动态光散射
动态光散射原理
动态光散射原理动态光散射原理是指在光学系统中，当光线通过介质或者物体表面时，由于介质的不均匀性或者物体表面的粗糙度，导致光线的散射现象。
这种散射并非静态不变的，而是随着时间的推移而发生变化，因此被称为动态光散射。
动态光散射原理在许多领域都有着重要的应用，特别是在光通信、遥感、医学成像等方面。
在光通信中，由于大气的湍流扰动和其他环境因素的影响，光信号在传输过程中会发生动态光散射，从而影响信号的传输质量和稳定性。
在遥感领域，动态光散射的特性可以被用来获取地表的粗糙度信息，进而实现地表的三维重建和形态分析。
在医学成像中，动态光散射也可以被用来观察生物组织的微观结构和变化，为疾病诊断和治疗提供重要依据。
动态光散射的原理可以通过光学理论和统计学方法来解释。
光学理论认为，动态光散射是由于介质或者物体表面的微小不均匀性导致入射光线在不同方向上发生反射、折射和散射，从而形成了在空间中呈现出随机性和动态性的光场。
统计学方法则从概率和随机过程的角度来分析动态光散射现象，通过对光场的统计特性和时间演化规律进行研究，揭示了动态光散射的统计规律和动力学行为。
在实际应用中，我们可以利用动态光散射原理来设计和优化光学系统，改善光信号的传输质量和稳定性。
例如，通过对动态光散射的特性进行建模和仿真，可以帮助我们更好地理解光信号在复杂环境中的传输规律，从而指导光通信系统的设计和优化。
同时，动态光散射原理也为遥感和医学成像领域提供了重要的技术手段，可以实现对地表和生物组织的高精度观测和成像。
总之，动态光散射原理是光学系统中一个重要的现象，它不仅具有理论上的重要性，还有着广泛的应用前景。
通过对动态光散射的深入研究和应用，我们可以更好地理解和利用光场的统计特性，从而推动光学技术的发展和应用。
希望未来能有更多的科研工作者和工程师投入到动态光散射领域的研究和应用中，为光学技术的发展贡献自己的力量。
动态光散射分析(DLS)
动态光散射分析（DLS）动态光散射（Dynamic light scattering, DLS），也称光子相关光谱法（photon correlation spectroscopy, PCS）或准弹性光散射（quasi-elastic light scattering, QELS），是用于确定溶液样品中悬浮体或聚合物中颗粒尺寸和半径分布最常用的分析方法之一。
在DLS的范围内，通常通过强度或光子自相关函数（ACF）分析时间波动。
单色光束（例如激光）照射到含有以布朗运动形式移动的球形粒子的测试溶液中，当光击中移动的粒子时会引起多普勒频移，从而改变原始光的波长。
这一改变，与粒子的尺寸有关。
通过ACF测量颗粒在被测介质中的扩散系数，可以计算出球体的尺寸分布并详细描述颗粒在被测介质中的运动。
同时，DLS还可用于探测复杂流体的行为，如浓缩聚合物溶液。
基于动态光散射（DLS）的分析。
在实际应用中，DLS可用于确定各种颗粒的尺寸分布，包括蛋白质、聚合物、胶束、碳水化合物和纳米颗粒。
如果系统在尺寸上不分散，则可以确定颗粒的平均有效直径，因为测量不仅取决于颗粒的核心尺寸，还取决于表面结构的尺寸、粒子浓度和介质中离子的类型。
动态光散射（DLS）分析的优点。
1. 准确、可靠和可重复的粒度分析。
2. 样品制备简单，甚至无需样品制备就可以直接对天然样品进行分析。
3. 设置简单和全自动化测定。
4. 可测量小于1nm的尺寸。
5. 可测量分子量 <1000Da的分子。
6. 体积要求低。
动态光散射DLS分析可获得重要的参数，例如分子量、回转半径、平移扩散常数等。
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动态光散射
动态光散射原理-Dynamic Light Scattering (DLS)动态光散射(DLS)，也称光子相关光谱Photon Correlation Spectroscopy (PCS) ，准弹性光散射quasi-elastic scattering，测量光强的波动随时间的变化。
DLS技术测量粒子粒径，具有准确、快速、可重复性好等优点，已经成为纳米科技中比较常规的一种表征方法。
随着仪器的更新和数据处理技术的发展，现在的动态光散射仪器不仅具备测量粒径的功能，还具有测量Zeta电位等的能力。
因此，被广泛地应用于描述各种各样的微粒系统，包括合成聚合物(如乳液、PVC、等等),水包油、油包水型乳剂、囊泡、胶束、生物大分子、颜料、染料、二氧化硅、金属溶胶，陶瓷和无数其他胶体悬浮液和分散体。
美国PSS粒度仪Nicomp380系列，就是采用的这种检测原理。
动态光散射:扩散的影响经典的光散射测得的是平均时间散射光强度，认为散射强度与时间没有关系，实际上光散射强度是随时间波动的，这是由于检测点内不同的粒子发出的不同的光波相干叠加的或“重合”的结果，这个物理现象被称为“干涉”。
每个单独的散射波到达探测器时建立一个对应入射激光波的相位关系。
在光电倍增管检测器前方的一个狭缝处相互混合发生干涉。
光电倍增管检测器在一个特定的散射角(90度角的DLS模块)处测量净散射量。
光的衍射（Diffraction）：又称为绕射,波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象.衍射现象是波的特有现象,一切波都会发生衍射现象。
光的散射（Scattering）：光束通过不均匀媒质时,部分光束将偏离原来方向而分散传播,从侧向也可以看到光的现象,叫做光的散射.为了更好的理解粒子分散和散射强度中波动结果的相关性，我们假设只有两个悬浮粒子存在的简单情况。
如图2所示。
检测器(远离散射单元,针孔孔径) 所检测到的净强度是一个只有两个散射波叠加的结果。
在图2中,我们定义了两个光路长度、L1 = l1a + l1b 和 L2 = l2a + l2b。
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。
动态光散射测量粒径的原理
动态光散射测量粒径的原理动态光散射技术是一种常用的粒径测量方法，其原理是利用光的散射现象来估计被测粒子的尺寸分布。
它利用了散射光的强度与粒子尺寸的关系，通过测量散射光的强度来推断粒子的尺寸。
在动态光散射测量中，一个激光束被照射到封装着粒子的悬浮液中，粒子散射的光会在不同的角度范围内被收集。
根据洛伦兹—朗伯散射理论，散射光的强度与粒子的尺寸之间存在一定的关系。
当粒子直径比较小时，光被散射的方向主要为前向散射，即散射角度较小。
而当粒子直径较大时，光的散射主要发生在更大的散射角度范围内。
因此，通过测量不同散射角度范围内的光散射强度，可以推断出粒子的尺寸分布。
在具体测量中，光散射信号被接收器接收后会经过光电倍增管或光电二极管等转换成电信号，并经过放大、采样和处理等步骤后得到粒子的尺寸分布数据。
通常情况下，可以使用动态光散射衍射仪、多角度光散射仪或激光衍射颗粒分析仪等设备进行测量。
需要注意的是，动态光散射测量中存在一些假设，例如假设粒子是各向同性的球形物体，并且粒子之间是独立散射的。
在实际测量中，这些假设可能不完全成立，会对测量结果产生一定的影响。
因此，在进行实际测量时需要根据具体情况，选择合适的测量仪器和方法，并对测量结果进行合理的解释和分析。
动态光散射测量粒径的优点包括非接触测量、无需稀释样品、测量速度快等。
但同时也存在一些限制，例如对样品浓度、粒子形状和折射率等参数的要求较高，需要根据具体情况进行合理的选择和处理。
总之，动态光散射测量粒径的原理是利用散射光的强度与粒子尺寸的关系，通过测量不同散射角度范围内的光散射强度来推断粒子的尺寸分布。
这种测量方法在颗粒物测量、纳米材料研究等领域具有广泛的应用前景。
动态光散射原理
动态光散射原理
动态光散射是一种用于研究物质内部结构和特性的非常有效的光学技术。
它利用光在物质中的散射现象，通过观察被散射光的强度、方向和频谱等变化来推断物质的微观结构和宏观特性。
动态光散射的原理可以简单地描述为：当一个平面波光束照射到物质中时，光与介质中的粒子发生相互作用。
这种相互作用导致光的方向和频率的变化，从而被称为光的散射。
散射光的强度和方向分布可以通过散射光的角度分布函数来描述。
这个函数可以通过光束的传播路径、散射力学和散射粒子的数密度等因素来计算。
动态光散射常用于研究胶体、液体和固体材料中的微观结构。
通过测量散射光的强度和方向分布，可以获得这些材料中的粒子大小、分布和形状等信息，从而了解材料的物理性质和相互作用机制。
例如，在胶体领域，动态光散射可以用于研究胶体颗粒的聚集行为和胶体溶液中的相转变现象；在生物医学领域，它可以用于研究生物分子的自组装和细胞的组织结构等。
总之，动态光散射是一种重要的光学技术，通过分析光与物质相互作用所导致的散射现象，可以揭示物质的微观结构和宏观特性。
该技术在材料科学、生物医学和环境科学等领域具有广泛的应用前景。
动态光散射的特点
动态光散射（Dynamic Light Scattering，DLS）是一种用于测量微观尺度下颗粒或分子的尺寸和运动行为的技术。
以下是动态光散射的一些特点：
1. 尺寸测量：
- DLS主要用于测量颗粒或分子的尺寸范围在几纳米到几微米之间。
它对于测量颗粒的动态尺寸分布非常敏感。
2. 非侵入性：
- DLS是一种非侵入性的技术，即在测量过程中不需要对样品进行标记或处理。
这使得它适用于复杂的生物体系，如蛋白质溶液等。
3. 测量速度快：
- DLS测量速度相对较快，通常只需要几分钟至几小时不等，这使得它在实时监测颗粒或分子动态行为方面具有优势。
4. 适用于多成分体系：
- DLS可用于复杂的多成分溶液或悬浮液体系，对于混合体系的测量也具有较好的适用性。
5. 灵敏度高：
- DLS对于小尺寸的颗粒或分子非常敏感，可以检测到尺寸差异较小的颗粒，并提供高分辨率的尺寸分布数据。
6. 测量动态行为：
- 与静态光散射不同，DLS不仅可以提供颗粒的尺寸信息，还能测量颗粒的动态行为，如扩散系数、粘滞系数等，从而了解颗粒的运动特性。
7. 温度敏感性：
- DLS对温度敏感，温度的变化可能影响测量结果。
因此，在使用DLS时，需要控制好温度并在实验过程中考虑温度的影响。
8. 适用于溶液体系：
- DLS适用于液体体系，包括溶液中的颗粒或生物分子的测量。
对于颗粒测量而言，样品中的颗粒在液体中的运动对DLS的测量结果具有重要影响。
总体而言，动态光散射是一种灵活、高灵敏度的技术，适用于多种样品和研究领域，特别是在纳米和微米尺度的颗粒或分子的尺寸和动态行为研究中具有广泛应用。
动态光散射
动态光散射动态光散射 Dyn amic Light Scatteri ng （DLS）,也称光子相关光谱 Photo n Correlation Spectroscopy （PCS），准弹性光散射quasi-elastic scatteri ng ，测量光强的波动随时间的变化。
DLS技术测量粒子粒径，具有准确、快速、可重复性好等优点，已经成为纳米科技中比较常规的一种表征方法。
随着仪器的更新和数据处理技术的发展，现在的动态光散射仪器不仅具备测量粒径的功能，还具有测量Zeta电位、大分子的分子量等的能力。
（一）动态光散射的基本原理1. 粒子的布朗运动Brownian motion导致光强的波动微小粒子悬浮在液体中会无规则地运动布朗运动的速度依赖于粒子的大小和媒体粘度，粒子越小，媒体粘度越小，布朗运动越快。
2. 光信号与粒径的关系光通过胶体时，粒子会将光散射，在一定角度下可以检测到光信号，所检测到的信号是多个散射光子叠加后的结果，具有统计意义（见附件一）。
瞬间光强不是固定值，在某一平均值下波动，但波动振幅与粒子粒径有关（见附件二）。
某一时间的光强与另一时间的光强相比，在极短时间内，可以认识是相同的，我们可以认为相关度为1,在稍长时间后，光强相似度下降，时间无穷长时，光强完全与之前的不同，认为相关度为0 （此原理见附件三）。
根据光学理论可得出光强相关议程（见附件四）。
之前提到，正在做布朗运动的粒子速度，与粒径（粒子大小）相关（Stokes - Einstein方程）。
大颗粒运动缓慢，小粒子运动快速。
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。
类似地，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。
附件五显示了大颗粒和小粒子的相关关系函数。
可以看到，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。
最后通过光强波动变化和光强相关函数计算出粒径及其分布（见附件六）。
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0.1
0.0
-0.1 8
12
16 Volume (mL)
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传统SEC测定支化分子的分子量偏小
为什么传统SEC不能准确测定分子量？
33
___ Polystyrene standards ___ unknown polymer
一定的流体力学体积 具有相同的半径
___ Polystyrene standards 光散射法证明了不同 ___ unknown polymer 分子量的高分子可能
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指数a 与高分子的构象有关 Einstein-Simha Relation
范例：40 kD 葡聚糖（ Dextran ）
44
Mark-Houwink-Sakurada
a = 0: solid spheres a = 0.5: linear random coils in theta conditions a ~ 0.5-0.8: linear polymers in a good solvent a ~ 1.8-2: rigid rod
聚集体检测
LS 信号对大分子物质敏感.
Peak ID - VIAL__10
0.5 0.4
90 AUX1
36
RI
AUX, 90?Detector
0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 4.0
6.0
8.0 Volume (mL)
10.0
12.0
14.0
丙烯酰胺乳化共聚物LS - RI色谱图
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Online Model: Debye Plot
静态光散射在高分子表征中的应用
Batch model vs Online model
动态光散射在高分子表征中的应用
Batch model vs Online model
Questions
公司简介
由Dr. Philip J. Wyatt于1982创建 致力于光散射应用于液相系统的世界上最大的独立公司 仅美国员工超过70人；遍布世界20多个国家和地区的代表处 超过5660篇知名同行评审的文献出版资料 超过50项美国及其他国家的专利，还有很多正在申请中......
Batch Model: Debye Plot
Protein Oligomeric State at Different Concentration
Baselines - MHCHSP1
6.0
28
11
D e te c to r :
4.0
C1 C2 C4 C3
2.0
0.0
-2.0 0
10 Volume (mL)
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多角度激光与 UV联用表征：
糖蛋白 膜复合膜蛋白 嵌段聚合物
Online Model：SEC - LS- RI- UV 理论
对于改性蛋白，例如复合膜蛋白、糖基化蛋白、嵌段聚 合物等
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x protein 蛋白质量分数
膜蛋白具有单分散性
Complex, 84 kD BSA monomer, 67 kD
光散射的基本原理
20
Principle 1 散射光强度正比于分子量、浓度、折光指数增量的平方
Principle 2 角度的变化直接与分子尺寸有关
多角度激光光散射法
光电二极管检测器 入射光
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透射光
为什么需要多角度?
• 更高的精确度 • 剔除差的色谱结果
22
• 通用性 宽广的应用范围 蛋白质 粒子 支化度 聚集态
Questions
Batch Model: Zimm Plot
27
Mw = (7.3 ± 0.8) e+6 g/mol Rg = 162 ± 8 nm A2 = (1.2 ± 0.2) e-4 mol mL/g²
Confidential Reserved Copyright 2007 All Rights
3
关于创始人
4
Dr. Philip J. Wyatt…
70年代晚期 ~ 80年代初组建第一个将激光装置用于科学 研究的公司 第一个将主板CPU 引入科学仪器 仅光散射相关的专利超过30项 公开发表与光散射研究相关的SCI文章超过50篇
主要产品
DAWN HELEOS II (18-angle static LS instrument) miniDAWN TREOS (3-angle static LS instrument) Optilab rEX (differential refractometer)
20
30
500 400
Mw [kD]
300 200 100 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Concentration [m g/m L]
体积排阻色谱（SEC）
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传统SEC假设的缺点
30
传统SEC 假设: 样品的洗脱性质必须与标样相 近
Size exclusion chromatography of native and reduced, carboxymethylated RNase Adapted from “Size-exclusion chromatography with on-line light-scattering, absorbance, and refractive index detectors for studying proteins and their interactions” by J. Wen, et al., Anal. Biochem. 240 155–166 (1996).
One data slice
Confidential Rights Reserved
Copyright 2006
All
Online Model：SEC - LS- RI
利用MW 、 Rg值判断高分子在溶液中的构象
球型分子: 斜率 1/3 棒状分子: 斜率 1
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无规线团: 斜率 0.5 ~ 0.6 rod (slope = 1) random coil (slope near 0.5–0.6) log r g Sphere (slope = 1/3)
具有相同的流体力学 半径
典型 光散射与色谱联用配置
34
Online Model：SEC - LS- RI
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葡聚糖：Mw = (4.861 ± 0.15) e+4 g/mol；Online Model： 3.061 e+4 g/mol
Copyright 2008
All Rights Reserved
log M
Online Model：SEC - LS- RI
支化度测定
gM < rg > 2 branched < rg > 2 linear
M
39
linear
branched or more compact structure
Online Model：SEC - LS- Vis
• 与色谱检测器联用 • 直接测定增比粘度: • 利用特性粘度计算流体力学半径: • 确定Mark-Houwink常数，建立方程。
SEC column
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工作原理简介…
41
4 Capillary Bridge Design
如何测定特性粘度？
Specific Viscosity
42
sp
Intrinsic Viscosity
Concentration
与分子的尺寸、形状有关
特性粘度如何计算 Rh
Mark-Houwink Equation
* Manufactured by Wyatt Technology Europe.
光散射发展历程
1850 2006
6
Lord Rayleigh (1842-1919): 研究了小粒子光散射现象，发现并解释了散射光强度与波长的 依赖性，即散射光强度与波长4次方成反比。 James Clerk Maxwell (1831-1879): 统一了电磁场理论，并预测光是一种电磁波。 Albert Einstein (1879-1955): 解释了纯溶剂的光散射是由溶剂分子的密度涨落引起的。 Chandrasekhara V. Raman (1888-1970): 研究了溶液的热动力学以及与光散射相关的 各种物理性质，解释了为什么海水是蓝色。 Bruno Zimm & Walter Stockmayer: 高分子物理大师
折射率 n
11
极化率直接与物质的折射率有关 折射率的计算方法如下.
v liquid
v vacuum n
在溶液中，极化率可以用折射率增量来表示， dn/dc.
Escattered
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dn dc
I scattered
dn dc
2
All Rights Reserved
Beijing
2009
1
光散射及相关技术 在高分子表征中的应用
兰
晶
Wyatt Technology Corporation
Copyright 2008 All Rights Reserved
主要内容
2
多角度激光光散射技术
Wyatt Technology 公司介绍 光散射的发展及基本理论 为什么需要多角度?
45
a = 0.522 ± 0.001
Viscometry of Polymers and Polyelectrolytes W.-M. Kulicke and C. Clasen Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2004