动态光散射

nullZetasizer Nano 系列: 培训课程 Zetasizer Nano 系列: 培训课程 nullnull Malvern Instruments Ltd. UKWho Are Malvern Instruments?Who Are Malvern Instruments?马尔文仪器是一家英国公司，专注于设计和制造精确的测量仪器，应用于 粒子尺寸及其分布 粒子的电荷 分子量 粒子形态 分散体系的流体力学性质 流变性能 ContentsContents动态光散射（第一天） 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 – 运算法则 样品要求 样品制备 数据解释 静态光散射及分子量的测定（第二天） Zeta 电位 测量原理（第二天） 动态光散射 Dynamic Light Scattering动态光散射 Dynamic Light Scattering测试原理 Measurement PrincipleWhy is DLS so popular?110100110100纳米微米0.11000SievesElectron microscopySedimentationDisc centrifugeLaser diffractionElectrozone sensingAFM/STM etcDynamic light scatteringAcoustic spectroscopyMicroscopyWhy is DLS so popular?Zetasizer Nano是如何测试粒子的粒径的?Zetasizer Nano是如何测试粒子的粒径的?动态光散射Dynamic Light Scattering (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 粒子的布朗运动Brownian motion导致光强的波动 光子相关器correlator将光强的波动转化为相关方程 相关方程 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 光强波动的的速度，从而我们得到粒子的扩散速度信息和粒子的粒径d(h) 从相关方程我们还可以得到尺寸的分布信息Nano 的光学构造 Nano 的光学构造 动态光散射及布朗运动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 粒子的大小 介质的粘度DLS实验是如何进行的？DLS实验是如何进行的？我们需要测量颗粒的布朗运动并得到它的大小 在DLS中, 散射光的强度涨落是由于布朗运动造成的 这些涨落是如何产生的呢？布朗运动与散射光布朗运动与散射光两束光线相干，产生光的 相消而减弱散射光的强度考虑两个静止颗粒布朗运动与散射光布朗运动与散射光两束光线相干，产生光的 相增而增强散射光的强度考虑两个静止颗粒布朗运动与散射光布朗运动与散射光很多颗粒的散射光相互干扰产生相当复杂的光强度斑点图案考虑很多颗粒强度涨落强度涨落对于具有布朗运动的颗粒体系，可以观察到斑点不停在变的斑点图案 这是因为所有颗粒运动造成的综合相位随时在变化 光强度涨落的变化速率与颗粒的大小有关动态光散射 动态光散射 散射光强的波动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相关性: 小粒子，光强波动比较快相关性: 小粒子，光强波动比较快TimeIntensity相关性: 小粒子，光强波动比较快相关性: 小粒子，光强波动比较快TimeIntensity0TimeCorrelation Coefficient10 = 0相关性: 小粒子，光强波动比较快相关性: 小粒子，光强波动比较快TimeIntensity01Time10 = 1Correlation Coefficient相关性: 小粒子，光强波动比较快相关性: 小粒子，光强波动比较快TimeIntensityTime10012 = 2Correlation Coefficient相关性: 小粒子，光强波动比较快相关性: 小粒子，光强波动比较快 = 3TimeIntensityTime100123Correlation Coefficient相关性: 小粒子，光强波动比较快相关性: 小粒子，光强波动比较快TimeIntensityTime100 = 123Correlation Coefficient相关方程（曲线）相关方程（曲线）衰减的过程与粒子尺寸的分布相关初始斜率依赖于粒子大小光强波动，相关函数和粒径分布光强波动，相关函数和粒径分布相关方程（曲线）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 (4π n/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 STOKES-EINSTEIN EQUATIONSTOKES-EINSTEIN EQUATION2动态光散射实际测量的是什么?动态光散射实际测量的是什么?流体力学直径动态光散射实际测量的是什么?动态光散射实际测量的是什么?流体力学直径表面上枝接的一层分子将会降低扩散速度 因此，流体力学直径将会受到表面结构的影响测得的直径离子强度的影响离子强度的影响1/K, Debye 长度是带电颗粒双电层的厚度, 他取决于介质中的离子浓度动态光散射的特点：动态光散射的特点：上亿个粒子的统计学效果，使得对粒径及其分布的测量更加准确 对微量存在的大颗粒极其敏感 在溶液状态下测量颗粒的尺寸 测试速度快，所需样品少 需要溶液的粘度和折光指数等光学参数 所得到的尺寸分布正比于不同种类颗粒对光强的贡献率所需参数所需参数平均粒径和宽度 （分散系数） 温度 溶剂的粘度和折光指数（温度依赖性） 粒径的体积和数量分布 米氏理论需要: 样品的折光指数 样品的吸收率 动态光散射动态光散射由相关曲线得到粒径信息 : 运算法则 累积距法累积距法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 (polydispersity index) 这个分析方法只需要分散剂的折光指数和粘度z-均 直径 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 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Zetasizer Nano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 分布系数 分布系数 分布系数 也可以用多指数模型来分析相关（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 Nano软件中计算出来的尺寸分布，是通过non-negative least squares (NNLS)分析，演算而来。对于分布的分析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 General Purpose Multiple Narrow Modes 这两种算法的差异在于所得到的分布曲线的平滑程度 对于分布的分析对于分布的分析general purpose 算法适用于大部分分布状况未知的样品 multiple narrow mode 算法适用于分布状况不连续的样品Zetasizer Nano 软件中的尺寸分布分析Zetasizer Nano 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Zetasizer Nano 软件中的尺寸分布分析Zetasizer Nano 软件中的尺寸分布分析光强粒度分布 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介质的粘度和折光指数体积粒度分布 体积粒度分布 使用光强分布数据应用Mie theory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 数量粒度分布 使用光强分布数据应用Mie theory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 设想一个由相等数量的 5 nm 和 50nm 球型粒子组成的混合物光强, 体积和数量分布 设想一个由相等数量的 5 nm 和 50nm 球型粒子组成的混合物数量分布数量平均粒径  28nm体积平均粒径  49nm光强分布 (Rayleigh Theory)光强平均粒径 = 50nm体积分布N1:N2N1*3/4πr13 : N2*3/4πr23 N1V1:N2V2N1V12 : N2V22 光强，体积和数量分布: 例子光强，体积和数量分布: 例子60nm 和 220nm 聚苯乙烯乳液标样1:1 体积混合 z-均直径 = 168nm PDI = 0.215体积和数量分布: 建议体积和数量分布: 建议建议在报告一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动态光散射 Dynamic Light Scattering动态光散射 Dynamic Light ScatteringNano 系列中的优化测量位置 Nano 的光路系统 Nano 的光路系统 非侵入背侧光散射概况 (Non Invasive Back Scatter (NIBS) Overview)非侵入背侧光散射概况 (Non Invasive Back Scatter (NIBS) Overview) 在Nano S 和 Nano ZS 系列中，光散射检测角度为173o ，因此称为背侧光散射 光学系统不接触样品，因此称为非侵入性NIBS 光学系统 (1)NIBS 光学系统 (1)NIBS所观察到的样品散射体积为在90o （ Zetasizer Nano S90 ）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)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)NIBS 光学系统 (3)污染物，如灰尘粒子，使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NIBS: 可调整检测位置检测位置 (1)检测位置 (1)在Nano S 或者 ZS系列中,可由一个可以移动的凸透镜(0 to 6.5mm)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)检测位置 (2)样品池中心 光路中的自动衰减器 (1)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 Zetasizer Nano自动衰减器有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)光路中的自动衰减器 (1)The Cell Positioning Factor (CPF)The Cell Positioning Factor (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（ cell positioning factor /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: Nano S / ZS测试程序: Nano S / ZS当使用一个默认设置开始一个手动测试或者一个 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 操作过程（standard operation process/SOP),测试将会按照如下程序进行测试程序: Nano S / ZS (1)测试程序: Nano S / 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 intercept pt测试程序: Nano S / ZS (2)测试程序: Nano S / ZS (2)比较在 0.85 and 4.65mm处的 CPF and intercept 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: Nano S90 / ZS90测试程序: Nano S90 / 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 Dynamic Light Scattering动态光散射 Dynamic Light Scattering样品要求样品要求样品要求样品应该较好的分散在液体介质中 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 International Standard ISO 13321 (1996)动态光散射对粒子尺寸的下限动态光散射对粒子尺寸的下限依赖于： 粒子相对于溶剂产生的剩余光散射强度 折光指数 样品浓度 仪器敏感度 激光强度和波长 检测器敏感度 仪器的光学构造The lower size limit is typically 2nm动态光散射对粒子尺寸的上限动态光散射对粒子尺寸的上限DLS 测量粒子无 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 的热运动/ 布朗运动 （Brownian motion ） 若粒子不进行无规则运动，则仪器无法应用 粒子尺寸的上限定义于沉淀行为的开始 因此上限取决于样品 – 应考虑粒子和分散剂的密度 使用更高粘度的分散剂去阻止或者降低粒子的沉淀速度没有任何优势，因为布朗运动的速度将会被等同的降低尺寸限制总结尺寸限制总结样品浓度总结样品浓度总结从动态光散射得到的样品尺寸应该不依赖于浓度 (ISO 13321) 每种样品都有其理想的测试浓度范围 如果浓度太低，可能散射光强不足以进行试验 这种状况不太可能出现在Nano S/Nano ZS系列中，除非在一些极端条件下 如果样品浓度太高，实验结果可能会依赖于浓度 为了得到正确的尺寸信息，可能会需要在不同的浓度下检测样品尺寸 样品浓度下限 样品浓度下限 依赖于： 粒子相对于溶剂产生的剩余光散射强度 折光指数 样品浓度 仪器敏感度 激光强度和波长 检测器敏感度 仪器的光学构造The lower size limit is typically 2nm样品浓度上限样品浓度上限对于高浓度样品，由动态光散射测得的表观尺寸可能会受到不同因素的影响 多重光散射 – 检测到的散射光经过多个粒子散射 扩散受限 – 其他粒子的存在使得自由扩散受到限制 聚集效应 – 依赖于浓度的聚集效应 应电力作用 – 带电粒子的双电层相互重叠，因而粒子间有不可忽视的相互作用。这种相互作用将影响平移扩散样品浓度上限样品浓度上限表观 z-Average 直径 (nm)样品浓度低高Nano S90样品浓度上限样品浓度上限二氧化硅浆料的粒径以及分散系数随浓度的变化推荐样品浓度推荐样品浓度动态光散射 Dynamic Light Scattering动态光散射 Dynamic Light Scattering样品池装载，样品制备和仪器校准注入溶液注入溶液只用干净的样品池！ 缓慢注入溶液以避免气泡 使用滴液管，同时倾斜样品池 如果使用注射管滤膜过滤样品，请放弃开始的几滴溶液以避免在滤膜下面的灰尘进入样品池 用盖子将样品池封住将样品池放入仪器将样品池放入仪器样品制备:稀释样品制备:稀释如果样品浓度很高，则需要将溶液稀释 稀释样品时须注意保证保持样品原来的性质，如吸附在粒子表面的物质和原溶液之间的化学/物理平衡 稀释溶液应和原来的样品溶液保持相同的性质 如果样品很多，稀释液可以由过滤或者离心原来的样品溶液除去溶质而得到 如果样品和少，稀释液应尽量按原溶液性质制备样品制备:过滤样品制备:过滤灰尘是光散射实验最主要的问题之一，灰尘的存在可能导致测试失败 为了避免灰尘的影响，样品溶液在测试之前应该被适当的过滤 商业化的注射管过滤膜网眼的尺寸通常从 1μm 到 20nm样品制备：超声样品制备：超声如果使用得当是非常有用的技术。对矿物样品(如TiO2)可很有效的应用超声技术。 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 校准和检查校准和检查动态光散射Dynamic light scattering是一种绝对测试，因此不需要校准 然而光学仪器如光路，有时会因环境（如温度，外力）改变而改变，应当定时检查 检查的频率以用户的使用方式和需求而定 检查可由检测标样（聚苯乙烯乳液）来完成校准校准马尔文公司推荐Duke Scientific Corporation (www.dukesci.com) 的聚苯乙烯乳液为标准样品 标准起源于 NIST – the National Institute of Standards and Technology (www.nist.gov) 聚苯乙烯乳液标样 (typically 60nm)制备校准用聚苯乙烯标准样品制备校准用聚苯乙烯标准样品保证装标样容器的颈部及口部没有干化结块的乳液粉末 放弃开始的几滴乳液，之后将一滴乳液加入盛有10ml10mM NaCl溶液的烧杯 将溶液过滤，注入一个干净的样品池 将样品池盖上盖子，放入仪器Duke Scientific 聚乙烯标样 Duke Scientific 聚乙烯标样 Duke Scientific乳液标样尺寸是由透射电镜 transmission electron microscopy检测认证而得 由动态光散射测得的结果(流体力学尺寸)被 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 在随机附送的说明书中，但是没有经过认证 得到的z-均尺寸应该和说明书中的尺寸一致，误差范围应该在 2%之内分散度（polydispersity index）小于 0.05动态光散射动态光散射数据处理 Zetasizer Nano 系列数据处理数据处理实验得到的原始数据对于之后的计算分布的运算过程非常重要 原始数据的质量越好，所得结果的重复性越好 为了有助于更好的解释实验数据，马尔文建议观看不同的报告页，并将实验参数加入DTS软件中的默认选项中，显示在报告中数据处理数据处理报告 专家建议报告（Expert Advice Report） 尺寸质量报告（Size Quality Report） 相关曲线报（Correlogram Report） 累计距拟和报告（Cumulants Fit Report） 多指数拟和报告（Multimodal Fit Report） 数据解释数据解释报告 专家建议报告（Expert Advice Report） 尺寸质量报告（Size Quality Report） 相关曲线报（Correlogram Report） 累积距拟和报告（Cumulants Fit Report） 多指数拟和报告（Multimodal Fit Report） 参数 平均光强（Mean Count Rate） 截距（Measured Intercept） 检测位置（Measurement position） 累积距拟和误差（Cumulants fit error） 多指数拟和误差（Multimodal fit error） 衰减率（Attenuator） 原始光强（Derived Count Rate）光强的重复性光强的重复性同一个样品重复至少三次测试-光强误差应该在百分之几之内 在连续测试过程中光强增强意味着: 粒子聚集 在连续测试过程中光强减弱意味着: 粒子沉淀 粒子溶解 在连续测试过程中光强无规则变化意味着: 粒子不稳定 (聚集或分离) z-均直径重复性z-均直径重复性多次z-均直径的测试结果误差应在1%-2%之内 z-均直径增长意味着: 粒子聚集 温度不稳定 (粘度随时间变化) z-均直径下降意味着: 粒子沉淀 粒子溶解 温度不稳定(粘度随时间变化) 数据分析: 相关曲线图数据分析: 相关曲线图相关曲线图显示在特定时间段下每个通道的相干性，其中包含样品的信息 曲线的形状能够显示一些可能出现的明显的问题 应检查相关曲线中的噪音状况 噪音可由不同原因造成-光强太弱，样品不稳定，或者一些外部原因如散射光和其它杂散光源的相互干涉数据分析: 相关曲线图数据分析: 相关曲线图小粒子 中等分散指数 存在大的粒子/缔合 (基线不平)数据分析: 相关曲线图数据分析: 相关曲线图大粒子 高分散指数 很大的粒子/缔合物 (基线不平) 截距 > 1.0 (number fluctuations causing baseline definition problems) 数据分析: 相关曲线图数据分析: 相关曲线图双峰分布 高分布指数 无大粒子/缔合物 (基线平) 数据分析: 相关曲线图（小颗粒）数据分析: 相关曲线图（小颗粒）提高早期信号信躁比（1-10 us） 增加测试子测试数目 提高后期信号信躁比（>100 us） 增加收集时间累积距/分布拟和报告累积距/分布拟和报告累积距和分布拟和报告分别显示这两种拟和方法的质量，从中我们可以看出（1）z-均直径和分散度（2）光强分布是否可信 认为拟和误差小于0.005为较好结果 累积距/分布拟和报告累积距/分布拟和报告双分布样品的相关曲线和光强分布 尺寸质量报告给出的对于累积距法的拟和误差说明测得的z-均直径 (301nm) 并不可靠 累积距/分布拟和报告累积距/分布拟和报告由于双分布累积距拟和的结果很不好，然而分布拟和的结果非常好 因此，尽管这个测试的z-均半径不可靠，但是光强尺寸分布是很准确地Cumulants fit Distribution fit 尺寸分布的重复性尺寸分布的重复性尺寸分布结果由 NNLS 方法分析而来，对于这些结果应该检查 分布峰的位置和包含的面积的重复性 如果分布没有重复性，马尔文建议重新测量，并将测试时间延长 提取测试标准操作过程(SOP)提取测试标准操作过程(SOP)DTS软件中具有提取任何结果SOP的功能，这是一个非常有利的工具，使得我们可以查看数据的质量 可以从测试的电脑中提取测试中的报错信息(例如：与样品类型不匹配的的测试位置，手动设置的超时测量时间 尺寸质量报告尺寸质量报告对于任何选择的测试纪录，尺寸质量报告包含12步检测步骤 如果任意一步检测的结果在一个特定的范围之外，一个警告信息和一个可能原因的建议将会出现 如果所有的检测都通过，会出现一条“Result Meets Quality Criteria” 信息尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告由一个有很大，且沉淀的粒子的溶液测得的相关曲线。数量波动引起相干效应 样品不适合DLS测试，除非通过过滤离心将大尺寸粒子除去 尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告尺寸质量报告由于样品的多分散性，累积距拟和结果很差，然而分布拟和的结果很好 因此，尽管这个测试的z-均半径不可靠，但是光强尺寸分布是很准确地Cumulants fit Distribution fit Nano 软件中的数据分析Nano 软件中的数据分析Zetasizer Nano 软件提供不同的报告类型，（如尺寸质量，电位质量等等）和参数（如拟和误差）来帮助用户解释数据和结果 尺寸质量报告 对于任何一个被选择的测试结果都有12 个检测步骤 电位质量报告 对于任何一个被选择的测试结果都有6个 检测步骤 但是，这些都是测试完成后的分析报告Nano 软件中的专家咨询系统Nano 软件中的专家咨询系统专家咨询系统提供现时和过去数据质量和结果的信息 现时测试 单一测试数据的质量 是否重复试验的信息 过去测试 测试质量的信息专家模式 专家模式 专家模式在软件中的位置 在测试的过程中Expert Advice Tab 存在于测试显示窗口 对于过去的测试结果，可选中后点击鼠标的右键 过去测试的专家建议报告在 workspace 中 专家模式专家模式专家模式在软件中的位置 在测试的过程中Expert Advice Tab 存在于测试显示窗口 对于过去的测试结果，可选中后点击鼠标的右键 过去测试的专家建议报告在 workspace 中 专家模式专家模式专家模式在软件中的位置 在测试的过程中Expert Advice Tab 存在于测试显示窗口 对于过去的测试结果，可选中后点击鼠标的右键 过去测试的专家建议报告在 workspace 中专家模式专家模式专家模式在软件中的位置 在测试的过程中Expert Advice Tab 存在于测试显示窗口 对于过去的测试结果，可选中后点击鼠标的右键 过去测试的专家建议报告在 workspace 中ContentsContents动态光散射 静态光散射及分子量的测定 测量原理 应用实例 Zeta 电位 静态光散射 Static light scattering (SLS)静态光散射 Static light scattering (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Zetasizer Nano ZS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 第二维利系数第二维利系数 2nd virial coefficient (A2)第二维利系数 2nd virial coefficient (A2)一个热力学性质，形容溶质和溶剂间的相互作用 当 A2 > 0, 溶质分子稳定的存在于溶剂中 当 A2 = 0, 溶质分子和溶剂分子的相互作用等同于溶质分子内部相互作用被称为 theta 溶剂条件 当 A2<0, 溶质分子不能稳定存在于溶剂中，形成结晶或者聚集什么样的样品适合静态光散射?什么样的样品适合静态光散射?YESNOProteinsPolymersDendrimersLiposomesEmulsionsMixtures静态光散射 静态光散射 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() ：形态因子 (Rayleigh Equation)静态光散射静态光散射静态光散射静态光散射对于瑞利散射, P() = 1 因此方程被简化 因此从KC/R 对浓度做曲线，截距值为分子量的倒数1/M，斜率为第二维利系数A2 (y = mx + c)Debye 曲线样品制备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. Whatman Anotop 20nm pore size filters)分子量测定应用实例 (Lysozyme in PBS)分子量测定应用实例 (Lysozyme in PBS)ContentsContents动态光散射 静态光散射及分子量的测定 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 Zeta电位 Zeta Potential 电泳光散射 Electrophoretic Light Scattering (ELS) 激光多普勒电泳 Laser Doppler Electrophoresis (LDE) Zeta电位 Zeta Potential 电泳光散射 Electrophoretic Light Scattering (ELS) 激光多普勒电泳 Laser Doppler Electrophoresis (LDE) 理论概述胶粒分散体系（colloidal dispersion）的稳定性胶粒分散体系（colloidal dispersion）的稳定性胶粒分散体系的稳定性取决于粒子间短程吸引力（范德华力）和远程排斥力（静电力）之和 胶粒分散体系的可以通过不同机制失去稳定性分散体系的稳定性分散体系的稳定性胶粒分散体系的稳定性取决于粒子间短程吸引力（范德华力）和远程排斥力（静电力）之和 胶粒分散体系的可以通过不同机制失去稳定性分散体系的稳定性分散体系的稳定性胶粒分散体系的稳定性取决于粒子间短程吸引力（范德华力）和远程排斥力（静电力）之和 胶粒分散体系的可以通过不同机制失去稳定性维持分散体系的稳定性维持分散体系的稳定性粒子稳定的存在于溶液中主要基于以下两种机制:水溶液中表面电荷的产生水溶液中表面电荷的产生大部分水溶液中的胶体系统带一定量的电荷 电荷的产生机制有很多取决于粒子的材料和介质的性质 表面基团的离子化 粒子表面有失去离子的趋势 粒子的表面能够吸收离子或者离子性表面活性剂 表面电荷导致在粒子周围离子浓度的增加Zeta电位(Zeta Potential)Zeta电位(Zeta Potential)Zeta电位(Zeta Potential)Zeta电位(Zeta Potential)Zeta电位(Zeta Potential)Zeta电位(Zeta Potential)什么是Zeta电位?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 Zeta电位是粒子间静电力相互作用的标尺，可以被用来预测分散体系的稳定性以及存储时间影响Zeta电位的因素影响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)电动力学效应电动力学效应粒子表面带有电荷的一个重要的特性是它们会对一个存在的电场做出反应 这个效应被笼统地称作电动力学效应 依赖于运动的方式，存在有四种不同的效应电动力学效应电动力学效应电泳（Electrophoresis）:在施加电场下，带电粒子相对于液体介质的运动 电渗（Electroosmosis）:在施加电场下，液体介质相对于带有静止电荷的表面的运动 流动势能（Streaming potential）: 当液体在外力下流过一个带有静止电荷的表面所产生的电场 沉淀势能（Sedimentation potential）: 当一个带电电荷在静止液体中移动所产生的电场测量 Zeta电位测量 Zeta电位电泳是在施加电场下，带电粒子相对于液体介质的运动 电泳电泳ZETA电势和电泳淌度相关UE （ELECTROPHORETIC MOBILITY） 根据HENRY方程= 粘度(Poise)Henrys 方程 F(ka)Henrys 方程 F(ka)K是Debye length的倒数。 Debye length表征双电层的厚度 a 是粒子的半径 ka 是粒子半径对双电层厚度的比例 Henrys 方程 F(ka)Henrys 方程 F(ka)激光多普勒电泳 Laser Doppler Electrophoresis激光多普勒电泳 Laser Doppler Electrophoresis一束激光经过毛细管样品池中的样品。样品在外加电场的作用下进行电泳运动，因此由运动粒子发出的散射光会有频率的移动 频率移动 f 等于:  ：粒子的速度  ：激光的波长 q ：散射角度 f = 2 sin(/2)/用激光多普勒电泳测量Zeta电位用激光多普勒电泳测量Zeta电位用激光多普勒电泳测量Zeta电位用激光多普勒电泳测量Zeta电位因为光源的频率很高 (1014Hz), 而颗粒运动引起的频率移动很小，因此频率的移动只能通过光学混拍来测得 这种技术是检测从一个光源分出的两束光程几乎相同的激光相干性 其中一束光必须通过样品体系(这束光被称为散射光) 另一束光 (称为参考光)不通过样品体系 散射光和参考光在检测器处相干，引起光强的波动光强的波动是怎样被引发的?光强的波动是怎样被引发的?光强的波动是怎样被引发的?光强的波动是怎样被引发的?F1参考光 F1光强的波动是怎样被引发的?光强的波动是怎样被引发的?F1F2参考光 F1 和散射光 F2光强的波动是怎样被引发的?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?光强的波动是怎样被引发的?F2F1参考光 F1 和散射光 F2光强的波动是怎样被引发的?光强的波动是怎样被引发的?F2F1参考光 F1 和散射光 F2F1 = -fF2光强的波动是怎样被引发的?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 相干加强， 在 B 相干减弱 BAAF1 = -fF2光强的波动是怎样被引发的?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 相干加强， 在 B 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拍频被聚焦到检测器处拍频被聚焦到检测器处检测器检测的是光强随时间的波动，进而得到拍频检测多普勒平移的方向检测多普勒平移的方向多普勒平移的方向由比较拍频的大小和一个参考频率的大小 参考频率由调制在参考光源光路上的一面反光镜生成 粒子在施加电场中的移动将会造成区别于调制频率的频率(320 Hz)的移动 这样我们得到zeta电位的明确的符号Nano的光学构造 Nano的光学构造 参考光不通过样品池 衰减镜片调整入射光的光强 这样仪器可以检测很宽浓度范围内的样品电渗(Electroosmosis)电渗(Electroosmosis)Electrophoresis in a Closed Capillary Cell 避免电渗: 高频电场反转-Fast Field Reversal (FFR)避免电渗: 高频电场反转-Fast Field Reversal (FFR)电动力学理论分析显示当施加一个电场于一个毛细管样品池上，带电粒子达到最终速度所需的时间要比电渗建立起来的时间至少快一个数量级 M. Minor, A.J. van der Linde, H.P. van Leeuwen and J. Lyklema (1997) J Colloid and Interface Science 189, 370-375混合模式测试-Mixed Mode Measurement (M3)混合模式测试-Mixed Mode Measurement (M3)混合模式测试是一个专利方法，使得测试可以在毛细管中的任何一点进行 这个模式中包含高频电场反转 (FFR) 和低频电场反转 (SFR) FFR 测试了在电渗开始之前带电粒子真实的电泳运动速度 SFR 改善了测试的分辨率，提供电势分布的信息 相分析光散射Phase Analysis Light Scattering （PALS）被用于检测在FFR模式下粒子的移动性Zetasizer Nano 系列中的 Zeta电势测试:M3 PALS Zetasizer Nano 系列中的 Zeta电势测试:M3 PALS 相分析光散射-Phase Analysis Light Scattering 非常准确的检测频率的移动 粒子的移动性由比较检测到的拍频和在FFR中的参考频率的相位而得 参考频率 320Hz 由调制器产生Phase Analysis Light ScatteringPhase Analysis Light ScatteringPhase Difference DemonstrationZeta电位（Zeta Potential）Zeta电位（Zeta Potential）样品制备和仪器校正zeta电位试验中的样品测试zeta电位试验中的样品测试Zeta电位测试中对样品的要求不像尺寸测试对样品的要求那样严格，样品可以看上去不很透明 可测浓度的上限依赖于粒子尺寸和光学性质 粒子的尺寸越大，需要样品的浓度越稀 粒子和分散剂的折光指数差越大，需要样品浓度越稀zeta电位试验中的样品测试zeta电位试验中的样品测试当溶液需要稀释的时候，稀释的方式对于最终结果的测量非常重要 对于有效的测试，稀释溶液很重要！ 不考虑分散剂性质（盐度，PH……）的测试是没有意义的！ Zeta电位对分散体系组成的依赖性和对粒子性质的依赖性同样重要zeta电位试验中的样品测试（SiO2 浆料）zeta电位试验中的样品测试（SiO2 浆料）浓度对Zeta电位的影响Zeta电位和pHZeta电位和pH自动滴定确定等电点Zeta电位 和 非特定离子吸收 （Non-Specific Ion Adsorption）Zeta电位 和 非特定离子吸收 （Non-Specific Ion Adsorption）非特定离子吸收 对等电点没有影响 非特定离子吸收 可以改变粒子的Zeta电位 如氧化铝和 KNO3Zeta电位 和 特定离子吸收 (Specific Ion Adsorption)Zeta电位 和 特定离子吸收 (Specific Ion Adsorption)特定离子吸收 导致等电点的变化 甚至很低浓度的特定吸收离子的存在可以极大的改变粒子的zeta电位 在一些情况下，特定吸收离子甚至可以翻转电荷的符号 如氧化铝和LiNO3 溶剂的影响 碳黑分散在不同的溶剂中溶剂的影响 碳黑分散在不同的溶剂中甲基乙基酮四氯乙烷甲苯zeta电位试验中的样品测试zeta电位试验中的样品测试在稀释溶液的过程中应该保持粒子表面的性质 你有稀释溶液吗？ 过滤或者离心一些原溶液，取上清夜作为稀释溶液 让样品自然沉淀，使用上层溶液测试 (zeta电位不依赖于粒子尺寸) 尽量使稀释溶液的性质接近原溶液，应考虑以下因素 pH 离子强度 其它成分浓度 样品的浓度要求样品的浓度要求激光必须能够穿过样品，因为散射光将在向前的角度被检测到 因此， 原则 组织架构调整原则组织架构设计原则组织架构设置原则财政预算编制原则问卷调查设计原则 上讲，对于Zeta电位测试的样品应该具备光学上的清澈 最高和最低的的样品浓度依赖于以下因素: 粒子尺寸 粒子尺寸分散度 粒子的光学性质最低样品浓度最低样品浓度为了进行测试，样品的散射光应该有一定的过剩强度 因此，最低样品浓度依赖于相对折光指数 (溶质粒子和分散剂的折光指数差)和粒子的尺寸 粒子的尺寸越大，散射光越强，因此浓度下限越低 如果散射光强低于 10kcps, 测试过程中 Expert advice 将会建议增加溶液浓度最高样品浓度最高样品浓度这个问题不太容易回答 我们应该考虑到很多因素，如样品尺寸，分散度，光学性质 Zeta电位的测试中，激光必须穿过样品，因为散射光在向前的角度被检测到 如果样品的浓度太高，被检测到的粒子散射的激光强度会有很大的衰减 为了抵消这些影响，仪器中衰减镜片的位置将被调整到一个比较高的指数，也就是比较高的透射率检查正确的仪器操作检查正确的仪器操作Zeta电位的仪器本身不用校正 但是可以通过检测标样的zeta电位来验证仪器是否工作正常 Zeta电位标准样品 DTS1230Zeta电位标准样品 DTS1230这个乳液被用来验证一起的操作是否正确 其电势值为 –68 mV (± 6.8mV) 样品即可测量不需要再制备 不用考虑制样过程带来的影响推荐测试前清洗过程推荐测试前清洗过程对于毛细管样品池 用乙醇或者甲醇清洗样品池 用去离子水清洗样品池 用你的样品清洗样品池 将样品注入样品池 请注意，仅仅在第一次使用样品池之前用乙醇清洗样品池，在之后的测试过程中不需要再用乙醇清洗插入样品池插入样品池白色透明的毛细管样品池不同的插入方向将导致检测器检测到差别很大的散射光强 大部分情况下，散射光强的不同不会导致不同的检测结果 然而，当被测样品的散射性很差时，试验可能无法进行Zeta电位 / Zeta PotentialZeta电位 / Zeta PotentialVersion 5.00 软件中的检测规程 建立测试: 测试（measurement）建立测试: 测试（measurement）自动模式（ automatic） 的时间取决于子测试（ sub runs ）的数量。子测试最少为10次最多可以进行100次。 子测试的具体次数将在后面讨论 也可以选择手动设置（ manual ）测试时间来规定子测试的数量建立测试: 数据处理（Data Processing）建立测试: 数据处理（Data Processing）软件提供三种分析模式 自动模式-Auto mode 常规模式-General Purpose 单项模式-Monomodal 软件中还有一个选择可以载入由Malvern工作人员提供的分析设置自动模式- Auto Mode 1自动模式- Auto Mode 1检测散射光水平，使用适当的衰减镜片使得散射光的强度为参考光源强度的1/10 如果样品的散射光强度低于 10kcps, 将会显示专家建议- Expert advice，适当增加样品的浓度自动模式- Auto Mode 2自动模式- Auto Mode 2测试样品的导电率-conductivity 施加在样品上的电压将会视导电率而定，详细信息请参看右表 增加导电率将会使得施加的电压下降，从而延长样品池和样品的寿命自动模式- Auto Mode 3自动模式- Auto Mode 3选择分析模式 General Purpose 将会给出 zeta电位的分布, Monomodal 只能给出平均 zeta 电位值 General Purpose 模式下会施加长时间的稳定电场，但这种模式将降低样品池和样品的寿命 如果导电率大于 5mS/cm 将默认使用 Monomodal 模式自动模式- Auto Mode 4自动模式- Auto Mode 4这个条件可以用 Configure改变，从而手动设置分析模式自动模式- Auto Mode 5自动模式- Auto Mode 5经过10个子测试后，软件将会检测测试质量，测试质量是一个基于信躁比的参数 一旦质量因子大于1, 软件认为测试结果可以接受并且可靠自动模式- Auto Mode 6自动模式- Auto Mode 6进一步软件将会监测zeta电位的平均值，只有当下一次测试的结果与前面结果的误差在 1% 以内，软件将停止测试 如果这个条件没有达到，测试将继续进行直到结果间误差小于 1% 或者测试将进行到最大的设置值 (默认为100次子测试) Zeta电位 检测规程-Measurement ProtocolZeta电位 检测规程-Measurement Protocol当Zetasizer Nano 进行一个zeta电位测试时，参考光源的光强将被记录到日志页中 (通常 2000 到 2800kcps) 入射光源的的强度将被衰减镜片调整到参考光源的1/10 Zetasizer Nano中衰减镜片有11各选择位置，涵盖 100% 到 0.0003% 的衰减率 Zeta电位 检测规程-Measurement ProtocolZeta电位 检测规程-Measurement Protocol衰减镜片编号与透射率的关系在下一页中显示 透射率指进入到样品中的光强占总光强的比率 如果样品散射小于10kcps, 测试将显示专家建议-Expert advice，适当增加样品的浓度Nano 系列: 衰减镜片Nano 系列: 衰减镜片Zeta电位（Zeta Potential）Zeta电位（Zeta Potential）常规模式-General Purpose 单项模式-MonomodalDisposable Zeta CellDisposable Zeta Cell常规模式-General Purpose = FFR + SFR = M3常规模式（General Purpose） 相曲线常规模式（General Purpose） 相曲线常规模式（General Purpose） 相曲线常规模式（General Purpose） 相曲线FFRPALS only to obtain mean (Ep)常规模式（General Purpose） 相曲线常规模式（General Purpose） 相曲线FFRPALS only to obtain mean (Ep)SFRPALS to obtain mean (Eo+ Ep) + FT to obtain distribution (width)电压 & 电流曲线电压 & 电流曲线电压 & 电流曲线电压 & 电流曲线FFR电压 & 电流曲线电压 & 电流曲线FFRSFR频率曲线: General Purpose频率曲线: General Purpose一次性Zeta样品池 Disposable Zeta Cell一次性Zeta样品池 Disposable Zeta Cell单项模式-Monomodal = FFR单项模式 Monomodal 相曲线 单项模式 Monomodal 相曲线 单项模式 Monomodal 相曲线单项模式 Monomodal 相曲线PALS only to obtain me