TEM與DLS（動態光散射）測量的粒子大小（粒度）比較

通過動態光散射(DLS)進行的乳膠標準測量

動態光散射(DLS)是一種適合於納米粒子以及蛋白質和聚合物等低分子量分子的尺寸特性化的非侵入性技術。該技術測量由於布朗運動而產生的粒子或分子的隨機運動導致的散射光強度隨時間的變化。測量的是這一布朗運動的速度，稱為平移擴散係數(D)，可以使用斯托克斯-愛因斯坦方程[1-3]轉換為流體動力學直徑(D,_H)。

DLS是一種使用第一性原理的絕對技術，因此不需要校正。然而，為了確認操作正確，需要定期進行儀器驗證。

球形聚合物乳膠通常用於驗證儀器的正確性能。這是因為它們可以用作近乎完美球形的均勻分散體。球體是唯一能夠以單一圖形清楚説明尺寸的三維形狀，並且因為是單一分散的，從而消除了與平均尺寸計算相關的不確定性。

聚合物乳膠樣品還有其他的優勢。由於與水的密度相近，因此在測量過程中小於1微米的顆粒會保持懸浮狀態。分散液可以在室溫下保存，並且其保存期限可以為數月或數年。

Nanosphere 3000系列尺寸標準物質[3]配備了由可追溯至NIST[4]的透射電子顯微鏡(TEM)測量的校準證書。標準規範還包括通過動態光散射(DLS)測量的流體動力學直徑。

Nanosphere 3000系列尺寸標準物質可用於20nm至900nm的範圍，最容易測量的尺寸為20nm至300nm。大於60nm的顆粒在適合DLS測量的稀釋液中可以提供非常可重復的結果。大於300nm的顆粒不必考慮角度，因為越小的顆粒在散射強度上開始有明顯的變化。

Duke Standards 2000和4000系列是NIST可追溯的標準物質，可用於DLS驗證應用，並包括大於1微米的尺寸。

認證流體動力學尺寸

Nanosphere瓶子上顯示的結果是認證的TEM結果。

DLS結果（即流體動力學尺寸）在提供的規範表中引用，並非認證值。

對於所有Nanosphere 3000標準物質，DLS測量的尺寸準確性（10mM NaCl中制備的樣品）應在指定的流體動力學尺寸範圍±2%以內[2,3]。

氯化鈉用於抑制電雙層。將標準物質稀釋在去離子水中會擴展電雙層並導致尺寸的人工增加，可能超出規範。

TEM和DLS測量的尺寸比較

不同測量技術測量粒子的不同特性，因此解釋的尺寸方面可能會提供不同的結果。因此常有人問，哪個是正確的結果？

對很多人來說，‘眼見為實’，因此電子顯微鏡的結果是‘準確的’。

事實上，為電子顯微鏡檢測準備的樣品通常經過苛刻的處理，這種處理可能會扭曲如聚合物網格等的柔軟材料並改變或掩蓋其表面結構。

這可能使一些類型的材料的尺寸測定變得不可能，例如表面活性劑的膠束。相反，DLS測量的是在天然環境中分散粒子的流體動力學直徑。

如吸附的聚合物層等所有影響粒子布朗運動的表面結構或電雙層的變化都會改變有效粒子尺寸[5]。

使用非常低鹽度的分散液增加表面結構或擴展電雙層會降低布朗運動並增加測量出的尺寸。基於此原因，非平滑且堅硬的球粒子的流體動力學尺寸或DLS尺寸通常大於TEM尺寸。

表：對乳膠標準物質進行的DLS測量總結。

此表包含使用的乳膠（括號中顯示部件編號）、認證的(#)或流體動力學(*)尺寸範圍、乳膠測量的濃度、制備使用的稀釋劑、進行測量的儀器和每個乳膠獲得的z-平均直徑的詳細信息。

結果與討論

表1總結了DLS測量的各種乳膠標準獲得的結果。所有標準都有認證的尺寸範圍，但有些同時引用了流體動力學尺寸範圍。認證的尺寸範圍(#)是使用透射電子顯微鏡獲得的，可追溯到NIST。流體動力學尺寸範圍(*)是由DLS確定的。

結果顯示，量度乳膠標準的濃度範圍很廣。Zetasizer 使用的後向散射檢測允許一些乳膠樣品以簡約濃度（如1% w/v）進行測量。

隨著乳膠粒子尺寸的增加，數波動和沉降的問題變得更加突出。在進行DLS測量期間，散射光的強度會隨粒子的布朗運動而變動。散射強度與樣品濃度成正比，因此散射體積內的粒子數需要在測量過程中保持不變。然而，隨著粒子尺寸的增加，散射體積內的粒子數會持續減少，直至產生明顯的粒子數變動。 粒子數變動在DLS測量過程中被定義為散射體積內粒子數的變化。

為了避免數波動，需要提高樣品濃度。然而，這會增加多重散射效果並影響獲得的結果。使用後向散射檢測和可變測量位置可以測量更高的樣品濃度，從而避免數字波動問題。通常，數字波動由相關性函數中上升和波動的基準線表示。

當用DLS測量大尺寸粒子時，第二個問題是沉降。所有粒子都會沉降，其速度取決於粒子大小及其與懸浮介質的相對密度。對於DLS而言，沉降速度必須遠小於擴散速度。大尺寸粒子擴散緩慢，因此沉降是更重要的問題。

沉降是否存在，可以通過檢查相同樣品的重複測量中的計數率穩定性來確定。連續測量中減少的計數率表明存在沉降，Zetasizer軟件會向用戶強調這一點。

在黏度顯著不增加的情況下，將粒子懸浮在密度相似的介質中可能更有利。在本應用程式說明中，為測量3, 6和8.9mm乳膠，使用了具有相同密度的13% w/v蔗糖制備樣品。

對3, 6和8.9μm乳膠樣品獲得的結果在DLS技術下的預期尺寸範圍內。它們在介於0.15至0.24% w/v的濃度下進行測量。這些结果證實，使用後向散射檢測可將多重散射效應最小化，并且數字波動和沉降不影響所得结果。

下載此材料: 乳膠標準測量

參考資料

[1] R. Pecora (1985) 動態光散射：光子關聯光譜法的應用。普雷尼出版社，紐約。

[2] 國際標準ISO13321(1996) 顆粒尺寸分佈測量方法第8部分：光子關聯光譜學。ISO（國際標準化組織）。

[3] 國際標準ISO22412(2008) 顆粒尺寸分析：動態光散射（DLS）。ISO（國際標準化組織）。

[4] 美國國家標準與技術研究院(www.nist.gov)。

[5] R.S. Chow和K. Takamura (1988) J. Colloid. International Science, 125, 266.