ZetasizerNano系列培训课程

ZetasizerNano系列:培训课程宁辉博士DTS产品技术专家E-mail:[e-mail]动态光散射测量原理Nano系列的优化测量位置由相关曲线得到粒径信息–预算法则样品要求样品制备数据解释Zeta电位测量原理样品制备样品测试测试中的选择数据解释动态光散射DynamicLightScattering测试原理MeasurementPrincipleNano的光学构造动态光散射及布朗运动微小粒子在悬浮溶液中的随意运动布朗运动的速度依赖于离子的大小媒体的粘度动态光散射动态光散射测量依赖于时间的散射光强波动。由动态光散射可以得到粒子扩散速度的信息,进而从Stokes-Einstein方程得到流体力学半径hydrodynamicdiameter(DH)k：波尔兹曼常数,T：绝对温度,：粘度kT3DHD=散射光强的波动散射光强依赖于粒子的大小散射光强的信息被传输到光子相关器相关器连续加和处理从广散射信号中得到的很短时间的波动信息进而得到相关曲线Time(s)Intensity(kcps)SmallParticlesTime(s)Intensity(kcps)LargeParticles相关性:小粒子，光强波动比较快TimeIntensity相关性:小粒子，光强波动比较快TimeIntensity0TimeCorrelationCoefficient10=0相关性:小粒子，光强波动比较快TimeIntensity01Time10=1CorrelationCoefficient相关性:小粒子，光强波动比较快TimeIntensityTime10012=2CorrelationCoefficient=3相关性:小粒子，光强波动比较快TimeIntensityTime100123CorrelationCoefficient相关性:小粒子，光强波动比较快TimeIntensityTime100=123CorrelationCoefficient相关方程（曲线）衰减的过程与粒子尺寸的分布相关基线初始斜率依赖于粒子大小截距相关方程（曲线）相关方程可以用衰减指数的方程来解析这里B是在无限长时间的基数,A是相关曲线的戒距,q是矢量因子(4πn/λo)sin(θ/2)，n是折光指数,λo是激光的波长，θ是测量的角度,D是扩散系数，是衰减时间常数D-2q2eABG动态光散射由相关曲线得到粒径信息:运算法则由相关曲线得到粒径信息相关曲线包含粒子扩散速度的信息-扩散系数。有了粒子扩散系数，通过Stokes-Einstein方程，我们就能搞得到粒子的大小-流体力学半径用适当的运算法则解析相关方程就可以得到扩散系数两种主要方法是累积距法•得到平均粒子尺寸和分布系数（PDI）分布分析•得到粒子实际尺寸和分布累积距法ISO13321(1996)定义了应用于动态光散射技术的累积距法这种方法给出了平均粒子尺寸(z-average)和一个粒子的分布系数(polydispersityindex)这个分析方法只需要分散剂的折光指数和粘度累积距法ISO13321阐述用三次方多项式拟和相关方程Ln[G1]=a+b+c2这里是衰减时间bαz-均扩散系数2c/b2为分布系数z-均直径z-均直径(ZD)的定义:累积距法得到的粒子平均尺寸对应于不同尺寸粒子散射光强的贡献这里“平均”的概念特指用于光散射试验中这种算法得到的平均尺寸对于大的缔合物及灰尘非常敏感分布系数分布系数定义(PDI):有累积距法得到的分布系数是一个无纲量的值，代表粒子尺寸的分布宽度在ZetasizerNano软件中他的范围是0到1如果PDI大于1，这说明样品的尺寸分布非常宽，可能不适合用动态光散射的方法来测量分布系数IfaGaussiansizedistributionisassumed,thePDIwouldberelatedtothestandarddeviation()accordingtoPolydispersityIndex(PDI)=RelativevariancePolydispersity(Pd)=Standarddeviation()orwidth%Polydispersity(%Pd)=Coefficientofvariation=PDI0.5x100PDI=2ZD2分布系数分布系数值Comments0.05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。0.08to0.7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。分布系数也可以用多指出模型来分析相关（曲线）方程，由此可以得到扩散系数的分布，进而得到粒子的尺寸ThesizedistributioncalculatedbytheNanosoftwareisderivedfromanon-negativeleastsquares(NNLS)analysis对于分布的分析对于相同的光散射数据，可以有几种不同的分析结果为了适应不同的样品类型,两种NNLS分析模型被应用到一起的软件中GeneralPurposeMultipleNarrowModes这两种算法的差异在于所得到的分布曲线的平滑程度对于分布的分析generalpurpose算法适用于大部分分布状况未知的样品multiplenarrowmode算法适用于分布状况不连续的样品ZetasizerNano软件中的尺寸分布分析由DLS而得的基本的尺寸分布，是一个根据光强的贡献率，并使用(NNLS)分析方法得到的分布尺寸分布被表示为一个散射光相对光强对于对应的粒子尺寸的曲线默认地，在尺寸分布中最多可以出现70个等级ZetasizerNano软件中的尺寸分布分析光强粒度分布从动态光散射得到最初的结果结果基于粒子的散射光强度对于大的粒子和灰尘十分敏感分析样品的特性仅仅需要媒体的粘度和折光指数体积粒度分布使用光强分布数据应用Mietheory演算而来等同于质量粒度分布换算过程需要粒子的光学性质粒子的折光指数粒子对光的吸收率数量粒度分布使用光强分布数据应用Mietheory演算而来换算过程需要粒子的光学性质粒子的折光指数粒子对光的吸收率动态光散射DLS的粒子尺度分布光强分布，体积分布和数量分布之间的相互转换基于以下前提:所有的粒子都是球型的所有的粒子都是均匀的，且密度相同光学性质已知（折光指数，吸收率）动态光散射DLS技术往往高估分布峰的宽度，这个影响可以从体积分布和数量分布的相互转换过程中体现体积和数量分布中，峰的平均值和分布宽度只能用来估计成分的相对量。动态光散射DLS的粒子尺度分布如果光强分布是一个相对平滑的峰，那么光强分布和转化得到的体积分布以及数量分布将会比较相似如果光强分布中有一条非常明显的尾巴，或是多于一个分布峰，那么转化得到的体积和数量分布将会非常不同，并且会更真实地展现尾巴和其它峰总的来说d(intensity)d(volume)d(number)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=168nm分散指数=0.215体积和数量分布:建议建议在报告个分布峰所对应的尺寸时，使用光强分布曲线的结果在报告各个峰的相对数量时，使用体积或者是数量分布PeakDI(nm)%Int%Wt159216722207933动态光散射DynamicLightScatteringNano系列中的优化测量位置Nano的光路系统非侵入背侧光散射概况(NonInvasiveBackScatter(NIBS)Overview)在NanoS和NanoZS系列中，光散射检测角度为173o，因此成为背侧光散射光学系统不接触样品，因此称为非侵入性NIBS光学系统(1)NIBS所观察到的样品散射体积为在90o（ZetasizerNanoS90）条件下的8倍，因此能够得到更多的散射光强，仪器也更加灵敏更高的灵敏度使仪器能够检测低浓度下小尺寸的粒子NIBS光学系统(2)激光不需要穿过整个样品，因此降低了多次光散射效应。可以检测较高浓度的样品多次光散射指一个粒子的散射光，被另外一个或一个以上粒子再次散射，然后被检测器检测到多次光散射效应通常降低粒子的表观尺寸，以及光子相干曲线的截距NIBS光学系统(3)污染物，如灰尘粒子，得散射光通常在较小的角度有比较大的散射光强因此背侧光散射可有效的降低灰尘的影响NIBS:可调整检测位置检测器激光凸透镜样品池高浓度溶液减小散射光体积降低多次散射影响检测器激光凸透镜样品池小粒子/稀溶液较大的散射提体积检测位置(1)在NanoS或者ZS系列中,可由一个可以移动的凸透镜(0to6.5mm)来调整样品的检测位置这样仪器可以被应用在一个比较宽的范围检测位置(2)样品池中心光路中的自动衰减器(1)自动衰减器起到调整光学强度的作用，使得粒子的散射光在一个仪器可以检测的范围之内ZetasizerNano自动水衰减器有11个光学衰减镜片涵盖100%到0.0003%的透射率透射率指到达样品的激光的强度占光源激光强度的百分比在测量粒子大小的过程中，自动衰减器会自动调节透射光的强度，直到检测器检测到的光强小于500kcps光路中的自动衰减器(1)衰减器编号衰减率(%正常)透射率(%正常)199.99970.0003299.9970.003399.990.01499.970.03599.90.1699.70.37991897399010107030110100TheCellPositioningFactor(CPF)最佳测试位置可以由比较截距的数值和样品池的位置因子（cellpositioningfactor/CPF）而得到CPF可以结合光子相干函数的截距，平均光强和衰减率得到在大部分应用过程中，得到最大CPF值的测试的位置意味着最大的截距值（即最低的多次光散射）测试程序:NanoS/ZS当使用一个默认设置开始一个手动测试或者一个标准操作过程（standardoperationprocess/SOP),测试将会按照如下程序进行测试程序:NanoS/ZS(1)移动到4.65mm调整衰减器使得检测到的光强小于500kcps相关运算10秒钟计算CPF和intercept移动到0.85mm调整衰减器使得检测到的光强小于500kcps相关运算10秒钟计算CPF和interceptpt测试程序:NanoS/ZS(2)比较在0.85and4.65mm处的CPFandintercept值计算测试时间在4.65mm测试测试位置向样品池边缘优化(1.25,1.05,0.65和0.45mm)在优化位置测试判断样品是否光学洁净（意味着没有多次光散射）?计算测试时间YesNo测试程序:NanoS90/ZS90对于S90或者ZS90仪器,测试位置固定在4.65mm因此，测试程序仅仅包括优化衰减器的位置及测试时间测试时间测试时间由样品的散射光强度决定散射光越弱测试的时间越长每个测试都被分成一系列10秒钟的子测试以减少灰尘对测试的影响仪器默认50%的平均光强最小的子测试为有效测试，被用来进行数据分析动态光散射DynamicLightScattering样品要求样品要求样品应该较好的分散在液体媒体中理想条件下，分散剂应具备以下条件:透明和溶质粒子有不同的折光指数应和溶质粒子相匹配(也就是：不会导致溶胀,解析或者缔合掌握准确的折光指数和粘度，误差小于0.5%干净且可以被过滤InternationalStandardIS