粒径及相关知识

粒径的测量及相关知识 生物纳米与分子工程湖南省重点实验室杨雪 一 仪器型号及结构 有下标90的仪器 指测量粒径和分子量的散射角为90 ZetasizerNano粒径分析仪配置633nm 红色 激光器或532nm 绿色 激光器的型号 633nm激光器不适合用于蓝色样品测 532nm激光器不适合用于红色样品测量 1 zetasizer仪器2 计算机3 样品池4 样品测量区 化学单元 后面板 状态指示灯 样品池开启按钮 样品池区 样品池架 样品池 特点 测量位置可设置重复性精确度很高温度可精确进行控制测试前自行进行光路校准 二 粒度理论 动态光散射理论ZetasizerNano的操作 粒径测量 1 动态光散射理论 动态光散射 也称为PCS 光子相关光谱 测量布朗运动 并将此运动与粒径相关 这是通过用激光照射粒子 分析散射光的光强波动实现的 散射光波动 如果小粒子被光源如激光照射 粒子将在各个方向散射 如果将屏幕靠近粒子 屏幕即被散射光照亮 现在考虑以千万个粒子代替单个粒子 光的明亮区域是 粒子散射光以同一相位到达屏幕 相互叠加相干形成亮斑 黑暗区域是 不同相位达到屏幕互相消减 实际上 悬浮于液体中的粒子从来不是静止的 由于布朗运动 粒子不停地运动 布朗运动是由于与环绕粒子的分子随机碰撞引起的粒子运动 对DLS来说 布朗运动的一个重要特点是 小粒子运动快速 大颗粒运动缓慢 由于粒子在不停地运动 散射光斑也将出现移动 由于粒子四处运动 散射光的建设性和破坏性相位叠加 将引起光亮区域和黑暗区域呈光强方式增加和减少 或以另一种方式表达 光强似乎是波动的 ZetasizerNano测量了光强波动的速度 然后用于计算粒径 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 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 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 Zetasizer软件使用算法 提取针对一系列粒径类别的衰减速度 以得到粒径分布 2 ZetasizerNano的操作 粒径测量 典型的DLS系统由6个主要部件组成 1 激光器2 样品池3 检测器4 衰减器5 相关器6 计算机对于ZetasizerNano系列 依赖于仪器的型号 检测器位置将置于173 或90 173 检测光学构造 背散射检测 ZetasizerNanoS和ZS可测量接近180 的散射信息 这称为背散射检测 背散射检测运用了称为NIBS 非侵入背散射 的专利技术 NIBS的独特功能 优点 因为测量背侧散身 入射光束没有必要穿过整个样品 因为光只需穿过样品的较短路径长度 因此可以测量较高浓度的样品 这降低了称为多重散射的效应 在多重散射中 来自一个粒子的散射光本身是其它粒子散射的 与样品粒径比较 分散剂中的灰尘等污染物比较大 大颗粒主要在前进方向散射 因此 通过测量背散射 可大大降低灰尘效应 小颗粒或稀样品在样品池中间测量以得到最大的散射体积 并降低池壁的闪耀 NIBS的独特功能 可变的测量位置 浓样品测量在靠近池壁的地方以减少光在样品中的造成的多重散射 NIBS的独特功能 可变的测量位置 90 检测光学构造 经典装置 ZetasizerNano仪器范围中已包括90 型号即ZetasizerNanoS90和ZS90 提供与其它有90 检测光学构造的系统的连续性 这些模型不使用可移动测量装置 但使用 经典的 固定为90 的监测设置 即检测器和激光以样品池区中心为90 排列 这种配置降低了这些型号的可检测粒径范围 三 粒径测量 样品的制备相关测量结果解释 1 样品制备 样品浓度 测量可在任何样品中测量 只要颗粒有布朗运动 每一类样品材料都有最理想的测量浓度 如果浓度太低 就没有足够的散射光而不能进行测量 如果样品太浓 多重散射可能发生 得到的表观颗粒度与信噪比会降低 z 均直径 nm 测量浓度的上限是什么 浓度的上限也是由颗粒间的相互作用而决定 因为颗粒间的相互作用会影响颗粒的扩散速率从而影响所测到的颗粒度 在决定样品的浓度测量上限时 一个重要因素是颗粒的大小 只要有可能 应该选择这样的样品浓度 即样品出现轻微乳状外观或样品得到轻微的浊度 如果不易达到这样的浓度 应测量不同浓度的样品 以便避免浓度效应 应在这样的浓度范围内测试 即测试结果不依赖所选择的浓度 胶凝作用 凝胶不适合采用粒度仪测量 样品制备的目的之一是在稀释后仍保存颗粒表面原有的状态 最好的方法是用样品原有的分散介质来进行稀释 可将原样品过滤或离心以去除颗粒 以得到清液 用这种方法得到的介质来配制稀悬浮液 可保持原有的液 固界面条件 假如不能获取上层清液 可让样品自然沉淀 用留在上层的带小颗粒的悬浮液进行测量 稀释介质 超声 对矿物样品 如TiO2 是很有效的应用技术 某些材料 e g 炭黑 的粒度与超声的功率与时间紧密相关 乳液不能用超声 2 相关测量结果解释 光子数率的重现性 光强随时间的变化 正常光强随时间变化 如果存在灰尘 那么将观察到尖峰在后面的计算中 通过软件中的灰尘过滤器将有灰尘影响的测量过滤掉 幅度较宽的光强波动 可能表明样品中存在温度梯度 应该进一步进行温度平衡 稳定增加的光强 表明样品在聚集 而稳定降低的光强表明样品在沉积 1 菜单条2 工具条3 测量文件窗口4 标题条5 测量显示窗口 光强200 分散系数 0 1 衰光系数 0 11 相关函数能告诉我们什么