1、现代科学仪器Modern Scientific Instruments160第6期2011年12月No.6 Dec. 2011收稿日期： 2011-07-12基金资助： 天津科技大学实验室开放基金项目作者简介： 刘春静 (1983-)， 女， 硕士， 助理实验师， 从事仪器分析工作动态光散射激光粒度仪的特点及其应用刘春静 王蕾 焦永芳（天津科技大学理学院 天津 300457）摘 要 本文简要阐述了动态光散射激光粒度仪的基本原理，并介绍了美国 BECKMAN COULTER 公司的 DelsaTMNano C 的主要性能。着重分析了影响测量结果准确性的主要因素，其中包括仪器选择、样品分散、设置测
2、量参数等，并举例说明不同条件处理样品对测试结果的影响。最后概括了该仪器在纳米材料研究领域的应用情况。关键词 动态光散射； 粒度测量； 影响因素； 应用中图分类号 TH741 The Features of Dynamic Laser Light Scattering Particle Size Analyzer and Its ApplicationLiu Chunjing,Wang Lei,Jiao Yongfang(College of Science-Tianjin University of Science Particle size measurement; Effect facto
3、rs; Application 随着纳米科学技术的发展， 近年来， 出现了各种关于测定纳米、 超微米级颗粒粒度的分析方法如筛分法、 沉降法、 显微镜法、 电感应法、 光散射法、 图像分析法等1。其中基于光散射法的激光粒度仪， 因其测试速度快、 测量范围宽、 重复性和真实性好、 自动化程度高等特点， 已在纳米材料研究领域得到了广泛的应用。根据动态光散射原理设计的颗粒测试技术是一种新技术， 近年来获得了快速发展。国内的代表产品有济南微纳的 Winner801 纳米粒度仪， 测试范围达到 1 3500nm； 丹东百特的 BT-90 动态光散射纳米激光粒度仪， 测试范围 为 1 9500nm2。国外的
4、代表产品有美国 BECKMAN COULTER 公司的DelsaTM Nano 系列， 测试范围为 0.6 7000 nm， 符合最新的动态光散射国际标准： ISO 22412： 2008。本文重点介绍了动态光散射激光粒度仪测量原理和代表仪器 DelsaTM Nano C 的主要性能， 详细分析了影响其测试结果准确性的主要因素， 并简要叙述了其应用情况。1 动态光散射激光粒度仪测量原理激光粒度仪是专指通过颗粒的衍射或散射光的空间分布 （散射谱）来分析颗粒大小的仪器。根据能谱稳定性分为： 静态光散射激光粒度仪和动态光散射激光粒度仪。悬浮在液体中的颗粒由于同溶剂分子的随机碰撞而发生布朗运动， 这种
5、运动会造成颗粒在整个媒介中扩散。根据斯托克斯爱因斯坦方程：D=dTk B3(1)D： 扩散系数kB： 波耳兹曼常数T： 绝对温度o： 粘度d： 流体力学直径此方程表明， 扩散系数与粒度成反比。光子相关光谱分析法(PCS)3是一种用于测定液体中小颗粒扩散系数的技术， 通过精确地测量颗粒的光散射强度与时间的函数关系来测定该系数。当颗粒小到一定的程度时， 颗粒在液体中受布161第6期2011年12月朗运动的影响， 呈一种随机的运动状态， 当激光向颗粒照射时， 激光光线会向所有方向散射， 散射光波动频率包含了颗粒大小的信息， 对于快速运动的较小颗粒， 波动将会快速发生； 而对于较慢运动的较大颗粒， 波
6、动会慢一些。散射光于某一选定的角度被收集， 由高灵敏度探测器测量， 对散射光进行相关的运算就可以测出粒度信息。因此通过观察布朗运动以及测定液体媒介中颗粒的扩散系数， 就可以得知颗粒的粒径。2 Zeta 电位测量原理Zeta 电位测量是基于电泳光散射原理， 也可以解释为多普勒效应。当给悬浮液中的带电粒子施加电场时， 粒子会朝着与其表面电荷相反电荷的电极移动， 用电泳光散射测定粒子的移动速度， 即用一束激光照射粒子， 粒子就会发出散射光， 检测散射光的频率偏移， 便可测量出粒子的电泳淌度， 根据斯莫卢霍夫斯等式公式就可以求出 Zeta 电位。=U (2)o: 真空中的介电常数: 溶液的介电常数U：
7、 粒子的淌度3 DelsaTMNano C 动态光散射激光粒度仪的技术特点DelsaTMNano C 是目前唯一的应用动态光散射及电泳光散射原理， 同时提供颗粒 Zeta 电位分布、固液界面的 Zeta 电位和纳米粒度分布的分析仪。该仪器应用 PCS 光子相关光谱法， 是一款新型的具有极高动态测量范围的多用途测量仪， 能同时测量强度分布、 容量分布、 数量分布、 粒度分布表、 累计粒度分配表、 实时粒度表、 Zeta 电位等。(1) 光源采用先进的大功率固体激光器， 寿命更长更稳定。(2) 专业级的高性能光电倍增管， 具有高灵敏度和极高的信噪比。(3)动态测量范围大， 粒径下限延伸至亚纳米(0
8、.6nm-7000nm)。(4) 温度控制范围宽， 可以从 5 90。(5) 分析快捷， 测量时间短 (30 180 s)， 重现性优于 3%CV， 精度达到 2% 5%。(6) 采用双镜头技术， 可以获得大角散射光。(7) 多种样品池 ( 标准样品池、 高浓度样品池、 低浓度样品池、 一次性样品池 ) 可选， 满足不同的测量需求。(8) 既可以测量极稀浓度样品 ( 甚至是弱光散射样品 )， 也可以测量高浓度样品 (0.001% 40%)。(9)图形化的操作与分析软件， 操作简单， 方便快捷。4 影响测量结果准确性的因素在粒度分析技术中， 仪器选择、 样品分散、 测量参数的设置等一系列因素是确
9、保粒度数据准确性的前提。为了获得准确的测量结果， 需要注意以下几个方面。4.1 仪器选择样品进行测量分析前， 要对待测样品进行适当的分析， 包括待测样品的粒度范围、 分散溶剂以及样品前处理等。了解仪器的原理， 原理不同， 采集的信息点就不同， 获得的数据就不同。确定测量上、 下限，因为仪器量程的中段精度最高， 所以粒度分布最好选择在量程的中段。动态光散射激光粒度仪的测量范围主要在亚微米和纳米级， 获得的数据是平均粒径， 据此选择合适的测量仪器。4.2 颗粒分散当选择好合适的粒度仪之后， 样品的分散问题4是影响获得准确粒度数据的重要因素， 大多数分析失败都是因为样品不能均匀分散在介质中， 或者团
10、聚或者溶解于介质中， 最适宜的溶剂能够使颗粒分散而不分离。常用的主要分散介质有： 水和乙醇。但是有的样品密度小， 容易成球并附在水面上， 极难分散均匀； 有的样品表面改性后， 表面变得更亲油或者亲水， 也难以均匀分散在介质中， 因而测定结果可能产生比较大的偏差， 那么我们如何使样品更好的分散在介质中呢？(1)依据颗粒的性质， 选择合适的分散介质， 分散介质要干净， 如果含有杂质颗粒， 在激光照射下产生弱散射光， 这些噪声信号会影响测量结果的准确性。(2) 适量加入分散剂， 常用的分散剂有： 六偏磷酸钠、 焦磷酸钠、 氯化钠等。加入后有助于水合作用，能使颗粒保持良好的分散状态。(3) 超声分散5
11、： 可以将配置好的样品超声以期得到更好的分散的状态， 超声时间的长短和超声机功率的不同均会影响分散效果。(4)摇动、 搅拌和研磨等其它分散技术： 有些颗粒比较小， 容易团聚， 要把它们分散成单个颗粒就必须刘春静 等 ： 动态光散射激光粒度仪的特点及其应用Modern Scientific Instruments162 No.6 Dec. 2011施加外力。4.3 实验环境放置仪器的实验室温度范围为 15 30， 温度和湿度的波动应尽量小。空气中的灰尘应当少。另外， 仪器尽量避免阳光直射。4.4 参数设置当样品处理好之后， 设置正确的测量参数成为获得较好数据的关键问题。比如针孔大小， 样品粒径太
12、小并且浓度太低的话， 我们就可以将针孔设置为 100 微米， 以获得足够的散射强度。还有粉尘上、下限的设置等都可能影响测量结果。4.5 不同条件处理样品对测试结果的影响4.5.1 不同分散剂对测试结果的影响用乙醇体系分散聚合苯乙烯得到聚苯乙烯6，干燥成粉末之后分别分散于水和乙醇中， 用 DelsaTMNano C 仪器测量颗粒大小。由于乙醇体系制出的聚苯乙烯不能很好的分散在水中， 致使测量结果偏大， 分布范围广， 如图1所示； 图 2 是采用乙醇作为分散剂的测量结果， 可以看出分散效果好， 颗粒尺寸分布比较集中， 且测量结果也是正确的。4.5.2 超声对测试结果的影响将氧化镍 - 乙醇体系置超
13、声机中超声 30 min，以不超声的体系作为对照， 采用 DelsaTMNano C 仪器测量氧化镍颗粒大小。由于氧化镍在乙醇中的分散不是很好， 有团聚现象产生， 导致测量结果不准确， 分布呈多峰现象，如图3所示； 而经过超声的氧化镍-乙醇体系的测量结果如图4所示， 可以看出此时测得的粒子分布图 1 分散于水中的聚苯乙烯颗粒测量结果图 2 分散于乙醇中的聚苯乙烯颗粒测量结果图 3 未经过超声处理的氧化镍颗粒测量结果比较集中， 分散效果明显好于未经过超声处理的。由此可见， 采取上述措施， 可以较好的避免错误数据的产生， 提高测量精度， 在样品测试和仪器利用上面具有重要的参考价值。图 4 经过超声
14、处理的氧化镍颗粒测量结果163第6期2011年12月5 DelsaTMNano C 动态光散射激光粒度仪在科研中的应用纳米颗粒或者超微颗粒由于具有光、 磁、 电和催化等性质而被广泛应用于催化、 光吸收、 滤光、 医药、环境、 航天、 化工以及新材料等领域7。由于颗粒尺寸直接影响着其应用， 因此纳米颗粒或者超微颗粒的粒径测量是纳米技术得以快速发展的基础和重点。静态光散射法对纳米、 超微米颗粒的测量具有很大的局限性， 而动态光散射法尤其是光子相关光谱法对纳米、 超微米颗粒样品的粒度分析较为准确，可以获得精确的粒径分布8。所以基于动态光散射原理的激光粒度仪 DelsaTMNano C 应用范围广，
15、为各领域以及新材料研究、 生产提供先进的、 多用途的分析工具。参考文献1 王书运纳米颗粒的测量与表征 J微纳电子技术， 2005， 1：37-412 刘佳欣国内外激光粒度仪之间的博弈 J中国粉体工业，2010， 53 陈超雄， 杨冠玲光子相关光谱法纳米颗粒测定的准确性问题J. 中国粉体工业， 2009， 14 Kippas PSystematic method development for laser dif-fraction particle sizingJAmerican Laboratory， 2004， 365 刘桂华， 张玉敏激光粒度仪分析中粉体分散方法的研究 J兵器材料科学与工程
16、， 2002,5： 256 华丽， 张洪权单分散聚合法制备聚苯乙烯微球 J湖北第二师范学院学报， 2011， 2： 24-287 张立德， 牟季美纳米材料和纳米结构 M北京： 科学出版社，20018 Benjamin C，Tianbo LCharacterization of nanoparticles by scattering techniquesJJ Nanoparticle Research， 2000，2： 30-41刘春静 等 ： 动态光散射激光粒度仪的特点及其应用现代科学仪器精装合订本征订启事现代科学仪器编辑部尚存有数量不多的精装合订本， 欢迎各单位图书部门和读者收藏， 欲购从速
17、。本刊为双月刊 （97 年及以前为季刊） ， 大16开本， 精装本， 季刊每本含全年 4 册， 约 300 多页， 80 万字。双月刊为6册， 1998-2004 年合订本各为 500 余项， 约 120 万字。2005 年 -2011 年合订本各为 800 余项， 约 200 万字。定价： 1994 年， 每本人民币 100 元。1995 年、 1996 年、 1997 年每本人民币 90 元。1998 年、 1999 年每本人民币 100 元。2000 年 -2004 年每本人民币 120 元 （含 2000 年增刊“原子吸收三十周年纪念专集” ） 。2005 年 -2011 年每本人民币 150 元。欲购者请将款汇至：北京市海淀区西三环北路 27 号理化实验楼 512 室收款人： 现代科学仪器编辑部邮 编： 100089开户银行： 交通银行北京万柳支行 户 名： 北京华夏大成科学仪器技术有限公司 账 号： 110060871012015013955银行汇款或邮汇， 务请祥告购者姓名、 单位、 地址、 邮编， 以便于邮寄合订本。
