【《动态光散射法测量颗粒粒径的原理与实验系统综述》4000字】

动态光散射法测量颗粒粒径的原理与实验系统综述目录TOC\o"1-3"\h\u796动态光散射法测量颗粒粒径的原理与实验系统综述 154241.1测量原理 110151.2实验装置 3293241.3实验步骤 5143971.3.1样品制备 5113401.3.2测试步骤 5216111.3.3注意事项 651461.4实验数据与处理 777091.5数据分析 844331.6小结 111.1测量原理动态光散射法(DLS)，又被称为光子相关光谱法，它是通过研究颗粒的布朗运动导致的散射光强波动的现象，从而获得一定角度下随时间变化的散射光强的波动信号，进而通过数据处理方法反演颗粒的粒度及其分布的一种方法。图2-1动态光散射原理图如图2-1为动态光散射原理图，一束角频率为的单色平面偏振光照射到颗粒时，入射光电场为‚（2-1）为入射光电场方向的矢量。为电场振幅，和分别为入射光和散射光的波矢量。散射矢量为，为入射光方向与接收散射光方向的夹角。入射光照射到介质时，使光路上的颗粒产生诱导极化，交变的偶极子成为二次光源，并向四周发射出球面电磁波。介质内部分子的热运动使得局部介电常数张量随时间和空间而改变（为颗粒的坐标），从而使得体系内所有微粒所产生的散射光不能相互抵消而被观察到。当探测器面积足够小，满足散射光在整个接收面积上具有相关性条件时，由电磁波理论，检测器处散射光电场强度的叠加量为（为检测器的坐标）（2-2）其中，为平均介电常数，为散射光单场方向单位矢量。散射电场的自相关函数为：（2-3）将式（2-2）带入式（2-3）可得（2-4）散射粒子经历扩散系数为的平动扩散（2-5）定义归一化电场自相关函数（2-6）衰减常数或Rayleigh线宽（2-7）联合式（2-4）、（2-5）、（2-6）、（2-7）可得归一化相关函数的最终形式。（2-8）由此，直接建立起了颗粒粒径与电场自相关函数的关系。如果已知，对于单分散、无限稀释的悬浮液，可以直接求得颗粒粒径[85]。1.2实验装置动态光散射测量系统的典型结构示意图如图2-2所示，主要由激光器、扩束透镜、样品池、光电探测器、数字相关器和计算机组成。激光器发出的光经准直扩束后照射在含有待测颗粒的样品池中，产生光散射，利用光电探测器在90度方向接收散射光信号，再由数字相关器计算自相关函数，进而由计算机反演散射颗粒的粒度分布。图2-2动态光散射系统结构图传统的动态光散射系统装置体积大、光学对准操作复杂、对震动敏感，有多重散射的影响，且单角度接收到的散射光信息有限。本实验采用自行搭建的动态光散射系统，引入了微流控芯片和光纤探头的设计，大大简化了系统结构、降低了多重散射的干扰、提高了反演的准确率。图2-3改进后的动态光散射系统结构图图2-4改进后的动态光散射系统实物图改进后的动态光散射系统结构及实物如图2-3、2-4所示，光纤激光器发出532nm的激光由单模光纤传输，经端部的自聚焦透镜准直扩束后穿过样品槽，产生光散射，由同样带有自聚焦透镜的接收光纤在30°或45°接收散射光；接收到的散射光进入光子计数器，进而由数字相关器计算自相关曲线，最后由反演算法反演出颗粒直径。其中微流控芯片的结构如图2-3所示，主要包含输入光通道、30°和45°接收光通道，以及样品槽。较窄的样品槽减小了散射光程，降低了多重散射的影响，嵌入式的设计使得系统结构紧凑体积小，除此之外，双角度接收散射光使反演更加准确，输出光通道的色痕迹降低了反射光的影响。自聚焦透镜作为光纤探头（图2-5）的设计提高了输入光的空间相干性，使得光束发散角小于空间相干角，同时减小了散射光的接收范围。图2-5单模光纤实物图1.3实验步骤1.3.1样品制备样品制备的成功是动态光散射实验成功的关键，合格的样品应当确保颗粒物的浓度适宜以及颗粒充分分散而没有聚集。本实验使用的样品是标准的聚苯乙烯颗粒，采购于苏州微纳股份有限公司，粒径分别为81.0nm、241.4nm、361.2nm、456.4nm、498.2nm、564.0nm、710nm、806.9nm。样品的制备流程如下：（1）将聚苯乙烯颗粒原液封装好，放入超声振荡器振荡5min，使颗粒充分散。（2）将去离子水装入离心管中密封，通过涡旋混合器振荡清洁5min后，将去离子水倒出，离心管管口向下晾干。（3）用精密移液枪取一定量的聚苯乙烯颗粒原液，滴入离心管中。（4）使用过滤后的去离子水将原液按所需浓度稀释。（5）将盛有稀释液的离心管端口密封好，通过涡旋混合器振荡5min。（6）用针管轻取稀释液，通过特氟龙软管缓慢打到清洁后的芯片中，确保样品槽中充满样品悬浮液且无气泡，即可将芯片放入装置中测量。1.3.2测试步骤实验前准备：连接实验仪器，激光器直接耦合单模光纤，光纤尽量拉直，减少弯曲损耗，将输出光纤连接到光子计数器上，光子计数器红色线接电源正极，黑色线接电源负极，另一连接到数字相关器，连接好光子计数器电源正负极后，按vset键将电压调到5v,Iset键将电流调到0.03A,按save键。连接好数字相关器与光子计数器后按下output键。将数字相关器接入电脑，打开数字相关器，打开测试软件，出现自相关曲线则说明系统组装成功。然后设置测试软件参数，悬浮液折射率1.59、激光器波长532nm、测试时间2min。测试步骤：（1）激光器电源：正式实验时，按下左下方红色按钮打开激光器电源，power灯亮，预热10分钟，使得输出功率稳定，拧右上方钥匙，laser灯亮，转动左上方旋钮调节电流大小从而控制光功率。（2）芯片：将芯片固定在光学平台上，插入输入光纤，将接收光纤插入30度接收通道，光纤端部抵达通道顶部但不超出；用红外测温仪对准芯片的注射口，测量悬浮液的温度。（3）光子计数器：按下power键打开光子计数器电源，按下output键开始计数。（4）测试：打开电脑上的测试软件，在参数设置中更改温度参数，开始测试，记录测量数据，剔除粗大误差数据。（5）实验结束后关掉各仪器，立即清晰微流控芯片，整理试验台。1.3.3注意事项（1）振荡聚苯乙烯乳球原液时，超声振荡器中水位至少保持在三分之二以上，才能保证振荡充分有效，原液的密封需认真检查，避免水滴进入导致污染。（2）用精密移液枪取聚苯乙烯原液时，出现气泡则重新移取，否则会导致取样误差（3）盛放去离子水和配置悬浮液的离心管均需要经过漩涡振荡器离心清洗，避免杂质干扰。（4）将配置好的悬浮液注入芯片时，缓慢推动注射器，直至样品槽中充满悬浮液且无气泡。气泡会影响光散射，产生干扰。（5）输入光纤插入芯片时可直接插入底部，接收光纤插入时端口到达通道顶部但不超出，超出则会接收到未经散射的光，未抵达通道顶部则会导致接收到的散射光强较弱，两者均会对测量结果造成影响。（6）单模光纤尽量拉直，减小弯曲损耗。（7）配置悬浮液的区域和实验装置所在区域温度可能不同，且悬浮液配置过程中会有升温，因此测量前先将芯片置于测量区域静置几分钟，待温度不再变化时开始测量。温度是影响测量结果的一个因素，未静置则可能导致测量一段时间后温度改变而引起测量误差。（8）实验时需严格做好遮光工作，避免杂散光对测量的干扰。（9）实验完成后需要立即清洗芯片，避免聚苯乙烯颗粒附着于样品槽侧壁上，进而影响下一次实验。1.4实验数据与处理实验测得一系列颗粒的数据总结如表2-1，对每种颗粒取六次测量数据的平均值作为测量结果，并计算绝对误差、相对误差、方差、标准差。以498.2nm的聚苯乙烯颗粒为例：平均值为：（2-9）相对误差为：（2-10）方差为：（2-11）标准差为：(2-12)将其它粒径测量数据按同样的方式计算，汇总如表2-1：表2-1动态光散射实验数据表粒径（nm）81.0241.4361.2456.4498.2564.0710.0806.9标称偏差（nm）4.566.1010.1410.5910.9111.2816.6923.801410.9427.4359.8474.5501.8536.8693.5800.82333.9479.1373.2451.2490.4567.4701.6776.33350.9439.9356.0466.6491.8515.3727.5809.34535.3461.9369.8471.8499.4601.5709.3833.95377.2431.7391.2473.3481.4586.2723.8736.16665.0438.9331.5474.9530.6587.0721.2851.8平均值（nm）445.5446.7363.8468.9499.4565.7713.0801.5绝对误差（nm）363.5204.41.611.51.21.73.05.4相对误差(%)443.3%84.3%0.4%1.7%0.2%0.3%0.4%0.7%方差16700391.2410.174.6289.61121.6187.11731.4标准偏差129.2319.7820.258.6417.0233.4913.6841.611.5数据分析本实验取聚苯乙烯颗粒DLS粒径6次测量结果的平均值，粒径测量值与标称值的对比如图2-6：图2-6聚苯乙烯颗粒DLS粒径测量结果从图2-6可以看出，361.2nm到806.9nm的颗粒测量结果较为准确，误差棒与标称值较为接近，测量结果较为稳定，由本实验装置可以准确测量。82nm和242nm的颗粒测量结果严重偏大，其中242nm颗粒的误差棒较小，82nm的颗粒误差棒很大，测量结果很不稳定，本实验装置无法测量这两种颗粒。因此该动态光散射系统的测量范围为361.2nm—806.9nm（大于806.9nm的颗粒已经是微米级，通常不用动态光散射系统测量）。图2-7DLS粒径测量的绝对误差与相对误差测量范围内颗粒的绝对误差与相对误差如图2-7所示，绝对误差都在14nm以下，大部分小于6nm,相对误差全都小于3%，大部分在1%以下，测量结果已经比较精准。但是，从标准差（图2-8）来看，测量值的标称值大都大于标称值，测量结果的离散性较大，单次测量结果无法满足要求，需要多次测量取均值。图2-8标准差对比图在上述数据中，456.4nm到806.9nm的颗粒测量时采用的浓度是35µl原液+1.5ml去离子水，约稀释了72倍，此时颗粒浓度约为14mg/ml,激光器电流为0.9A，这是前期大量实验总结出的普遍适宜的数值，测量均值与标准差都接近真值，标准差一般略大于标称值。对于362nm的颗粒，此浓度下测量结果在460-550nm之间，误差较大，难以准确测量，因此调节颗粒物的浓度，经过多次实验，确定最佳值为50µl原液+1.5ml去离子水，此时测量的平均值如表2-1所示，为363.8nm，结果较为准确；对于241.4nm的颗粒，标准浓度下测量结果在550-750nm之间，其最佳浓度与361.2nm颗粒相同，此时测量结果如表2-1，为446.7nm,此时测量结果最接近真值，且标准差最小，但是结果仍然偏大，表明241.4nm颗粒已无法测量；对于82nm的颗粒，测量结果在330-800nm之间，误差和标准差都很大，无法测量。综上可以看出，实验采用的激光波长为532nm，粒径接近532nm的颗粒都可以准确测量，当粒径越大或者越小时，测量误差和标准差开始增大，小于362nm时已无法测量，且达到800nm时标准差已达41.61nm，约为标称值的两倍，可以预测到当粒径继续增大时，测量误差和标准差都将增大，直至不能测量。这其中的原因是动态光