光散射技术最新进展及其在纳米领域应用

光散射技术最新进展及其在纳米领域应用宁辉MalvernInstrument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：•ZetasizerNano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•ViscotekDSV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）Zetasizer的应用应用涂层化学工业纳米技术生物/药物多糖疫苗诊断蛋白质特性药物释放DNA/基因疗法纳米钻石纳米银颗粒量子点色素/油漆油墨炭化分散体系高分子陶瓷表面活性剂微乳液高分子溶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样品要求及制备静态光散射与色谱连接flow-modeZeta电位/表面电位应用光散射技术仪器系统激光盛放样品的样品池数字信号处理器(相关器)Correlate光电检测设备(APD)Time(s)Intensity(kcps)布朗运动的速度依赖于粒子的大小媒体的粘度ApplyAlgorithm颗粒运动速度，即扩散系数D（cm2/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)k=Boltzmann’sconstant,T=absolutetemperature,=viscositykT3DHD=动态光散射由相关曲线得到粒径信息:数据分析0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.90.1101000100000100000001000000000CorrelationCoefficientTime(祍)光强波动，相关函数和粒径分布CorrelateApplyAlgorithmTime(s)Intensity(kcps)SmallParticlesCorrelateApplyAlgorithmTime(s)Intensity(kcps)LargeParticles相关曲线相关曲线这里: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为散射角度对于单分散体系tgGexp1)(3hdTkDBSTOKES-EINSTEINEQUATIONSTOKES-EINSTEINEQUATION相关曲线33221!3/!2/lnlntttAgG1.累积距法：得到平均粒子尺寸和分布系数（PD.I）2.多指数分析模型：得到粒子实际尺寸和分布对于多分散体系这里g1(t)是相关曲线中所有指数衰减的总和GGGdGgexp01累积距法ISO13321阐述用三次方多项式拟和相关方程这里t是衰减时间与z-均扩散系数相关由z-均扩散系数得到z-均直径为分布系数PD.I33221!3/!2/lnlntttAgG22/GG)(3hdTkDBDq2G分布系数（PD.I）分布系数值注解0.05单分散体系，如一些乳液的标样。0.08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。0.08-0.7适中分散度的体系。运算法则的最佳适用范围。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generalpurpose算法适用于大部分分布状况未知的样品multiplenarrowmode算法适用于已知的分布状况不连续的样品CONTINandDiscreteexponentialGGGdGgiiexp01得到多组粒径Gi→Di和其相对强度G(Gi)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光强分布(RayleighTheory)体积分布数量平均粒径28nmRelative%inclassDiameter(nm)55011N1:N2体积平均粒径49nmRelative%inclassDiameter(nm)55011,000N1*3/4πr13:N2*3/4πr23N1V1:N2V2光强平均粒径=50nmRelative%inclassDiameter(nm)5501,000,0001N1V12:N2V22设想一个由相等数量的5nm和50nm球型粒子组成的混合物MietheoryMietheory光强，体积和数量分布:例子Peak1Peak2Mean(nm)%Mean(nm)%Intensity23186.365.813.7Volume23250.361.849.7Number1842.658.297.460nm和220nm聚苯乙烯乳液标样1:1体积混合z-均直径=168nmPDI=0.215微流变-Microrheology针对弱散射样品，如蛋白质和纳米颗粒稀溶液ZetasizerZSPDTS7.0软件动态光散射微流变应用低粘度、弱结构和对于应变敏感的样品对于粘弹性的测试超过旋转流变仪高分子溶液高频率G’,G”稀或者半稀范围治疗蛋白监控蛋白质开始聚集蛋白质溶液的粘度随浓度的变化原理•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。RotationalrheologyDLSMicrorheologyDLS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-modeZeta电位/表面电位温度趋势应用静态光散射Staticlightscattering(SLS)在静态光散射中，我们检测溶质粒子的绝对散射光强虽浓度的变化在ZetasizerNanoZS中，我们在一个角度检测光强通过Debye曲线我们可以测量绝对分子量第二维利系数什么样的样品适合静态光散射?YESNOProteinsPolymersDendrimersLiposomesEmulsionsMixtures静态光散射I(MW2)(C)K：光学常数C：浓度M：分子量Rq：样品的瑞利比A2：2nd维利系数P(q)：形态因子(RayleighEquation)CAMRKC221样品制备在适合的溶剂中，制备一系列已知准确浓度的样品样品溶液具体浓度依赖于所测量的样品，一般在0.1-10g/L1234溶剂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.WhatmanAnotop20nmporesizefilters)分子量测定应用实例(LysozymeinPBS)1/截距=14.6KDa斜率=-3.23x10-4Contents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-modeZeta电位/表面电位温度趋势ZetaNanoZS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•流动模式动/静态光散射•绝对分子量及其分布•颗粒大小及其分布ZetasizerμV•流动模式动态光散射•颗粒大小及其分布ZetasizerNanoFlow-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•8μL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定量分析许多研究者对于确定缔合或已形成的低聚物的各种组分含量非常感兴趣。色谱的分离能力使其能够得到充分、完整的表征。可以测量每个峰的分子量、浓度和含量。共轭许多蛋白质与其他分子共轭，如糖、表面活性剂或聚乙二醇（PEG）。如果体系中同时具有两个浓度探测器（RI+UV）则意味着可以进行共轭分析，以确定分子量和复杂的组成。低聚态许多蛋白质的活动取决于其低聚态。通过色谱系统分离蛋白质低聚物混合物，能够测量每个组分分子的大小和绝对分子量，并确定其低聚体形式。Flow-mode和SEC/GFC连用作为动静态光散射检测器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-modeZeta电位/表面电位应用表面电荷的起源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(ZetaPotential)什么是Zeta电位?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){SternlayerSlippingplaneDiffuselayer--1000mVDistancefromparticlesurfaceSurfacepotentialSternpotentialZetapotentialParticlewithnegativesurfacechargeZetasizerNano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方程换算而得粒子速度V=0散射光与入射光有相同频率F1F1粒子速度V0v散射光频率高于入射光F2F1用激光多普勒电泳测量Zeta电位-相位分析光散射技术光强的波动是怎样被引发的?F1F2将两束光结合参考光F1和散射光F2光强的波动是怎样被引发的?F2F1参考光F1和散射光F2这两束光在A处相干加强，在B处相干减弱BAA相干的结果产生一个频率小得多的调制光源，这束光的频率等于参考光和散射光频率的差F1=-fF2检测器检测的是光强随时间的波动，进而得到拍频，进而得到带电粒子速度信息拍频被聚焦到检测器处电泳光散射一束激光穿照射在进行电泳运动的样品上，由于颗粒的电泳运动，散射光的频率发生偏移频率的偏移f与电泳的速度相关:=粒子的电泳速度l=激光波长q=散射角f=2sin(/2)/电泳ELECTROPHORESIS电泳ELECTROPHORESISZeta电位可利用HENRYEQUATION由带电粒子电泳速度得到z=zeta电位UE=电泳速度e=介电常数粘度f(ka)=Henry’sfunction2ezf(ka)3UE=专利Zeta电位毛细管样品池DisposableZetaCellGeneralPurpose=FFR+SFR=M3FFR:高频转换SFR:低频转换M3测试技术-50mV-110mV-50mV高频电场转换1000Hz能够准确地测量zeta电位的平均值，但是分辨率较低低频电场的转换可以给出更好的分辨率但是受到电渗的影响通过M3测试技术，结合高频和低频电场的转换，我们既得到准确地平均