述粒度分布宽度的无量纲量。

注：对于单分散球形颗粒样品，PI通常小于0.07。

3.4

散射体积scatteringvolume

人射光束与检测器接收到的散射光的交叉部分。

3.5

散射强度scatteredintensity

散射体积内的颗粒散射光的强度。

3.6

光子计数率photoncountrate

光电流photocurrent

L

单位时间内的光子脉冲数。

注：也称为光电检测器电流，与检测器测得的散射光强成正比。

3.7

验证validation

利用标准物质证明某一测量程序的所有要素均可接受。

注：准确性评价需使用有证标准物质。

3.8

标准物质referencematerial；RM

具有一种或多种规定特性足够均匀且稳定的材料，已被确定其符合测量过程的预期用途。［来源：ISOGUIDE30:2015,2.1.1,有修改］

3.9

有证标准物质certifiedreferencematerial；CRM

采用计量学上有效程序测定的一种或多种规定特性的标准物质，并附有证书提供规定特性值及其不确定度和计量溯源性的陈述。

附有证书的标准物质，其一种或多种特性值用建立了溯源性的程序确定，使之可溯源到准确复现的用于表示该特性值的计量单位，且每个标准值都附有给定置信水平的不确定度。

［来源：ISOGUIDE30:2015,2.1.2,有修改］

3.10

确认qualification

用标准物质证明所使用仪器的性能与其指标一致。

29

4符号

下列符号适用于本文件。

c(r)

fg(1)(r)

G(2)(r)

G(rp

/s

Io

MnPk)

PI

△Qint，；

衰减率或特征频率的归一化分布函数平动扩散系数

整体扩散系数

自扩散系数

频率，/=co/(2^

归一化的电场相关函数

散射光强相关函数

衰减率r,的归一化分布函数

散射光强度，计数率，光电流

人射光强度

在直方图中的分档数

分散介质的折射率

功率谱

多分散指数

在第I个粒径分档中(即Xt-i<Zx)

的颗粒数

在本文件中表示颗粒的流体动力学直径

平均流体动力学粒径

衰减率或者特征频率分布函数的散射光强加权平均值

X

XDLS

r

最大衰减率(直方图法)

最小衰减率(直方图法)

7

e

Ao

q

(P

a>

分散介质的黏度

散射角

激光在真空中的波长

衰减率或者特征频率分布函数的二阶累积量颗粒密度

相关时间

散射向量模量

颗粒体积分数

角频率

无量纲数值

平方米每秒(m2/s)

平方米每秒(m2/s)

平方米每秒(m2/s)

赫兹(Hz)

无量纲数值

任意单位

任意单位

任意单位

任意单位

无量纲数值

无量纲数值

任意单位

无量纲数值

，散射光强加权任意单位

纳米(nm)

纳米(nm)

每秒(s-1)

每秒(s^1)

每秒(s-1)

厘泊(mPa•s)

度O

纳米(nm)

秒平方的倒数(s^2)

克每立方厘米(g/cm3)秒(s)

每纳米(nm-1)

无量纲数值

弧度每秒(rad/s)

5原理

悬浮于液体中的颗粒由于与悬浮介质分子的相互作用而持续做不规则的布朗运动。在布朗运动的斯托克斯-爱因斯坦(Stokes-Einstein)理论中，极低浓度下光滑球形颗粒的运动是由悬浮液的黏度、温度以及颗粒大小决定的。因此，若悬浮液温度和黏度已知，通过测量液体中的颗粒运动，可确定颗粒粒径。

DLS技术采用光学的方法探测颗粒运动。悬浮颗粒被相干单色光源照射时，由于悬浮颗粒运

动而造成散射位置随时间变化，使得散射光相位也随时间而变化。散射光相位随时间的变化既可以被视为相位移动，也可被视为相对于光源频率的频移。在测量时间内，颗粒随机运动形成了散射光相移分布或光谱频移分布。可通过比较所有的散射光（零差或自拍模式）或比较散射光与部分人射光（外差模式）来确定这些偏移。若不考虑光学装置的差异，从颗粒收集到的光信号与颗粒的散射效率及散射光强权重相关。

颗粒的沉降（取决于颗粒密度）使得该技术有一定的粒径测量上限，通常该上限远低于10Mm。

DLS—般适用于静态悬浮液的测量。当流动方向与测量轴相互垂直时，若对测量程序进行适当的确认（见附录C），在特定情况下可实现对流动样品的测量。

不同的扩散模型、颗粒间的相互作用、多重散射、荧光效应等均显著影响DLS测得的颗粒粒径。具体见附录B。

6测量装置

典型的测量装置包含如下部件。

6.1激光器

发射相干单色光，其电场分量极化方向垂直于人射光束与探测光线构成的平面（垂直偏振）。可选用多种激光器，例如：气体激光器（氦氖激光、氩离子激光）、固体激光器、高能二极管泵浦固体激光器和激光二极管。

6.2光学系统

透镜组及相关光学设备用于将人射激光聚焦于散射体积并探测散射光。光纤经常作为检测系统的一部分并用作导光部件。

通过使用相干参考光束，利用散射光和参考光的干涉可实现对散射光频移的测量，图la）和图lb）为两种常见的参考光检测方法。

a）零差式 b）外差式 c）互相关式（等于2个同步零差实验装置）

标引序号说明：

1——激光；

2——样品；

3——检测器；

4——自相关器或频谱分析器；

5 分光片；

6 透镜组。

图1DLS的典型光路

一在零差式检测（也称自拍式检测）中［见图la）］，被检测到的全部散射光在检测器表面混合，并

作为频率差或相位差测量的参考。

一在外差式检测中［见图lb）］，散射光与部分人射光混合。频率没有改变的人射光作为频率差或相位差测量的参考。

注：在DLS中，“外差式”可理解为散射光与來自同一光源的非散射光的混合。这一说法与光学干涉仪中的说法不同。

一在互相关式检测中［见图lc）］，同时进行两个零差检测，在这种模式下，尽管两个散射矢量和两个散射体积都相同，但对应的波矢量却不一致。两个光束会产生相关的波动信号。这种相关性并不完美，一方面因为两个探测器均会接收到来自另一光路的散射光，另一方面因为对人射激光束的多重散射完全不相关。多重散射对检测信号的双重贡献对时间相关信号没有影响，但是会增强背景信号。

6.3样品池

样品温度波动控制在±0.3°C。尽管在计算吋需要准确获取样品的温度，但无需将温度调节至任一特定值。

6.4光电检测器

输出响应值与收集到的散射光强度成比例。通常选用光电倍增管或（雪崩式）光电二极管。检测器可以安装在任意角度，可用线性方式或对数方式采集数据。

6.5信号处理单元

可处理与时间相关的散射光强度信号，并同时输出信号的自相关函数、互相关函数或功率谱。这种相关处理可以在线性、对数或混合模式下通过使用硬件和/或软件相关器而实现。

上述任一模式所得到的结果中包含代表悬浮颗粒粒径的特征频率或时间相关相位的分布。在光子检测中光子到达时间具有概率分布，意味着即使人射光恒定，所获取的信号仍具有波动性。在不同时段到达的光子强度叠加在这一波动信号上。在相关分析中，非相关信号是恒定的，而进行扩散运动颗粒的信号则呈指数衰减。在频谱分析中，非相关信号是类似于一个直流或零频率项而不被记录，而与时间相关的信号则被分析并依据DLS理论测量颗粒粒度分布。

6.6计算单元

可进行信号处理并得到粒径和/或粒度分布，一些计算单元也兼具信号处理单元功能。一通过自相关函数计算，可在不计算粒度分布的情况下确定平均粒径，但也可计算粒度分布。一在使用信号功率谱模式下，通过频率分布计算得到粒度分布。

一通过光子互相关计算，可将多重散射的影响量化或最小化，从而将浓度适用范围扩展到高浓度（但是不能消除颗粒间的相互作用）。这种方法的缺点是需要更为复杂的光学装置。

6.7仪器安置

仪器应置于洁净的环境中，避免强烈的电气干扰和机械震动，避免阳光直射。如果使用有机液体作为悬浮介质，应考虑当地的健康和安全要求，并配有良好的通风设施。为避免光学系统的频繁对焦，仪器应放置在坚固的工作台上。

警告:DLS仪器装有较低或中等功率的激光器，其辐射可能造成永久性眼损伤。切勿直视激光束或者反射光束。当激光光束开启时，在光路中勿使用具有高反射表面的物体。请务必遵守关于激光辐射安全的具体规定。

7样品的制备

7.1通则

样品中应包含在液体介质中有良好分散性的颗粒。分散过程如超声、过滤等可能会影响测量结果，因此在报告中需对分散过程予以说明。介质应满足下列要求：

a） 足够透明（不产生吸收）且在使用激光的波长下无荧光；

b） 无颗粒污染物；

c） 不会造成样品颗粒的溶解、膨胀、团聚；

d） 具有已知的、且与颗粒具有较大差异的折射率；

e） 在测量温度范围内，黏度值在已知数值±2%偏差以内；

注：由于7DbS与黏度值7）成比例，7Dts不确定度将大于v的不确定度。

f） 符合低背景散射原则（可通过单独测量悬浮介质的光子计数率和测量不含样品或试剂的暗计数进行检查。前者测量结果至少应比样品结果低一个数量级，后者结果应在仪器推荐的范围内）。

若对双电层的压缩不够充分，可对流体动力学直径的结果产生显著影响。具有高离子强度的介质可有效压缩带电或双扩散层，从而使得DLS与电子显微镜测量结果的一致性更好。通常，介质的电导率达到1mS/cm就可获得上述结果，对小颗粒样品尤为如此。

水是常用的分散介质，推荐使用新制备的经0.2滤膜过滤的去离子水。可通过向样品中加人少量离子添加剂（如浓度为10mmol/L=0.6g/L的NaCl）的方式减少双电层厚度。然而需注意的是，所加人的离子添加剂不应破坏样品稳定性或不与样品发生反应（例如cr与Ag+）。

7.2浓度极限

颗粒粒径、检测灵敏度、散射体内的颗粒数等因素决定了DLS的浓度下限。

含颗粒样品所产生的散射光强度（用计数率或Is表示）应至少比分散介质自身的散射光强度大10倍。较低的颗粒质量分数或较宽的颗粒粒径分布会导致散射强度比低于10,从而使得测量结果波动变大、精度变差。

粒径测量结果不受浓度影响条件下，分散颗粒的最高浓度由颗粒间的相互作用和多重散射决定。该浓度极限宜凭经验通过稀释来确定（见附录B）。

7.3浓度适宜性检查

不同的仪器可能会有不同的测量角和光路设计，以下给出的为常规的观察和检查方法，宜同时参考特定仪器的操作建议。

推荐使用以下的观察和检查方法：

a） 在放人仪器前，应先对分散样品进行目视检查。低浓度样品应是透明的，高浓度样品呈云雾状或浑浊。

b） 测量前，将样品放人仪器测量池并进行温度平衡，检查光子计数率或信号水平。光子计数率或信号水平的调节可通过如下方式实现：改变接收器的光阑（亦改变探测器的相干度h调节接收器的增益；通过改变光源的功率（有限的调节）或在光源或检测器前加装中性滤光片的方式调节人射激光功率。

c） 对于采用自相关分析模式的测量仪器，测量时需使用适当的相关器设定值，并对截距值进行核查，确保其高于仪器厂商的规定值。光学系统准直性差、多重散射或样品散射弱都可能造成截距值降低。对于弱散射样品，需增大接收器光阑，但会导致检测到多个相干区域，造成截距值

降低。对于较大的颗粒，可能需增大测量体积以提高颗粒的测量数量，但该过程可能会造成截距值减小。样品的吸光或荧光现象也可能造成截距值低于预期值。上述这些因素均有可能使截距值减小，需要进一步的检测以找明原因。

d）在给定的测量不确定度水平下，不同浓度范围内的测量结果应一致。若测得的颗粒尺寸随浓度增加而减小，表明存在显著的多重散射，或稀释剂与原始悬浮液黏度的差异造成悬浮液黏度发生改变，以及/或颗粒的整体运动。也可通过对不同浓度样品的测量外推得到无限稀释时的粒径大小［见第8章列项k）］。

在许多应用中，当粒径小于500nm时，分散颗粒的体积分数（^）在1（F5〜1（F4范围吋是满足浓度要求的。对于互相关和后向散射技术，所能达到的浓度测量上限则与样品有关。对于多分散样品和/或大颗粒样品，可通过增加接收器的相干孔径或增大人射激光光束直径的方式来增大测量体，从而找到可满足所有要求的浓度。在此情况下，截距值可能无法满足c）中的规定标准。若颗粒粒径大于1时，

c）和d）中的要求只能在特殊的情况下才能得到满足。

建议记录所有样品制备步骤（分散介质、颗粒浓度、分散过程），推荐的样品制备方法见附录D。8测量步骤

按照以下步骤进行测量：

a） 接通仪器电源并预热。通常需15mm〜30mm使激光强度稳定，测量池达到设定温度。注1：在很多实际应用中，需要对温度进行监测而非控制，并需提供所测温度下的悬浮介质黏度。

b） 检查盛有悬浮介质的样品池，光子计数率或信号水平宜较低且无剧烈波动，以确保无颗粒污染。若光子计数率或信号水平较高，可能样品池壁有划痕或样品池沾污。对于具有背景信号扣除的仪器，应测量及储存分散介质的背景信号。

c） 目视检查样品中是否有可视颗粒物、絮状、纤维状和其他污染物，若有，需重新制备样品。

d） 向适宜且洁净的样品池中注人一定量的样品。样品池可为一次性（如塑料材质）或可重复使用的（如光学玻璃或石英材质）。与一次性塑料样品池相比，玻璃样品池的优点是折射率低，因此当散射光穿过样品池后，实际测量角与检测器和人射光的几何夹角一致。样品池材质应与分散介质及颗粒具有化学相容性。在加人样品前，应使用经过滤的去离子水清洗样品池，分散体系为非水相时则使用溶剂清洗样品池。为防止残留污染，尤其是对于光学样品池，可使用中性的表面活性剂溶液或皂液进行清洗。为去除残留的表面活性剂，可使用经过滤的去离子水多次清洗样品池。通过将样品池倒置的方式可将水排空，清洗后的样品池应加盖放置。

用于去离子水或溶剂过滤的滤膜孔径宜能满足实际应用。理想情况下，宜使用孔径小于最小检测粒径的滤膜。测量中可使用一次性塑料样品池（如：聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚苯乙烯）。但该类样品池池壁易被刮损且无法提供和玻璃或石英一样的光学性能。因此，一次性塑料样品池不能用于弱散射样品的测量，且只能使用悬浮液冲洗和/或使用洁净气体去除池壁表面灰尘的方式进行清洗。注意，切勿用手直接触碰样品池表面或用粗糙的材料（包括光学纸或纸巾）擦拭样品池表面。

将样品放人测量仪器或将测量探头放人样品中，待其温度平衡。测量过程中应尽可能减小温度波动且温度测量准确性宜优于±0.5°C。

若仪器样品腔无温度传感器，可选用如下方法：方法一，测量室温，之后设定仪器的测量腔温度，将其控制在室温的士0.3°C范围内。随后，样品可在室温下进行温度平衡，放人样品腔后应立即测量。方法二，将样品放人恒温浴中进行温度平衡，恒温浴温度应控制在仪器样品腔温度的±0.31范围内。使用该方法需注意，将样品池放人DLS仪器前应保持其外部干燥。

对于水相介质样品，在室温条件下未达到温度平衡而造成的粒径测量误差约为2%/°C。注2:对于盛有1mL样品的样品池，测量体积内液体温度改变3°C且达到温度平衡所需时间约为10min。

e） 若待测样品为非气泡样品，应确保样品中及样品池壁无附着的气泡。

f） 记录下列已知的信息：样品标识、测量日期和时间、持续时间、测量次数、测量温度、测量过程中温度的波动、分散介质的折射率和黏度、颗粒浓缩/稀释比、激光波长、散射角以及颗粒浓度。

g） 检查样品的平均散射强度

在零差式光路系统中，建议通过调节激光输出功率、使用中性滤光片、调小检测光阑的方式控制散射光平均强度，也可在厂商规定的范围内调节接收器的灵敏度，以保持检测的连贯性。另夕卜，待测样品的散射光信号宜至少为分散介质自身信号的10倍。

在外差式光路系统中，参考信号宜远远大于待测样品的散射信号（参考信号与散射信号比争取达到10:1）。评价散射信号是否远大于悬浮介质自身信号时，参考信号最好能被阻断。

h） 若散射信号强度中突然出现高计数脉冲，则意味着待测样品已被污染，此吋宜停止测量。

i） 如果自相关函数不是单调递减或功率谱不是洛伦兹型，则宜停止测量。

j） 使用累积量法时，记录每一次测量的平均粒径和多分散指数PI。

k） 若粒径测量值与浓度表现出显著的相关性，应以外推至无限稀释样品的粒径（或在最低允许浓度下测得的粒径）作为测量结果。为不改变颗粒-溶液间的相互作用，应使用与溶液具有相同盐浓度、表面活性剂、pH值的无颗粒介质进行稀释。

尽管上述检查方法可将多重散射导致的影响降至最低，但在体积分数大于0.01且直径小于100nm的特殊体系中，颗粒间相互作用会使平均粒径结果产生偏差。因此对于一个未知的分散体系，推荐至少在相差2倍浓度范围内进行测量。

l） 测量结束后，可通过目测或对多次连续测量结果趋势进行检查，确定测量样品中有无显著颗粒沉降。若发现有沉降，则宜判定DLS是否适用于该样品，是沉降足够小、对测量精度的影响在允许范围内，还是该样品不适于用DLS测量。

9结果计算

9.1通则

DLS的分辨力较低，不能分辨窄间距多峰样品的粒径分布。低分辨力也意味测量值与质量中值粒径D5。的偏差会有越来越大的不确定度。

DLS的原始信号为光强加权光散射信号。很多仪器可通过对光强加权光散射信号的分析计算得到体积加权或数量加权结果。在很多计算方法中，由于包含了对光强加权粒径分布Qint的平滑处理，从而会引人不确定度。另外，散射强度与颗粒粒径的非线性关系是影响所有计算方法的另外一个因素。鉴于上述原因，不推荐将光强加权粒径分布转化为体积加权粒径分布，更不赞成将DLS结果转化为数量加权粒径分布，尤其是使用了光强加权粒径分布0、：平滑处理的计算方法。

与激光衍射（光衍射）或显微镜（透射电子）技术相比，DLS测得的粒径分布基于不同的物理特性，因此测量结果会不一致。

值得注意的是，如果粒径分布已知，扩散率分布或特征频率分布会与激光波长、偏振态和散射角度密切相关。因此对于给定的样品，测得的平均粒径IDi_s和多分散指数PI将与这些量有关。

现在已有几种不同的结果评价算法，但对于同一样品这些算法常会给出不同的结果。因此，在给出结果的同时报告所使用的算法及测量中的设定或选择项很关键。9.2对现有足够标准化的算法进行了归纳总结，附录A提供了更多的的理论背景知识，参考文献［7］则给出了简要概述。

9.2相关分析9.2.1累积量法

累积量法将多指数衰减分布简化为指数衰减，并将指数衰减用多项式展开拟合。作为描述颗粒粒径分布的两个重要参数，平均粒径^和多分散指数H就是由“累积量法”计算得到的。

采用累积量法由相关函数计算和PI时，可选取梯度法、高斯-牛顿法或利文贝格-马克拉特法对自相关函数进行非线性最小二乘拟合，也可对每个数据点进行适当的统计加权后，采用线性最小二乘法对相关函数进行对数拟合。尽管相关器各通道的计数统计误差并不显著，但并非所有数据点都同等重要。累积法获得的平均值和多分散指数为光强加权结果。

9.2.2粒径分布的算法

在以下算法中，通过对相关函数进行多项式拟合计算颗粒悬浮液或分子溶液中扩散函数分布，计算结果为粒径分布。若需要的话，也可从粒径分布中得到平均粒径。

9.2.2.1非负最小二乘法

非负最小二乘法采用代数的方法对相关函数的指数衰减进行拟合。在该算法中有多个参数，其中最基本的两个参数为“加权方式”和“a参数”或“正则项”。在DLS算法中加权的使用可放大某些细微的变化，进而得到更强的、高于基线噪声的相关系数。若不使用数据加权，基线噪声则会导致出现假峰和对数据的错误解读。

基于非负最小二乘法的DLS算法中，正则项或a参数决定了所得分布中“尖锐度”的可接受程度。通过拉普拉斯逆变换可将本征函数简化为线性组合，从而实现对DLS测量相关函数的反卷积。但需要提示的是，当本征函数较小时，即使非常小的噪声也会导致方程多解，因此DLS被贴上不适定问题标签。为克服这一问题，在本征函数中加人了一个约束项，并以分布解的一阶导数形式表示。

a参数为这个约束项的乘积因子并对解的导数进行了定量放大。若a值较大（0.1），会对解的“尖锐度”产生限定，进而会产生平滑的分布。若a值较小（0.00001），则会降低一阶导数的权重或显著性，进而会产生较为尖锐的分布。因此，a参数可被认为是相关函数测量中噪声预期水平的粗略评估量。最佳值取决于被测样品，所以并没有理想的或最好的a参数。对于窄分布（多分散性低）混合样品和具有强散射的颗粒，降低a值有时可提升光强加权粒度分布的分辨力。

9.2.2.2归一化算法

归一化算法将强制正则化非负最小二乘法技术和本征函数分析技术相结合，可得到方程的平滑解并降低自由度。该算法生成多个解，选择其中尾分布最小的与数据一致的解。该算法可分辨最小相差2倍的衰减率。

由于用户需明确数个制约项，所以需事先了解预期分布，例如预期分布的范围及数据点数目。基于F-检验和置信度，可对正则化参数进行自动选取。

9.2.2.3直方图法

直方图法为一种迭代方法，其中对初始扩散系数r（r=De72）进行重复处理直至给出最终的解。在这一分析过程中，初始扩散系数r为高度相同的直方图，通过计算不断改变直方图直至与原始数据拟合。

直方图法具有步长数m这一变量的优点。因此，当数据的精确性变差，可相应减少m。G（r,）的初始值及表明直方图范围开始、结束的r_、rmax的初始值将变得不重要。当误差限在测量数据的统计误差范围内时，该拟合程序就会停止。该方法得到的粒径分布通常较宽且会有连通峰。

9.2.2.4其他算法

还有其他多种基于NNLS的分析算法或程序，包括正则化的正指数加和「41的L曲线法E1213］和其他技术［15_16\通常而言，为实现对给定设备和样品的最优化，这两类算法的差异在于NNLS分析中对变量的最优化技术（例如，正则矩阵或a参数及所用的加权方式）。

9.3频率分析

在频率分析中以一定间隔和某一频率（允许对所需最高频率的分析）下采集来自检测器的信号。之后采集信号由快速傅里叶变化技术（FFT）转换为频率能量谱。

通过使用预先设定的粒径和频率通道，对能量谱实验数据进行迭代拟合而获得完整的颗粒粒径分布是该算法的基础。例如.1nm~6500nm粒径范围需要一个通道数为16K的线性能量谱。之后，将16K的线性通道转换为80个具有一定宽度的对数通道。粒径通道用相同数列方式进行表示，从这一分布中可计算得到平均粒径、PI和其他参量：

一步骤1:采用对数数列方式对粒径通道（1〜N）进行定义。采用相同的对数数列方式对频率通道（1〜N）进行定义，并将所测的线性能量谱转换为对数通道。

步骤2:使用公式（A.25）计算N个频率通道的响应并得到初步的粒径分布（partclesizedistribution.PSD）近似结果。

一步骤3:将响应的计算值与测量值进行比较，对粒径分布近似值进行修正。

重复步骤1〜3,直至响应的计算值与测量值间的误差达到最小，从而得到最佳的粒径分布拟合值。一般而言，在1nm〜6500nm范围内需用到80个粒径通道。迭代解法使粒径分布完全符合ISO9276（所有部分），且所有粒径通道具有相同的散射强度加权。

10系统确认和质量控制

10.1系统确认

由于DLS是基于第一性原理的一种粒径测量绝对方法，因此不需使用粒径校准品对仪器的粒径标尺进行校准。为获得可溯源至SI单位的结果，宜使用具有溯源性的设备对仪器或测试的众多参数进行测量（如用户对温度进行测量，制造厂商对激光波长和散射角进行测量）。除此之外，仪器的首次安装及在此后的时间间隔或有疑问时，宜使用具有标准值的悬浮颗粒标准物质对仪器性能进行检定。

因此，仪器的首次安装及在此后的定期间隔内，可使用具有标准值的悬浮颗粒标准物质对仪器性能进行确认。

系统确认失败可能是由颗粒悬浮液、样品制备或仪器自身而引起的。

宜使用采用相同算法为DLS赋值的有证标准物质，理想情况下颗粒的化学组分、形态应与被测样品尽量一致。

或者，可使用具有窄分布，如CV（标准偏差/平均粒径）值为5%、采用DLS或电子显微镜对平均粒径定值的聚苯乙烯乳胶悬浮液标准物质。

为评估潜在的偏差，宜将CRM平均值的不确定度结合测量不确定度的允许误差，并乘以2得到扩展不确定度。标准值和5次测量平均值的绝对差值应小于该扩展不确定度。

对于100nm的悬浮颗粒体系，测量值的允许误差为1.5%，5次重复测量的标准偏差应优于2%.且PI应小于0.1。

例如：对标准值为102nm±3nm（扩展不确定度，々=2）的聚苯乙烯乳胶球CRM重复测量5次，测量平均值和标准偏差分别为105.9nm和1.4nm。按照如下程序核查测量偏差和精密度:26::

1） 通过除以扩展因子M证书中阐明），将CRM的扩展不确定度转换为标准不确定度=3nm/2=1.5nm；

2） 计算测量平均值不确定度的允许误差，由于测量结果值接近100nm，因此计算中使用1.5%作为允许误差u/meas=1.5%X105.9nm=1.6nm；

3） 将步骤1和2中的结果的二次方进行合成，扩展因子k为2,得到扩展不确定度U：

U=2-Jucrm+uLas=2a/1.52+1.62=4.4nm

4） 测量结果和标准值的差为105.9nm-102nm=3.9nm。由于该差值小于扩展不确定度U，因此测量满足对偏差的检验。

5） 5次测量的相对标准偏差为1.3%，小于2%的要求。

10.2测量结果的质量控制

10.2.1有效的测量结果应满足如下条件：

a） 粒径分布的结果与延迟时间的范围无关，只要该范围的最小值能涵盖延迟时间的设定范围即可；

b） 粒径分布的峰位置与所选颗粒粒径范围无关；

c） 在选定的粒径范围内无异乎寻常的峰出现；

d） 合理且符合颗粒的物理和化学性质；

e） 与其他粒径测量技术的比较结果合理。

10.2.2对于基于自相关分析的测量，相关函数截距的最大值可采用如下方式确定。

a） 尽可能选用一个Bmax已知的聚光孔；

b） 选用浓度可满足7.3中c）与d）的要求，至少两种不同浓度的聚苯乙烯乳胶悬浮液（粒径约为

100nm）测量截距B（见附录A）；

如果截距B与颗粒浓度呈系统相关，可将结果外推至无限稀释。

10.3方法精密度和测量不确定度

所能达到的精密度与样品性质和运算方法密切相关。通常，均匀且单分散样品的测量结果要比宽分布样品的结果具有更低的标准偏差。

重复性：对于粒径在50nm〜200nm的单分散样品，平均值jcdls的相对标准偏差宜优于2%。注：即便是在同一实验室，不同运行期间、不同操作人员、不同仪器、不同实验地点等都会造成额外的数据变动性。 再现性：对于粒径在50nm〜200nm的单分散样品，实验室间标准偏差宜不大于5%。一真实性：DLS法所得结果取决于多种因素，包括散射角度及运算方法，因此多分散样品的测量结果应是特定于所用仪器和运算装置的。而对于单分散的球形颗粒样品，可估计出真实性对测量不确定度贡献的下限［17］。

每个测量结果的不确定度宜至少包括重复性和重现性的贡献。

11测试报告

测试报告应至少包含如下信息［k）〜r），源自ISO/IEC17025］：

a） 平均粒径及不确定度。

b） 样品多分散性的指标（如多分散指数PI）。

c） 独立测量次数及基于此测量的平均值。

d） 假如IDES和PI的平均值与浓度相关，给出外推至无限稀释时的数值或最低浓度时测得的数值。

e） 完整的样品识别信息，包括颗粒的形状和均匀性的详细信息。

f） 实验室或其他机构采用的、与测量结果有效性及应用相关的参照取样计划及程序方法；

g） 所用的运算方法，若该算法在本文件范围内，则应参照本文件。与此同时，需阐述平均值的类型（算数、几何或加权平均、中值和峰值）、坐标类型（线性或对数）和所包含的颗粒粒径范围。

h） 悬浮条件：

一分散液及其过滤过程（如可获取）;

——颗粒浓度（若已知）；

——分散剂及其浓度；

一分散过程，包括超声条件：时间、频率和输人功率（如可获取）；

——悬浮液体的黏度和折射率。

i） 测量条件：

一实际浓度（若已知）；

測^量时长;

一样品温度。

j） 所有未在本文件中说明的操作细节，或与实验条件一起对结果会有影响的可选项。

k） 标题（例如/‘测试报告”）。

l） 实验室名称和地址，若实验进行地点与实验室地址不同，需注明实验进行地点。

m） 测试报告的唯一性标识（例如：序列号），报告页的标识从而确保每一页都是测试报告的一部分，以及测试报告结尾的明确标识。

n） 客户的名称和地址。

o） 对测试项目描述、条件和明确标识。

P）测试项目的接收日期，其对结果的有效性和应用至关重要，以及开展性能测试的日期。

q） 测试报告授权人的姓名、职责、签字或其他等效识别方式。

r） 在相关的情况下，声明结果仅与测试或校准的项目有关。

s） 无需将所有与评估和测量相关的参数全都添加到测试报告中。

附录A

(资料性)

理论背景

A.1相关函数分析

A.1.1自相关与互相关

在典型的DLS实验中，一束狭窄的单色相干光源即单一波长A。的激光光束照射到被测悬浮液，在相对人射光0角处相干测量分散颗粒的散射光。由于分散颗粒连续地做布朗运动，观察到的散射光强度1(<)将随时间而涨落，因此分析散射光强度随时间涨落的规律可提供分散颗粒的运动信息，在相关分析中，由相关器来完成时间分析，相关器构建了散射光强度的时间自相关函数G(2>(r)，如公式(A.1)所示：

G(2>(r)=〈W)•W+/)〉 (A.1)

该相关函数只依赖于时间差r，而与G,2>(r)的任意起始测量时间t无关，符号〈…〉表示对于不同时间t内，1(<)•IG+r)乘积的平均值。图A.1为自相关函数的一个示例。

0 1000 2000 3000 4000 5000 :

说明：

A——基线；

G<2，(r)——自相关函数，任意单位；

T 相关时间，单位是微秒(piS)。

图A.1自相关函数(归一化)

在互相关中，两束单色相干激光光束聚焦到样品上，在样品内两束光相交，重叠部分为测量体积。两个检测器检测到某一散射角的颗粒散射光。因此，在同一测量体积中可以进行两个独立的散射光测量，从而降低多重光散射效应对测量结果的影响。

目前互相关有几种不同的结构，例如使用不同散射角、使用不同波长的激光等。只要散射矢量相同，就可用相同的方式进行评价。测得的互相关函数看起来与图A.1的自相关函数相似。

对于在测量体积V中做布朗运动的大量单分散颗粒.G,2>(r)本质上是时间差r的指数衰减函数：

G(2)(r)=A[l+Bexp(-2IV)] (A.2)

式中：

A——理论上是与时间无关的常数，与散射光强度时间平均值〈/〉的平方成正比，在本文件中称为

基线；

B——称为仪器因子，且＜1，(在本文件中表示自相关函数的截距值)。

衰减率r与做布朗运动的各向同性球状颗粒的平动扩散系数1^有关，可由公式(A.3)求出:

r^DTq2 (A.3)

其中q是散射矢量模值，如公式(A.4)所示：

4-7CTI

? sin(0/2) (A.4)

入0

散射矢量7被定义为人射波矢量^1与散射波矢量I的矢量差：7 ~ks,k1和的模值都等于

2?rn/A。，其中n为分散介质的折射率。

注意：在DLS方法中，所测量为扩散系数D而非颗粒粒径，后者只能从与颗粒粒径相关的扩散系数中得到。若不存在相互作用力，球形颗粒分散在黏度为7；的介质中，颗粒直径与扩散系数0,的关系可用斯托克斯-爱因斯坦方程表示，如式(A.5)所示：

3-KTjJ：

式中：

k——玻尔兹曼常数；

T——绝对温度。

本文件列出的对颗粒浓度的测量条件可避免或最大程度地减小测量体积内颗粒数量波动、多重散射和颗粒间相互作用造成的偏差。为避免颗粒数目的波动而引起的偏差，本文件要求在测量体积中至少要有1000个颗粒。

至少1000个颗粒的准则仅对单分散颗粒样品成立，而对于多分散样品，在测量体积中则需有更多数量的粒径小于1:^的颗粒。

理论上，尽管上述公式仅限于对均匀球形颗粒的测量，但对于非球形、不均一且存在平动和旋转扩散过程的颗粒体系，也可用这些公式来测量和分析。在此情况下，公式(A.1)〜公式(A.3)及公

式(A.14)中定义的是表观等效球直径。

对于实际的多分散的样品，公式(A.2)可写成公式(A.6)：

G(2)(r)=A[1+B|g⑴(r)|2] (A.6)

其中，自相关函数g(1)(r)的模与归一化的分布函数衰减率C(r)有关，可写作公式(A.7)：

g(1)(r)=pc(r)exp(—rr)dr (A.7)

J0

且：

roo

c(r)dr=i (a.8)

J0

在公式(a.8)中，c(r)dr与在衰减率介于r至r+dr范围内的颗粒散射强度百分数成正比。下述几种多分散性可能引起衰减率分布：

a)粒径的多分散性，即所有颗粒的形状及组分(如均质各向同性的球)相同，但线性尺度不同；

b)形状的多分散性，即颗粒的形状不同，如球状、盘状和棒状的混合物，但体积粒径和组分相同；

C)非均质和各向异性的物质，即颗粒材质不同，例如：均质球和多层球的混合物；

d)上述几种多分散性的可能的组合。

应用DLS法测量颗粒粒径时，假设只存在第一种多分散性。

在本文件中，衰减率的分布由两个参数来表征：

a)平均衰减率，由公式(A.9)定义：

r=P°rc(r)dr (A.9)

J0

b)无量纲的多分散指数PI，即分布宽度的度量，由公式(A.10)定义:

(A.10)

其中；/2可采用公式(A.11)计算得到

(r-r)2c(r)dr

(A.ll)

若衰减率服从平均衰减率为f，标准偏差为a的高斯分布，高斯分布如式(A.12)所示:

C(D=—-——exp(7J2tv

PI与F和＜7相关，如公式(A.13)所示：

(r一尸)2

2^2

(A.12)

PI

P2

r2

2r2

(A.13)

由于斯托克斯-爱因斯坦直径与衰减率成反比，见式(A.3)和式(A.5),所以本文件中可采用式(A.9)定义DLS平均粒径ZDLS：见式(A.14):

=——「—C[r(je)]d(—) (A.14)

•TdlsJ0工 1

在式(A.14)中，C[r(jc)]d(l/rc)代表了直径范围在和jc+cLr之间的颗粒散射光强度分数，式(A.14)中对DLS平均粒径的定义为调谐散射光强平均粒径。

注意：通常，此平均粒径不同于且大于重量-平均粒径，与此同时，它也与(小角)激光散射或衍射所测得的平均粒径不同。

亦请注意，给定粒径分布时，c(r)与激光波长、偏振状态和散射角0相关[见公式(A.3)和公式(A.4)]，因此对于给定样品，:^:^及PI与上述因素相关。对于颗粒直径小于30nm的粒径分布，

Idu及PI对激光波长(及散射角)的相关性并不显著。

A.1.2累积量法

在累积量法中，在expC-Fr)附近展开式(A.7)中的因子exp(-rr),得到延迟时间的多项式。在二阶项截取该多项式，则式(A.6)可用式(A.15)近似表示：

G(2)(r)A[1十Bexp(—2IV+"2r2)] (A.15)

该式是测量平均衰减率f和；z2的理论基础，也即测量平均粒径:^^和PI的基础。为了得到线性回归方程，可将式(A.15)转换为式(A.16)：

(r)= [G2(r)—A]=+lnAB—IV+*y-r2 (A.16)

或式(A.17)：

3；(r；)=aoaiTj+<22rJ(j=1,2,3,•"•m) (A.17)

式中：

；——相关器的延迟通道数。

可用两种方法测定基线A:实验中总持续时间内测得到的光子计数的总和，或者当延迟时间r»25/f时对G2(r)的估算值。建议采用上述两种方法对基线A进行测量，并保留两者中的最大值。但是，当基线的两种估算值之间的相对差值大于最小值的10_3倍时，则测量无效并作进一步分析。

对于力=y(r：)所保留的数值范围应对应于[G2(n)—A]〉[G2(r,)—A]>{:G^rJ-A]/100}，其中至少有一个值要小于{:G^r^-AZ/SO},在[G2(t,)—A]范围内的所有值必须为正值，否则测量无效作进一步分析。

最后需要说明的是，在可以接受的范围内，y,值的个数爪至少应为20。

(A.18)

用最小二乘法拟合式(A.15)确定的实验数据j/(r7)获得参数a。、^、a2的量值，从而使式(A.18)最小化：

5(a0,<21,a2)=^2Wj(力一a0—a!r+a2rj)2;=i

在式(A.18)中，归一化的权重因子w,把原始数据G2非线性转换为yCrJ)o

由式(A.19)的计算得到平均粒径7Dls:

(A.19)

(A.20)

(A.21)

1kTsin(^/2) 2

L_A；_

式中：

k——玻尔兹曼常数；

T——绝对温度；

7——分散介质的黏度度；

n 分散介质的折射率；

9 散射角；

Ao 真空中激光波长。

多分散指数H与a3和a2相关，由式(A.20)计算：

PI=2a2/a[

实际的截距B由式(A.21)通过a。和A得出：

B=[exp(2a0)]/A

并与给定实验条件下求得的最大值Bmax比较，若B与Bmax的比值B/Bmax<0.8,则测量作废。方差可由式(A.22)表东:

s/(m一4) (A.22)

式中：

s——通过式(A.18)计算拟合的目标函数；

m 测量次数。

方差可作为拟合度好坏的判据。对于单分散的球形颗粒，方差宜不小于0.8。对于其他类型的颗粒样品并无通用的判定规则，但方差宜应满足目标要求。

A.2频率分析

在频率分析模式中，光电检测器收集的散射光首先由数字快速傅里叶变换(FFT)技术处理。FFT计算出光电检测器探测的光强信号的功率谱。对单分散系统，在外差模式下功率谱P(co)的形式由式(A.23)给出(见参考文献：18],5.4)：

2a)a

P(w)=IR<Is> 0 (A.23)

+(WO)Z

式中：

JR 多考尤5虫;

Is——散射强度；

wo——特征频率；

W 角频率。

在零差模式，功率谱的振幅与散射强度的平方<Is>2成正比，散射强度与样品浓度成正比。在此模式下，假设没有未散射的主光束与散射光混合，检测器处满足条件Io«<Is>，从而确保没有外差混人和耀斑的纯零差模式，同时，也假设检测器无噪声，测量池或光学部件无耀斑或散射。

在外差模式，人射激光的部分光束(参考光束)与探测的散射光相混合。外差模式的功率谱中总有一个零差模式的成分。为了实现纯外差的功率谱，零差成分应远远小于外差成分。若J%〉〉〈IS〉，则能满足此条件。在浓度较高时，〈js〉也很高，要留心观察以确保满足Zo»<Is>。混合模式时功率谱有不同特征频率，外差模式为coo，内差模式为2w。。

特征频率<0。与粒径X、温度T、激光波长A。、散射角度L介质黏度V有关，代表了光谱的半宽，如式(A.24)所示。

1 ttA

^0=-^rF-sm2(0/2) (A.24)

说明：

A 振幅，任意单位；

f——频率，单位为赫兹(Hz)。

图A.2外差模式下不同颗粒粒径的功率谱

测得的响应矢量了是由洛伦兹矩阵L和体积加权颗粒粒度分布矢量t的乘积［见式(A.25)］，粒径的分布是单个颗粒粒径响应的加权和。

7=L•7 (A.25)

由于功率谱的病态洛伦兹形态，式(A.25)反演得到的颗粒粒度分布了会有所不同。

在多分散体系中，归一化的功率谱与外差模式中特征频率分布有关，用式(A.26)表示：

2a)oP(a))dcu=I0(Is〉 dcu (A.26)

⑴ +o>o

基于式(A.27)和式(A.28)，可将频率坐标由线性转换为对数，得到式(A.29):

x=ln(o>) (A.27)

Xq=ln(co0) (A.28)

=Io<Is>戶i。)上-(„。)如 (A.29)

在对数坐标中，响应矩阵是平移不变的。单颗粒的响应是等效的，只沿对数频率轴移动。对于颗粒粒度分布，依赖于粒径组分对功率谱的贡献、与颗粒半径的六次幂成正比散射强度加权效应和噪声，每个对数坐标频率通道将具有不同的振幅。图A.3给出三种不同粒径的响应函数，在对数特征频率co。

处，该函数具有峰值。式(A.25)表示的矩阵成为只的卷积，因此响应函数可用式(A.30)表示：

r„= (•!'„,—•!'„)v(•!',,) (A.30)

对数功率谱

图A.3功率谱的对数坐标

对数坐标功率谱［式(A.30)］的反演比式(A.25)的反演大大简化，并且可以通过线性迭代技术来完成。

附录B

（资料性）

测量过程的潜在影响因素及减小影响的指南

B.1概述

影响DLS结果的因素有多种，本附录对其中几种因素及如何减小其影响进行了总结，以获取有效测量结果。

B.2高浓度分散体系的测量

B.2.1通则

对于未知样品，无法预计对颗粒表观粒度产生影响的起始浓度。因此建议在不同数量级的浓度范围内进行系列测量。在浓度较高时，多重光散射、粒度间的相互作用以及其他因素（例如：非几何球面）可能会影响测量结果。在这种情况下，为了得到无偏差的粒径结果，需将表观测量结果外推至最低浓度时测得的数值。对于特定的材料-分散剂体系，需采用质量程序确定允许使用的最高浓度。这也就意味使用给定仪器对给定类型样品进行测量时，需执行确认程序。在稀释样品时，需注意其粒度可能会因样品的化学变化或双电层厚度的变化而发生改变。某一固定浓度下的通过斯托克斯-爱因斯坦方程计算得到的表观粒度可用于质量控制，尽管该表观粒度与正确稀释浓度下所测结果会有差异。

为避免颗粒间相互作用及多重散射的影响，推荐在几种不同浓度下开展测量，若粒度随浓度变化呈规则的相关性变化.应取无限稀释浓度吋的粒径。

B.2.2多重散射

DLS分析中假设仅收集颗粒的一次散射光。在高浓度样品中，某一颗粒的散射光在到达检测器前有可能被其他颗粒再次散射。这就意味着附加相位因素会增强或拓宽光强波动谱。在这种情形下，颗粒似乎移动得更快，导致粒径测量结果降低。

可采用以下几种方式减小多重散射光的影响。

一种方式是采用可缩短出人样品光程的光学系统。目前，包括使用背散射光学系统在内的多种方法都可以缩短样品中的光程。背散射光学系统能使光路可设计得很短。样品即使在长光程下光学上不透明，短光程内的多重散射也可忽略不计。

另一种方式是采用互相关方法。从理论上该方法可以消除多重散射的影响，但事实上，只是将多重散射效应最小化了而没有消除。当无法观察到分散材料的一次散射光时，就达到样品浓度上限。与背散射光学系统类似通过缩短光程也可以提高样品浓度。

B.2.3颗粒间相互作用

在将扩散系数转换成流体动力学直径的公式中假设了每个颗粒的运动不受其他颗粒的影响。在低样品浓度下，该条件通常能满足。但对于高样品浓度，DLS测得的直径将与正确的颗粒粒径不一致。若结果出现分散度大、多峰和表观粒径大，则表明存在显著颗粒间相互作用。

对于高浓度样品，DLS测得的是大量颗粒的整体扩散系数而非单个颗粒的扩散系数。根据粒径、浓度、散射角和激光波长，可对这两种扩散系数进行区分。颗粒间的平均间距A，与散射向量模数的倒数（T1之比，将决定会发生下列哪种情况（见图B.1）。

若q /2k.DLS可探测到众多颗粒中单个颗粒的自扩散。

若q-'〉h/h探测到的是颗粒的整体扩散系数。

oOoO—-1

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r1

标引序号说明：

1——自扩散：

2——整体扩散。

图B.1颗粒间的平均间距与散射矢量模数的倒数之比的影响

这两种模式可以通过不同的扩散系数描述，分别被称为自扩散系数Ds和整体扩散系数Dc。两个扩散系数均受浓度影响，但方式不同。

因此，在低浓度样品中可观测到颗粒的自扩散。但当颗粒浓度增加和/或对于较大的颗粒，颗粒中心之间的平均距离小于散射向量，观测到的将是颗粒的整体扩散而非自扩散。

因此，采用斯托克斯-爱因斯坦方程，由扩散系数计算得到的颗粒表观粒度随颗粒浓度的变化而改变。

注意：上述论述，尤其是平动扩散系数的斯托克斯-爱因斯坦方程，均只适于球形颗粒。对于非球形颗粒，所测得的扩散系数为平动和转动扩散系数的叠加。

颗粒间相互作用对所测颗粒的扩散有着重要的影响。相互作用有几种类型：水力阻尼、颗粒表面电势产生的静电斥力及范德华引力，且可能同时存在。由于颗粒相互作用的存在，测量的扩散系数不再是单个颗粒的行为，而是整体颗粒悬浮液的行为。

也可通过对不同稀释倍数样品的测量，判定多重散射是否发生。

颗粒间相互作用效应的出现是系统特定的：在低浓度样品中长程作用力的影响显著，粒子在高浓度下不受阻碍地扩散只会在极少数情况下出现。不管怎样，对于每一个颗粒/液体体系，会存在颗粒间相互作用变得显著的浓度范围，为获得正确的颗粒粒径结果需对样品进行稀释。

B.2.4受限扩散

受限扩散是指其他颗粒的出现阻碍颗粒自由扩散的现象。典型的例子是颗粒在一种聚合物网络结构内的扩散。征兆包括：粒径大小发生变化而形态或分散性没有改变、在高浓度或在与平均粒径（与利用样品整体黏度下计算得到的粒径相同）呈相关的某一浓度下，利用介质黏度计算平均粒径会导致粒径变大。

B.3沉降

为得到有效的DLS结果，颗粒沉降速率宜远小于扩散速率，从相关曲线图可判定是否满足此条件。若是随机的布朗运动，该曲线应呈现单调衰减。若相关函数多次出现增大，则预示着有非随机运动即沉降的发生。

相关函数幅值的稳定性也可预示样品的分散稳定性。

B.4数量波动

测量体积内的颗粒数量通常是恒定的，但测量大颗粒或低浓度样品时可不受此限制。若在相关曲线图中截距值〉1和较长时间段内相关函数的增大则表明自相关装置内发生颗粒数量波动（其他测量装置产生的波动可能与此不同）。

B.5大颗粒/灰尘

如果在较短时间内（例如0.1s间隔）记录到的时间平均散射信号（计数率）出现大幅波动，并伴有高计数率值的脉冲，表明可能存在大颗粒。这可能由样品中大颗粒的沉降或污染的灰尘引起。光束中出现闪烁也通常表明样品中存在大颗粒。若大颗粒源于灰尘污染，则使用液体前应进一步清洁（经过滤和/或蒸馏）。若确定这些大颗粒是原始样品本身的一部分，那么用户可选择接受因宽粒径分布导致的低精确度测试结果、过滤沉淀样品或沉淀后取上清悬浮液测试。在测试报告中宜对所有的样品处理进行描述。

B.6不同的扩散模式

非球形颗粒的转动和平动两个扩散分量会对散射强度波动产生影响，两者的比例取决于观察的角度。所测得的流体动力学直径取决于这些因素。

B.7荧光

荧光颗粒会吸收部分人射光并产生波长更长的激发光。若激发光在接收器的带宽范围内，则会使得非相关信号增大。可选择窄带宽的滤光片减少此影响。

附录C

（资料性）

在线测量

理论上讲，DLS的样品要求是静态的。流动的液体会使颗粒具有额外的运动，因此会对所测的表观扩散系数造成更大影响。尽管存在这一原则性问题，已有一些商用的在线DLS仪器，且实践表明该设备可提供有效的数据。当使用在线系统时，需要考虑以下几个问题：

一液体的总体流动性对大颗粒影响最为显著，原因是它们的相关函数衰减较慢，进而受其他运动的影响最大。因此液体流动将会影响仪器的粒径测量上限。

一由于湍流或靠近样品池壁情况下的乱流都可能导致无法计算得到液体流动的影响。

一偏离稳定状态的情况下［例如在流动场分级法（FFF）所观察到的对颗粒数目的改变］，较少颗粒数目（例如，在FFF信号中强度峰的边缘附近）测得的结果比较多颗粒数目（例如，FFF峰的中心附近）测得的结果可靠性低。

一在偏离稳定状态的情况下，颗粒浓度的改变也会产生影响。

一在多分散样品中颗粒运动造成的问题会更加严重。

一样品常被高度稀释，因此对弱散射体的测量就会受到影响。

上述潜在影响要求用户能够对在线系统测量某一材质样品的粒径和浓度范围的有效性进行仔细验证，以证明结果的准确性。在这种情况下，强烈建议将在线系统与静态系统的结果进行比对。

附录D

（资料性）

样品制备的推荐程序

D.1概述

样品制备包括以下三部分:分散介质的净化、样品池的清洁、溶液/悬浮液的制备。本附录以不同的详略描述了前两部分，最后一部分取决于样品颗粒的类型，在本附录中给出了样品制备的一般原则，较为详细地描述了悬浮在水中的聚苯乙烯乳胶颗粒悬浮液的样品制备方法。

灰尘是影响DLS测量的主要因素之一，灰尘是对能产生信号的任何不良的大的散射物质的总称。灰尘的存在将使颗粒平均粒径的测量结果产生严重的偏移。

灰尘可用以下三种方法去除：过滤法、蒸馏法和离心法。过滤是最容易的方法，可借助于一次性过滤器，也可以通过多次过滤有效地去除灰尘。然而，若要去除离子和微量杂质，可采用蒸馏法。若不能采用过滤法（例如，由于颗粒与滤膜存在相互作用）则可采用离心法去除灰尘。在这种情况下，离心结束后需将上清液转移到测量池内。

本文件介绍几种净化分散介质的方法。需根据各自用途选用最适用的方法。可先试一种最简单的方法。当然，也可选用不引人灰尘、且对分散颗粒不产生影响的其他方法。

D.2过滤

D.2.1水介质

对小批量样品过滤时，可用一个连有直径25mm、孔径0.2pm—次性过滤器的20mL注射器。选择配有锁定接头的注射器。若实际中需用针头，选用大口径的针头（规格18）。经由较细针头喷出而产生的雾化水具有较大表面积可吸人空气中的灰尘，因此应缓慢过滤而勿将其雾化。

为除去可能阻塞过滤器的大颗粒，需对注射器和针头进行清洗处理。尽可使用没有粘结剂残留（通常为聚合物涂层）的过滤器，否则残留物将会混人被过滤的介质中，使用前需对过滤器进行多次冲洗以去除上述残留物。若液体的颗粒污染严重，可考虑先使用大孔过滤器，这样可以延长小孔过滤器的使用寿命。

若要对大批量液体进行过滤，使用孔径为0.2Mm、直径为47mm或更大直径的过滤器，并可将过滤器直接接到水龙头上。为除去过滤器中的颗粒需先过滤至少20mL水，尽管会减少过滤器的使用寿命，但该步骤可冲洗掉过滤器表面上的残留物。为避免接触大面积的容器，将过滤后的水直接滴人样品池或稀释瓶中。

D.2.2有机介质

若介质与过滤器的塑料外壳及材质是相容的，则可使用D.2.1中过滤水的步骤，否则把外壳换成不锈钢材料，且滤材应与稀释介质相容，可从过滤器产商得到溶剂与过滤器材料的兼容信息。

若要过滤少批量液体，可使用直径为13mm或25mm的不锈钢外壳过滤器，且使用玻璃注射器与过滤器相连接。确保选用的0形环不会被溶解，并用光滑的镊子摄取滤膜以避免刺穿。

D.3纯化

D.3.1水介质

残留的金属离子可能会影响颗粒散射体的化学性质和相互作用，离子可能会利于样品的稳定，但也会引起凝聚。散射体形状的改变会影响扩散系数，从而影响DLS测量结果。

可选用商用的纯化水系统，该系统都含有可更换的过滤筒，可去除离子，吸附有机物质，并可过滤直径大于0.2 的颗粒。这些纯化系统方便、安全并且便于维护。

作为一种替代方法.可将离子交换柱与烧瓶/冷凝器相连接.随后再连接一个收集瓶和0.2 孔径

的过滤器。

除了离子交换柱的进口及冷却水进出口可用PVC管外，其他连接均用聚四氟乙烯（PTFE）材料，所有接头处都不要涂油脂。

一旦组装完成，在产生用于制备测试样品的纯水之前，宜先用几升水冲洗系统。

D.3.2有机介质

处理非极性液体时通常不需要去离子柱，用直径47mm的PTFE过滤器和合适的过滤系统替换其中的塑料部分，将任何可能接触溶剂的PVC替换成PTFE材料（第二种选择是氟橡胶），对易燃溶剂进行蒸溜时应格外注意。

D.4样品池的清洁

D.4.1概述

样品池的清洁程度取决于实际需要，最简单的情况是使用一次性、单独包装的清洁样品池，并用经过滤的压缩空气吹去样品池的灰尘。可手握样品池顶部从而避免在样品池的光路出人口区域沾污指印。

D.4.2洗涤剂和水

更严格的清洁步骤如下所述：根据实际情况选用最恰当的清洗程序，首选最简单的方法。使用纯净水彻底冲洗样品池。选用无磨损性的洗涤剂清洗样品池的内外壁。切勿使用刷子，因为几微米的划痕会引发一系列问题，取而代之的应是使劲摇动含有洗涤剂和水的样品池。

为使得清洗更加彻底，将样品池放人装有洁净清洗液的小型（40W足够）超声波浴槽内，超声几分钟，也可以加热。为了避免划伤，防止样品池之间或与容器壁的碰撞。需经常更换超声波内的清洗液。使用纯净水彻底冲洗样品池。为保持洁净样品池的洁净度，需将样品池倒置或盖上盖子干燥以防止灰尘污染样品池内壁，或使用经HEPA过滤的洁净工作台。

D.4.3酸

有时会存在如下情况：样品吸附在池壁上，洗涤剂和水无法完全去除油脂污点和生物物质。若残留的过滤水未能均匀干燥或未能均匀地从样品池内壁成薄层流下，可使用下述清洗方法：

将样品池在浓硫酸中浸泡1h，并用PTFE包覆的镊子取出以待下述进一步处理。用纯净水冲洗，在洗涤液中作超声清洗，用过滤水冲洗多次，盖上盖子干燥。

若样品池自然干燥，乳胶颗粒样品会在玻璃和石英样品池中形成一层坚韧的膜，使用浓硫酸可以很有效地将其去除。

D.5溶液/悬浮液的制备

最重要的一条原则就是，用纯化后的液体介质冲洗每一个用具（样品池和盖子、稀释瓶和盖子、移液管或注射器、装缓冲液和表面活性剂的玻璃器皿等）。用纯化和过滤后的液体制备缓冲液和表面活性剂溶液。

使用压缩空气吹扫可以充分地去除一次性塑料移液枪头上的灰尘。但对于玻璃移液枪头而言仅这样是不够的，还需将其密封保存以避免油脂和灰尘的吸附。

在制备样品的最后阶段，为减少再次引人灰尘的可能，要尽量减少所用液体与外界空气的接触。为避免与外界空气的接触，尽可能地使用直接的液路连接方式。请勿长时间贮存过滤水，贮存水中生长的细菌会产生散射光。若有可能，每天制备少量的新鲜溶液。若不行，则现用现配。

避免将液体喷射到烧瓶或样品池内，让液体沿着清洁光滑的一面注人，这样可以减少再次引人灰尘。

一旦样品制备好后切勿剧烈摇晃，否则会将混有灰尘的空气引人样品中。与所关注的颗粒相比，肉眼不可见的小气泡可产生更多的散射光。因此最好是轻轻地转动样