光散射技术最新进展及其在纳米领域应用
光散射原理及其应用
光散射原理及其应用光散射是指入射光束与材料内部的微粒或界面相互作用，使得光束的传播方向发生改变而发散的现象。
光散射现象不仅存在于材料中，也存在于空气中的微粒或气体等介质中。
光散射原理是物理学中的基本原理之一，对于材料的研究以及光学仪器的设计和开发具有重要意义。
光散射的原理可以用经典物理学的散射理论进行描述。
根据这个理论，当光束经过材料或介质时，会与介质中的微粒或分子发生相互作用。
根据散射理论，微粒或分子的尺寸越大，散射角度越大。
在材料中，散射角度的大小与材料的粒径和介质的折射率有关。
光散射是通过散射角度的测量来表征的。
根据散射角度的大小和散射光的强度，可以得到材料的散射特性。
光散射的强度与材料的光学特性、微粒尺寸以及光束的波长等因素有关。
通过测量光散射的强度和角度的变化，可以获得材料的粒径分布、介质的折射率、表面的粗糙度等信息。
光散射的应用非常广泛。
在物理学研究中，光散射可以用来研究材料的结构、形态和动力学。
通过测量材料的散射光谱，可以获得材料的分子结构、相变过程、物质的流体动力学等信息。
光散射还可以用来研究生物体的结构和形态。
通过测量生物体的散射光谱，可以了解生物体的分子组成、结构和组织的形态。
光散射在纳米科学和纳米技术中也有广泛的应用。
纳米粒子的尺寸通常与可见光波长相当，因此纳米粒子对光的散射非常明显。
通过测量纳米粒子的光散射特性，可以精确地测量纳米粒子的尺寸和形态。
这对于纳米科学研究和纳米技术应用非常重要，例如纳米颗粒的制备和表征、纳米材料的光学性质研究等。
此外，光散射还被广泛应用于医学诊断和生命科学研究中。
通过测量生物组织或细胞的光散射光谱，可以获得生物组织的成分、结构和形态等信息。
光散射技术在癌症早期诊断、生物组织工程和药物递送等领域都具有重要的应用价值。
综上所述，光散射原理是通过测量光散射角度和强度来研究材料特性的一种重要方法。
光散射技术在物理学、化学、生物学等学科和技术领域都有广泛的应用。
物理光学中的散射现象及其应用
物理光学中的散射现象及其应用光学是研究光的传播、反射、折射和干涉等现象的科学。
在物理光学中，散射现象是一个重要的研究领域。
散射是指光在遇到介质界面或颗粒时，发生方向的改变而传播的现象。
散射现象在自然界和工程领域中都有广泛的应用。
散射现象的基本原理是光与物质的相互作用。
当光线遇到物体表面时，一部分光线被吸收，一部分光线被反射，还有一部分光线被散射。
散射可以分为弹性散射和非弹性散射两种类型。
弹性散射是指光与物体表面或介质内部的微小结构相互作用后，光的能量和频率保持不变。
非弹性散射则是指光与物体相互作用后，光的能量和频率发生改变。
散射现象在自然界中随处可见。
例如，太阳光照射到大气中的气溶胶颗粒上，就会发生散射现象，使得天空呈现出蔚蓝色。
这是因为气溶胶颗粒对蓝光的散射比对其他波长的光更强烈。
此外，散射现象还在大气中形成了彩虹、晕等自然景观。
在工程领域中，散射现象也有着广泛的应用。
例如，散射现象在光通信中起着重要的作用。
光纤通信系统中，光信号通过光纤传输时会发生散射现象，这会导致信号衰减和传输损耗。
因此，了解和控制散射现象对于提高光通信系统的传输性能至关重要。
此外，散射现象还在医学成像中得到了广泛应用。
例如，超声散射成像是一种常用的医学成像技术。
在超声散射成像中，超声波通过人体组织时会发生散射现象，通过测量散射信号的强度和方向，可以获取人体组织的结构和性质信息。
散射现象还在材料科学和纳米技术中发挥着重要作用。
纳米颗粒的尺寸和形状对其散射特性有着显著影响。
通过精确控制纳米颗粒的尺寸和形状，可以实现对散射光的调控，从而实现对光学性能的调整。
这对于制备高效的光学器件和传感器具有重要意义。
总结起来，物理光学中的散射现象是一个重要的研究领域，具有广泛的应用价值。
了解和控制散射现象对于改善光通信、医学成像和材料科学等领域的技术和应用具有重要意义。
随着科学技术的不断发展，对散射现象的研究和应用将会进一步深入，为人类带来更多的科技创新和发展。
DLS的分析原理及应用
DLS的分析原理及应用1. 分析原理动态光散射(Dynamic Light Scattering，简称DLS) 是一种基于光性质的粒子分析技术，用于测量分散液中粒子的大小和浓度。
DLS基于布朗运动理论，通过分析粒子在溶液中的热动性质，可以获得粒子的尺寸分布和大小。
DLS的原理是利用激光照射样品溶液中的粒子，观察粒子在热运动中产生的光散射。
当粒子的尺寸与激光波长相当或更小的时候，会产生明显的光散射效应。
通过分析光散射的强度和时间相关性，可以获得粒子的尺寸分布和浓度信息。
2. 应用领域DLS技术在多个领域有着广泛的应用。
下面列举了一些主要的应用领域：2.1 生物医学研究•蛋白质和类似物的尺寸测量: DLS可以用于测量蛋白质、抗体、病毒等生物大分子的尺寸分布，用于质量控制和研究。
•纳米药物传输和释放: DLS可以用于纳米药物的尺寸和聚集状态的分析，评估药物的稳定性和释放行为。
•细胞分析: DLS可以用于测量细胞的大小和表面电荷，进而了解其健康状态和变化。
2.2 材料科学•纳米颗粒尺寸测量: DLS可以用于测量纳米颗粒的尺寸分布，帮助研究人员了解材料的物理性质和裂变过程。
•胶体稳定性研究: DLS可以用于评估胶体溶液的稳定性，帮助优化材料的制备过程和应用性能。
2.3 环境科学•水质监测: DLS可以用于检测水中微小颗粒的浓度和尺寸变化，帮助评估水质的净化效果和环境污染程度。
•土壤污染研究: DLS可以用于测量土壤中的颗粒物的尺寸分布，帮助研究土壤的污染程度和潜在风险。
3. DLS技术的优势和局限性3.1 优势•非接触式测量: DLS技术不需要样品制备和处理，可以直接在原始样品中进行测量，避免了样品制备过程中的可能影响。
•快速测量: DLS技术可以在短时间内获得大量的尺寸和浓度信息，提高了实验效率。
•高灵敏度: DLS技术可以检测到纳米级别的颗粒，并且对于浓度低的样品也具有较高的灵敏度。
3.2 局限性•尺寸范围局限: DLS技术适用于尺寸范围在纳米到亚微米级别的粒子分析，对于更大尺寸的粒子不适用。
动态光散射技术在物理学研究中的应用
动态光散射技术在物理学研究中的应用动态光散射技术是一种基于光学的测量方法，可以用于许多物理学领域的研究，例如液体和固体的相变行为，胶体和生物体系的动态行为等。
本文将介绍动态光散射技术的基本原理，以及它在相关领域的应用。
动态光散射技术的基本原理动态光散射技术是一种基于激光或白光照射样品，测量散射光强度和时间间隔的技术。
当光线照射在样品表面，会被样品的微小颗粒或分子所散射，形成一个散射光强度分布图案。
散射光的特性可以从散射强度分布图案中被测量出来，例如粒径的大小，相对散射强度，和时间间隔等。
动态光散射技术可分为两类：单点探测和多点探测。
单点探测是通过一次散射的光线来测量粒子的运动速度和动态行为。
多点探测可以通过两个或多个探测器来获得更详细的散射光分布，如几何构型和细节形状。
动态光散射技术在生物体系研究中的应用动态光散射技术在生物体系研究中有广泛的应用，可以用于分析稀溶液中的生物大分子的动态行为，例如蛋白质的折叠和解离过程，聚合物的聚合过程等。
此外，动态光散射技术也可以帮助研究生物体系中的药物递送系统，例如纳米颗粒基的药物递送系统。
动态光散射技术可以使用不同的激光或白光源，例如激光光源、LED 光源或钨灯光源等。
这些不同的光源可以提供不同颜色的光。
对于生物体系研究，通常使用长波长的光源，因为生物分子和细胞通常在这种光下具有较高的透明度，从而可以更好地测量样品中大分子的散射强度。
动态光散射技术在物理学领域中的应用动态光散射技术在物理学领域中也有广泛的应用，例如研究相变行为、玻璃态转变等。
通过动态光散射技术，可以测量物质中小分子的相对运动速度，从而研究物质的动态行为。
此外，动态光散射技术还可以应用于流变学的研究，例如测量流体的黏度和颗粒的分散状态等。
动态光散射技术可以与其他测量技术结合起来使用，例如傅里叶转换红外光谱、核磁共振等，以提高对样品中组分的识别能力。
结论动态光散射技术是物理学研究中的一种重要测量方法，可以应用于不同领域的研究。
光谱分析在纳米材料研究和应用中的应用
光谱分析在纳米材料研究和应用中的应用光谱分析技术是一种基于光与物质相互作用的分析方法，通过研究光的吸收、散射、发射等性质，可以获取物质的结构、组成、性质等信息。
在纳米材料研究和应用中，光谱分析技术具有很大的潜力和应用价值。
本文将介绍光谱分析在纳米材料研究和应用中的应用。
一、红外光谱在纳米材料研究中的应用红外光谱是一种常用的光谱分析技术，可以用于研究纳米材料的结构和化学组成。
纳米材料具有尺寸效应，其表面和界面的原子结构与体相材料存在明显区别。
红外光谱可以通过红外吸收峰的位置、强度和形状来分析纳米材料的表面结构和界面状态。
例如，红外光谱可以用于研究纳米颗粒表面的化学修饰，纳米薄膜的结构以及纳米结构与基底之间的相互作用等。
二、紫外-可见光谱在纳米材料研究中的应用紫外-可见光谱是一种广泛应用于纳米材料研究的光谱分析技术。
纳米材料常常展现出与宏观材料不同的光学性质，如量子尺寸效应、表面增强效应等。
通过紫外-可见光谱可以探究纳米材料的带隙特性、吸收、发射和散射行为等。
此外，还可以通过与其他光谱技术结合，如拉曼光谱、荧光光谱等，对纳米材料进行表征和分析。
三、拉曼光谱在纳米材料研究中的应用拉曼光谱是一种非常有价值的光谱分析技术，可以用于纳米材料的结构分析和化学成分的定量测量。
由于纳米材料的尺寸效应和局域表面等效应，拉曼光谱可以提供关于纳米结构的详细信息，揭示出纳米材料的表面状态、缺陷、晶体结构以及分子振动等。
通过拉曼光谱的分析，能够对纳米材料的的合成工艺、晶格缺陷和杂质进行研究，为纳米材料的制备与应用提供有力支持。
四、X射线光谱在纳米材料研究中的应用X射线光谱是一种广泛应用于纳米材料研究的分析手段，包括X射线衍射和X射线光电子能谱等技术。
X射线衍射可以用于分析纳米材料的晶体结构、晶粒尺寸和相变行为等。
通过采用适当的模型来分析X射线衍射的峰形和位置，可以得到纳米晶体的晶粒尺寸和晶体结构信息。
而X射线光电子能谱可以提供关于纳米材料的表面化学组成和电子状态等信息，有助于揭示纳米材料的电子结构和表面改性等。
光散射测量技术在纳米颗粒表征中的应用
光散射测量技术在纳米颗粒表征中的应用第一章：引言随着科技的不断发展，纳米颗粒的应用范围不断扩大。
例如，纳米颗粒已广泛应用于医疗、生物和材料领域，如纳米药物、纳米传感器和纳米复合材料等。
了解纳米颗粒的物理特性对于其应用和环境风险评估至关重要。
光散射技术是一种非常有用的技术，用于测量纳米颗粒的大小、形状和分布等特性参数。
在纳米颗粒表征中，光散射技术的应用被广泛接受，并且被认为是确保纳米颗粒稳定性和安全性的必要技术。
本文将介绍纳米颗粒表征中光散射技术的应用。
本文将首先描述纳米颗粒的基本物理特性，并说明如何应用光散射技术来测量这些物理特性。
其次，本文将介绍纳米颗粒的光学特性以及如何在光散射测量中考虑这些特性。
最后，本文将介绍纳米颗粒表征中的其他一些技术，并说明它们与光散射技术的差异。
第二章：纳米颗粒纳米颗粒是指粒径小于100纳米的颗粒。
纳米颗粒与宏观颗粒相比，具有特殊的物理、化学和生物学特性。
纳米颗粒的物理特性由其尺寸、形状和表面化学性质等因素决定。
这些特性对其应用和环境影响产生重要影响。
纳米颗粒的尺寸通常表现为粒径分布。
其中一个常用的尺寸参数是平均粒径（d），可以用各种技术测量。
当纳米颗粒形状不规则时，还需要衡量非球形因子来描述它们的形状。
此外，纳米颗粒的表面化学性质也很重要，这通常由表面化学团分布和表面电荷密度等因素决定。
第三章：光散射技术的基础知识光散射技术是用来测量微粒尺寸、浓度、分布、形状和表面电势等物理参数的有效手段之一。
光散射技术基于微粒散射光线的行为，利用传感器来测量光线的变化。
光散射现象由光子与微粒子发生相互作用引起。
微粒对入射光的散射呈现一定分布。
通常，大颗粒的散射角度小、小颗粒的散射角度大。
光散射现象可以产生多种信号，包括前向散射、侧向散射和背向散射。
其中，前向散射通常被认为是测量微粒的最佳信号。
对微粒进行光散射测量，可以获得多个物理参数，包括平均粒径、粒径分布、微观结构和形状等。
动态光散射实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的本实验旨在利用动态光散射（Dynamic Light Scattering，DLS）技术测量溶液中纳米颗粒的粒径分布，并分析其粒度特性。
二、实验原理动态光散射技术是一种非侵入性、实时监测溶液中颗粒运动的技术。
当一束激光照射到溶液中的颗粒时，颗粒会散射激光，散射光强随时间的变化与颗粒的粒径和布朗运动有关。
通过分析散射光强的时间自相关函数，可以计算出颗粒的粒径分布。
三、实验仪器与材料1. 仪器：- 动态光散射仪（例如：Nicomp 380）- 激光器（例如：633nm He-Ne激光器）- 光电倍增管- 数字相关器- 数据采集卡- 计算机2. 材料：- 纳米颗粒溶液（例如：聚苯乙烯胶乳）- 纯净水- 容量瓶- 移液器四、实验步骤1. 将纳米颗粒溶液稀释至适当浓度，用移液器移取一定体积的溶液至容量瓶中。
2. 将容量瓶置于动态光散射仪样品池中，确保样品池的温度稳定。
3. 打开动态光散射仪，设置激光波长、散射角度、测量时间等参数。
4. 启动动态光散射仪，记录散射光强随时间的变化数据。
5. 将数据导入计算机，进行自相关函数分析。
6. 利用自相关函数反演算法，计算颗粒的粒径分布。
五、实验结果与分析1. 实验测得的散射光强自相关函数如图1所示。
图1：散射光强自相关函数2. 通过自相关函数反演算法，得到颗粒的粒径分布如图2所示。
图2：颗粒粒径分布由图2可知，纳米颗粒的粒径分布主要集中在100-300nm范围内，平均粒径约为200nm。
六、实验讨论1. 实验结果表明，动态光散射技术可以有效地测量溶液中纳米颗粒的粒径分布，为纳米材料的研究提供了有力的工具。
2. 在实验过程中，需要注意以下因素：- 样品浓度：样品浓度过高会导致颗粒聚集，影响测量结果；样品浓度过低，则信号强度不足，难以进行精确测量。
- 温度：温度对颗粒的布朗运动有显著影响，实验过程中需确保样品池的温度稳定。
- 激光波长：不同波长的激光对颗粒的散射特性不同，选择合适的激光波长可以提高测量精度。
光学散射技术在材料研究中的应用
光学散射技术在材料研究中的应用光学散射技术在材料研究中的应用摘要：光学散射技术是一种非常重要的分析材料结构和性质的方法。
它可以通过测量光的散射模式和散射强度来研究材料的晶格结构、纳米尺度的相分布、晶体中缺陷和非晶态材料的结构等。
本文将介绍光学散射技术的原理和分类，以及在材料研究中的应用，并介绍了一些典型的研究案例。
1. 引言光学散射技术是一种利用光波与物质相互作用的现象，研究材料的结构和性质的方法。
它具有非常重要的意义，被广泛应用于材料科学、固体物理、化学、生物医学等领域。
光学散射技术可以提供关于材料的晶格、纳米结构、缺陷等信息，从而了解材料的物理性质。
2. 光学散射技术的原理和分类光学散射是指光波在遇到介质界面或材料中各种粒子时，由于折射、反射、散射、吸收等现象而改变传播方向和强度的现象。
光学散射可以分为弹性散射和非弹性散射。
2.1 弹性散射弹性散射是指散射光的能量和频率与入射光相同，没有能量损失。
常见的弹性散射技术包括X射线衍射（XRD）和中子散射（ND）。
2.2 非弹性散射非弹性散射是指散射光的能量和频率与入射光不同，有能量损失。
常见的非弹性散射技术包括Raman散射、光散射（SLS）、中子反射（NR）等。
3. 光学散射技术在材料研究中的应用光学散射技术在材料研究中有多种应用，本文将介绍其中几个主要的应用领域。
3.1 纳米材料研究纳米材料是目前材料研究的热点之一。
光学散射技术可以用来研究纳米材料的结构和性质。
通过测量纳米颗粒的散射强度和散射模式，可以了解纳米颗粒的大小、分布、形状等信息。
例如，使用小角散射（SAXS）技术可以研究纳米颗粒的大小分布和形状。
3.2 蛋白质结构研究光学散射技术在蛋白质结构研究中也有广泛的应用。
蛋白质是生物体中的重要分子，其结构和功能对生命活动具有重要作用。
通过测量蛋白质的散射强度和散射模式，可以研究蛋白质的分子结构和二级结构等信息。
例如，使用小角散射和小角中子散射（SANS）技术可以研究蛋白质的结构。
光的散射原理的应用
光的散射原理的应用1. 简介散射是光与物质相互作用后，沿着非直线路径传播的现象。
光的散射原理广泛应用于科学研究、工程技术和日常生活中。
本文将介绍光的散射原理及其应用。
2. 光的散射原理光的散射是由于光与物质之间的相互作用引起的。
光在物体表面或介质中传播时，会与物体的分子或微粒发生碰撞，改变光的传播方向。
根据散射光的方向和波长，可以分为弹性散射和非弹性散射。
1.弹性散射：散射光的波长和入射光相同，只是方向发生改变。
弹性散射主要用于研究物质的结构和性质，如散射光谱分析。
2.非弹性散射：散射光的波长发生改变，由于光与物质发生相互作用而吸收和释放能量。
非弹性散射广泛应用于材料表征、成像技术和光学设备中。
3. 光的散射应用光的散射原理在许多领域中都有广泛的应用。
以下是几个应用的例子：1.智能交通：利用散射光进行车辆追踪和监测。
通过使用红外散射技术，可以在雨雾天气中检测到道路上的障碍物，提高车辆安全性。
2.手机屏幕：利用散射技术在手机屏幕上产生均匀的光亮效果，提供更好的视觉体验。
3.医学成像：利用非弹性散射来实现生物组织的成像。
例如，散射光断层扫描技术可用于皮肤癌的早期检测和诊断。
4.光纤通信：利用光的散射现象来传输和扩散光信号。
光纤通信是现代通信技术中最重要的组成部分之一。
5.环境监测：利用散射光进行大气污染和水质监测。
通过分析散射光的特征，可以确定空气中的颗粒物和水中的溶解物质浓度。
4. 总结光的散射原理是光学研究和应用中的一个重要概念。
通过理解和应用散射原理，我们可以在各个领域中使用光的散射来实现不同的功能和应用。
从智能交通到医学成像，再到环境监测，光的散射在现代科学和技术中发挥着重要的作用。
纳米光子学领域的研究进展及应用前景
纳米光子学领域的研究进展及应用前景近年来，纳米光子学领域得到了越来越多的关注。
随着人们对光子学的认识逐步加深，纳米级别的光子学研究也得到进一步发展。
本文将概述纳米光子学领域的研究进展及应用前景。
一、研究进展在纳米光子学领域，核心问题之一是如何在纳米尺度下控制光的传播和操纵。
因此，科学家们不断开发新材料、结构和技术，以实现对光的高精度控制。
首先，对于纳米结构材料的研究，人们提出了具有多种功能的“纳米金属光子学”材料，通过对这些材料进行表面增强拉曼散射（SERS）、表面等离子体共振（SPR）、纳米光电效应等研究，不仅在化学分析、催化反应、环境监测等领域取得了稀有的成果，还为人们理解光与物质相互作用的基本机制提供了重要的实验平台。
同时，近来新型纳米材料也成为了研究点。
例如，刚刚从实验室中走向市场的“太阳能吸收剂”——钙钛矿材料具有很强的吸收和转换光能力，可广泛应用于太阳能电池、透镜和光学器件中。
此外，人们还通过纳米结构和量子点等材料的制备和修饰，实现了光子晶体、介质光子晶体、单光子源、纳米激光和以太赛电路等应用。
其次，纳米光子学领域的一个重要研究方向是纳米光学测量和纳米光学显微镜。
目前，课题组在建立同步X射线脉冲和激光精确定位新技术、开发同步脉冲束线小角X射线散射显微镜等方法，已经实现了对晶体的高解析快速成像，为传统TEM、STEM等技术的互补提供了可能。
同时，新型超分辨显微镜系统和相关算法、智能化光弹模拟方法的应用提高了精度、稳定性和效率。
最后，对于纳米光子学领域的研究，近年来人工智能也开始在其中发挥巨大的作用。
通过将机器学习算法与光学领域相结合，科学家们可以实现对图像、数据和信号处理的自动化分析，为研究提供更准确、高效的方法和手段。
二、应用前景纳米光子学研究不仅在基础研究领域中发挥着至关重要的作用，而且在未来发展中也有着广泛的应用前景。
首先，纳米光子学对于宽波段太阳能电池、高效绿色光源、高效LED照明器件和激光器等领域都有着很大的应用潜力。
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Contents
动态光散射
测量原理 由相关曲线得到粒径信息 – 数据分析 样品要求及制备
静态光散射 与色谱连接flow-mode Zeta 电位/表面电位 应用
表面电荷的起源
大部分存在于水体系中的胶体颗粒携带电荷 关于表面电荷的产生，有很多种原因，依赖于粒 子的表面性质和周围的媒体
表面基团离子化 有失去或者得到离子的趋势 带电物质吸附在粒子表面
Rotational rheology DLS Microrheology
Contents
动态光散射
测量原理 由相关曲线得到粒径信息 – 数据分析 样品要求及制备
静态光散射 与色谱连接flow-mode Zeta 电位/表面电位 温度趋势 应用
静态光散射 Static light scattering (SLS)
光强，体积和数量分布: 例子
60nm 和 220nm 聚苯乙烯乳液标样1:1 体积混合 z-均直径 = 168nm PDI = 0.215
Peak 1 Mean (nm) Intensity Volume Number 231 232 184 % 86.3 50.3 2.6
Peak 2 Mean (nm) 65.8 61.8 58.2 % 13.7 49.7 97.4
动态光散射
0.9 0.8 0.7
Correlation Coefficient
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.1
10
1000 Time (祍 )
100000
10000000
1000000000
由相关曲线得到粒径信息 : 数据分析
光强波动，相关函数和粒径分布
Intensity (kcps)
Contents
动态光散射
测量原理 由相关曲线得到粒径信息 – 数据分析 样品要求及制备
静态光散射 与色谱连接flow-mode Zeta 电位/表面电位 温度趋势 Zeta Nano ZS的应用
与液相色谱联合使用
更高的分辨率，更详细准确的分布信息 将液相色谱分离技术（SEC/GPC）和光散射 技术(DLS)检测技术相结合，从而测量体系中 不同成分的绝对尺寸和绝对分子量
Stern layer
Diffuse layer
Surface potential Stern potential
影响Zeta电位的因素
影响Zeta电位的因素有： pH变化, 电导率 (浓度，盐的类型) 组成成分浓度的变化 (如高分子， 表面活性剂)
-100 -
{
Zeta potential
溶剂
1
2
3
4
样品制备
所有使用的玻璃容器，吸液管，样品池，溶剂，均应 无尘 用过滤膜过滤所有的溶剂，分散剂 (e.g. Whatman Anotop 20nm pore size filters)
分子量测定应用实例 (Lysozyme in PBS)
1/截距 = 14.6KDa
斜率 = -3.23 x 10-4
光散射技术最新进展及其在纳米领域应用
宁辉 Malvern Instrument
马尔文仪器产品
随着公司发展， 马尔文仪器不断推出创新技术和杰出的检测系统。目前马尔文公司产品覆盖颗粒粒度表征，颗粒和表面电位表征，颗 粒形貌表征，大分子分子量及其分布表征，流体行为表征等等领域。主要产品包括： • Zetasizer Nano系列纳米粒度/zeta电位仪 （动/静态光散射、电泳光散射） • Mastersizer系列激光粒度仪 （激光衍射法） • Viscotek 多检测器凝胶渗透色谱GPC/SEC • Viscotek DSV 毛细管电子相对粘度计 • Kinexus、Bolin系列 旋转、毛细管流变仪 • G3、FIPA（干/湿法图像分析仪）
G q2 D
由z-均 扩散系数得到z-均直径
k BT D 3 d (h)
2 / G 为分布系数PD.I
2
分布系数 （PD.I）
分布系数值 < 0.05 < 0.08 0.08 - 0.7 注解
单分散体系，如一些乳液的标样。 近单分散体系，但动态光散射只能用一个单指数 衰减的方法来分析，不能提供更高的分辨率。 适中分散度的体系。运算法则的最佳适用范围。
Zetasizer 的应用
药物释放 DNA / 基因疗法 量子点 纳米银颗粒
生物/药物
诊断
纳米技术
疫苗
蛋白质特性
纳米钻石
多糖 色素/油漆
应用
陶瓷 表面活性剂
高分子
涂层
高分子溶液 炭化分散体系 油墨
化学工业
微乳液 二氧化硅分散体系
Contents
动态光散射
测量原理 由相关曲线得到粒径信息 – 数据分析 样品要求及制备
光强, 体积和数量分布 - 米式理论，输入颗粒的折光指数和吸收率
数量分布
Mie theory
体积分布
Mie theory
光强分布
(Rayleigh Theory)
设想一个由相等数量的 5 nm 和 50nm 球型粒子组成的混合物
N1:N2
Relative % in class
N1*3/4πr13 : N2*3/4πr23 N1V1:N2V2
• 流动模式动/静态光散射
Zetasizer μV
• 绝对分子量及其分布 • 颗粒大小及其分布
Zetasizer Nano
• 流动模式动态光散射 • 颗粒大小及其分布
Flow-mode和SEC/GFC连用作为动静态光 散射检测器
• 无需色谱柱校准 • 安装简单，只需添加到采用 浓度检测器的色谱系统，如UV或 RI，即可 • 通过大小和绝对分子量确定流出组分 • 稳定的激光和光学装置意味着 优异的基线稳定性和信噪比，以 及最高灵敏度 • 8 μL 流动池体积最大限度地减少样品扩散效应 • 保存每一个时间点相关函数
F1
散射光与入射光有相 同频率
粒子速度 V>0
F1
F1
v
散射光频率高于入射光
F2
光强的波动是怎样被引发的?
参考光 F1 和散射光 F2 F1
g1 G G exp G dG
0
这里g1(t)是相关曲线中所有指数衰减的总和
累积距法
ISO13321 阐述用三次方多项式拟和相关方程
ln g1 ln A Gt 2 / 2!t 3 / 3!t
2
3
这里 t 是衰减时间
G 与z-均 扩散系数相关
原理
• 将示踪粒子加入到想要研究的 体系中，如蛋白或者高分子稀 溶液 • 悬浮在溶液系统中的颗粒通过 热能交换kbT作无规运动。 • 颗粒的运动方式受到周围环境 的流变性质所决定。 • 检测颗粒的运动就可以得到流 变的信息。
DLS 微流变 – 和旋转流变仪功能互补
检测 PEO 稀溶液
检测范围和旋转流变仪有交叉的部分 扩展粘弹性谱图的频率测试范围 可以检测高频数据
> 0.7
尺寸分布非常宽的体系，很可能不适合光散射的 方法分析。
多指数分析模型对于分布的分析
g1 G Gi exp Gi dG
0
得到多组 和其
粒径 Gi → Di 相对强度 G (Gi)
general purpose 算法适用于大部分分布状况未知的样品 multiple narrow mode 算法适用于已知的分布状况不连续的样品 CONTIN and Discrete exponential
mV 0
Distance from particle surface
Zetasizer Nano是如何测量zeta电位的?
样品的散射光和参考光源 相干产生调制信号 频率分析得出粒子电泳运 动速度 Zeta电位由Henry 方程换 算而得
用激光多普勒电泳测量Zeta电位 - 相位分析光散射技术
粒子速度 V=0
颗粒运动速度， 即扩散系数D （cm2/s）
Time (s)
动态光散射
动态光散射技术检测 光强随时间的波 动性行为 从而计算出颗粒的扩散速度 (D), 并通过 Stokes-Einstein 方程得到 颗粒的 流体力学直径/半径 (DH)
D=
kT 3DH
k = Boltzmann’s constant, T = absolute temperature, = viscosity
维持系统稳定性: 静电排斥作用
高 电位
颗粒间相互排斥力高 样品稳定
低 或者 零 电位
絮凝、团聚、沉淀 不稳定样品
Zeta电位(Zeta Potential) 什么是Zeta电位?
Slipping plane Particle with negative surface charge Zeta电位同时依赖于粒子表面和 分散剂的化学性质 对于静电力稳定的分散体系，通 常是Zeta电位越高，体系越稳定 体系稳定与否通常以Zeta电位是 否大于 30mV为标准
Small Particles
Correlate
Apply Algorithm
Time (s)
Intensity (kcps)
Large Particles
Correlate
Apply Algorithm
Time (s)
相关曲线
对于单分散体系
g1 exp Gt
这里: G = Dq2 为衰减率 D 为扩散系数 q = (4 n / lo) sin (q/2) 为散射矢量 n 为折光指数 lo 为照射光波长 q 为散射角度
Mixtures
NO
静态光散射