TEM与DLS（动态光散射）测量的粒径比较

通过动态光散射（DLS）进行乳胶标准测量

动态光散射（DLS）是一种适用于纳米粒子以及诸如蛋白质和聚合物等低分子量分子尺寸表征的非侵入性技术。该技术通过测量因布朗运动而导致的粒子或分子随机移动引起的散射光强度的时间波动来实现。这种布朗运动的速度被测量，称为平移扩散系数（D），可以通过斯托克斯-爱因斯坦方程[1-3]转换为流体动力学直径（D,_H）。

DLS是一种基于第一原理的绝对技术，因此不需要校准。然而，为了确认仪器的正确操作，应定期执行设备验证。

球形聚合物乳胶非常常用于验证正确的仪器性能。这是因为它们可以用作近乎完美的球形的单一分散体。球体是唯一能够用单一数值明确描述其大小的三维形状，由于单一分散性，消除了与计算平均大小相关的不确定性。

聚合物乳胶样品还有其他优点。由于它们的密度与水相似，因此小于1微米的粒子在测量期间会保持在悬浮液中。分散体可以在室温下储存，保质期为几个月或几年。

Nanosphere 3000系列尺寸标准物质[3]均附有通过透射电子显微镜（TEM）测量的校准证书，可以追溯到NIST[4]。标准规格还包括通过动态光散射（DLS）测量的流体动力学直径。

Nanosphere 3000系列尺寸标准物质可用于20nm至900nm的范围内。最容易测量的大小是在20nm到300nm之间。大于60nm的粒子在适合DLS的稀释溶液中能够提供高度可重复的结果。大于300nm的粒子由于散射强度开始显著变化，故不需要考虑角度。

Duke Standards 2000和4000系列是NIST可追溯的尺寸标准物质，也可用于DLS验证应用，并包含大于1微米的尺寸。

认证的流体动力学尺寸

Nanosphere瓶上标示的结果为认证的TEM结果。

DLS结果（即流体动力学尺寸）在提供的规格表中引用，但不是认证的值。

对于所有Nanosphere 3000标准物质，通过DLS测量的尺寸准确性必须在通过在10mM NaCl中制备的样品的指定流体动力学尺寸范围±2%内[2,3]。

氯化钠用于抑制电双层。用去离子水稀释标准物质会扩展双层并人为地增加尺寸，从而导致超出规格。

通过TEM与DLS测量的尺寸比较

由于不同测量技术测量的是粒子的不同特性，因此在所解释的尺寸特性方面可能带来不同的结果。因此，经常问到的问题是哪个结果是正确的？

对于许多人来说，“眼见为实”使得电子显微镜结果被视为“准确”的结果。

实际上，为电子显微镜检查准备的样本经常受到严酷的处理，此类处理可能会变形诸如聚合物格子之类的柔软材料，并改变或掩盖表面结构。

某些材料类型（例如表面活性剂胶束）的尺寸测量可能变得不可能。相反，DLS在本机环境下测量分散的粒子的流体动力学直径。

诸如吸附的高分子层之类的所有表面结构或电双层的变化（影响粒子布朗运动的因素）将改变有效粒子的大小[5]。

使用非常低盐分的分散剂增加表面结构以扩展电双层将减少布朗运动并增大所测量的尺寸。 因此，非光滑、非坚硬的球体的流体动力学尺寸或DLS尺寸通常大于TEM尺寸。

表：对乳胶标准物质进行的DLS测量总结。

该表格包括所用的乳胶（括号中显示的部件编号）、认证的（#）或流体动力学的（*）尺寸范围、测得乳胶的浓度、用于制备的稀释剂、进行测量的仪器以及为每种乳胶获得的z-平均直径的详细信息。

结果及讨论

表1总结了通过DLS测量的各种乳胶标准中获得的结果。所有标准都有认证的尺寸范围，但有些还引用了流体动力学尺寸范围。认证的尺寸范围（#）是通过透射电子显微镜获得的，可追溯到NIST。流体动力学尺寸范围(*)是由DLS确定的。

结果表明乳胶标准物质可以在较宽的浓度范围内进行测量。通过用于Zetasizer的后向散射检测，有些乳胶样品可以在较小的浓度（例如 1% w/v）下进行测量。

随着乳胶粒子的尺寸增大，数目波动和沉降问题变得重要。在测量DLS时，光散射的强度由于粒子的布朗运动而波动。散射强度与样品浓度成正比，因此测量过程中散射体积内的粒子数应保持恒定。然而，随着粒子尺寸的增加，由于散射体积的粒子数因瞬时波动而减少。数目波动定义为散射体积内粒子数变化引起的DLS测量过程的变化。

为避免数目波动，应增加样品的浓度。然而这会增加多重散射效应，从而影响获得的结果。使用具有可变测量位置的后向散射检测可以测量更高的样品浓度，从而避免数目波动问题。数目波动通常在相关函数中以上升和波动的基线上表现出来。

用DLS测量大尺寸粒子时，第二个问题是沉降。所有粒子都会沉降，速率取决于粒子和悬浮介质的相对密度。对于DLS，沉降速度必须远小于扩散速度。大粒子的扩散速度慢，因此沉降是一个更重要的问题。

通过确认同一样品的重复测量中的计数速度的稳定性，可以识别沉降的存在。随着连续测量而减少的计数率表明存在沉降，Zetasizer软件会将其强调给用户。

在不显著增加粘度的情况下，悬浮在相似密度的介质中可能是有利的。在此应用说明中，为测量3、6和8.9mm的乳胶，样品在13% w/v的蔗糖中制备，其密度与乳胶相同。

对3, 6 和8.9μm乳胶样品获得的结果使用DLS技术在预期的尺寸范围内。它们在0.15到0.24% w/v的浓度下进行测量。这些结果确认通过使用后向散射检测，可以最小化多重散射效应，并且数目波动和沉降并未影响获得的结果。

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参考文献

[1] R. Pecora (1985) 动态光散射：光子相关光谱学的应用。Plenum Press, New York.

[2] 国际标准ISO13321(1996) 粒径分布测量方法部分8：光子相关光谱技术。ISO（国际标准化组织）。

[3] 国际标准ISO22412(2008) 粒径分析：动态光散射（DLS）。ISO（国际标准化组织）。

[4] 美国国家标准技术研究所（www.nist.gov）。

[5] R.S. 陶和K. 塔卡穆拉（1988）J. Colloid. International Science, 125, 266.