动态光散射分析（DLS）

发布时间：2025-06-11 16:50:45 阅读量：7 作者：生物检测中心

动态光散射（DLS）技术详解

一、基本原理

动态光散射（Dynamic Light Scattering, DLS），也称光子相关光谱（Photon Correlation Spectroscopy, PCS）或准弹性光散射（Quasi-Elastic Light Scattering, QELS），是一种用于测量悬浮在液体中纳米或亚微米尺度颗粒（或大分子）尺寸及尺寸分布的非侵入式分析技术。

其核心物理基础是布朗运动：悬浮在液体中的微小颗粒由于受到周围溶剂分子的随机碰撞而进行无规则的随机运动。当一束单色、相干的光（通常是激光）照射到这些做布朗运动的颗粒上时，颗粒会将光向各个方向散射。

关键点：散射光强度会随时间发生随机涨落。 这是因为颗粒的位置时刻在变化，导致散射光波之间的相位差也随机变化，从而在探测点产生相长或相消干涉，表现为散射光强的随机波动。

二、核心测量：自相关函数

DLS仪器通过一个高灵敏度的光电探测器（如光电倍增管或雪崩光电二极管）收集某一固定角度（通常是90°或173°）的散射光信号，并记录下散射光强度随时间的变化曲线。

为了从看似杂乱无章的光强波动中提取颗粒运动的信息，DLS技术采用自相关函数进行分析：

  • 自相关函数定义： 它衡量的是在时间点 t 的光强 I(t) 与在稍后时间点 (t + τ) 的光强 I(t + τ) 之间的相似程度。数学上表示为： G²(τ) = <I(t) * I(t + τ)> / <I(t)>² 其中，< > 表示时间平均，τ 是延迟时间。

  • 物理意义： 对于做布朗运动的颗粒，其散射光强自相关函数 G²(τ) 会随时间延迟 τ 的增加而衰减。衰减速度直接反映了颗粒扩散的快慢：

    • 小颗粒： 扩散速度快（布朗运动剧烈），位置变化快，散射光强波动快，自相关函数 G²(τ) 衰减非常迅速。
    • 大颗粒： 扩散速度慢（布朗运动相对平缓），位置变化慢，散射光强波动慢，自相关函数 G²(τ) 衰减缓慢。

三、从相关函数到粒径：斯托克斯-爱因斯坦方程

通过拟合实验测得的自相关函数 G²(τ) 的衰减曲线（通常是指数衰减形式），可以提取出一个关键参数——衰减速率 Γ。

衰减速率 Γ 与颗粒的平移扩散系数 D 直接相关： Γ = D q² 其中：

  • q 是散射矢量的大小，q = (4πn / λ) sin(θ/2)。
    • n 是溶剂的折射率。
    • λ 是入射光在真空中的波长。
    • θ 是散射角。

最终，利用斯托克斯-爱因斯坦方程 (Stokes-Einstein Equation)，将扩散系数 D 转换为表征颗粒大小的流体力学直径 dH： dH = (kT) / (3πηD) 其中：

  • k 是玻尔兹曼常数。
  • T 是绝对温度（开尔文）。
  • η 是溶剂的粘度。

四、多分散体系与尺寸分布

对于尺寸均一的单分散体系，自相关函数呈现单指数衰减，可以精确计算出单一粒径。

然而，实际样品通常是多分散的，包含不同尺寸的颗粒或分子。此时，自相关函数是多指数衰减的叠加： G²(τ) = A [∫ G(Γ) exp(-Γτ) dΓ]² + B

分析多分散样品的关键在于反演计算：通过数学算法（如累积量分析法、CONTIN算法、NNLS算法等）从测得的 G²(τ) 中解出表征扩散系数分布（或衰减速率 Γ 分布）的函数 G(Γ)，再通过斯托克斯-爱因斯坦方程将其转换为流体力学直径的分布。

  • 累积量分析法： 快速简便，提供平均粒径（Z-Average）和多分散指数（PDI）两个主要参数。PDI 值（通常范围0-1）表征分布的宽窄，PDI<0.05 通常认为非常单分散，PDI>0.7 表明分布非常宽或体系复杂。
  • 分布反演算法（如 CONTIN）： 提供更详细的粒径分布图（如强度分布、体积分布、数量分布）。

五、实验关键因素与样品要求

  1. 样品制备： 至关重要。
    • 溶剂选择： 必须纯净、无尘，且与样品兼容。常用经0.02 μm或0.1 μm滤膜过滤的去离子水或缓冲液。
    • 样品浓度： 需要优化。浓度过高会导致多重散射（光被多个颗粒散射，失真）和相互作用增强（颗粒靠太近，影响扩散），使结果偏大；浓度过低则信号太弱，信噪比差。理想浓度应使仪器计数率在推荐范围内（如几十到几百 kcps）。
    • 样品净化： 样品溶液本身必须彻底去除尘埃和大颗粒污染物，通常需经0.1 μm或0.22 μm滤膜过滤或高速离心。
    • 无气泡： 样品中不能有气泡，测量前需静置或低速离心。
  2. 温度控制： 扩散系数 D 对温度敏感（粘度 η 和 T 均影响结果），测量池必须精确控温（通常±0.1°C）。
  3. 溶剂参数： 准确输入测量温度下溶剂的折射率和粘度是精确计算 dH 的必要条件。
  4. 测量角度： 常规角度为90°或173°（背散射）。背散射角度有助于降低样品池壁反射干扰，并能在一定程度上容忍稍高浓度或稍大粒径的样品。

六、优缺点

  • 优点：
    • 快速便捷： 单次测量通常在几分钟内完成。
    • 非侵入、无损： 样品可回收。
    • 所需样品量少： 通常只需几十微升至几毫升。
    • 测量范围广： 典型粒径范围约0.3 nm 到 10 μm (取决于仪器配置和样品性质)。
    • 测量流体力学直径： 反映颗粒在溶剂中运动的等效球体尺寸，包含溶剂化层和分子构象信息，对理解生物大分子行为特别重要。
    • 可测低浓度： 对于强散射样品（如金属纳米颗粒），浓度可低至 μg/mL 级。
    • 可测Zeta电位： 部分配置电泳池的仪器可测量颗粒的Zeta电位（电泳光散射）。
  • 缺点：
    • 对样品清洁度要求极高： 微量灰尘或气泡会严重干扰结果。
    • 对聚集敏感： 即使少量聚集体也会显著影响结果（散射光强与粒径的六次方成正比）。
    • 分辨力有限： 难以精确分辨粒径差异小于约2-3倍的混合体系。
    • 结果代表散射强度分布： 直接得到的是基于散射光强权重的尺寸分布（I ∝ d⁶）。转换为体积分布或数量分布需要假设颗粒形状和光学性质（如折射率），存在误差。
    • 不适用于高浓度或不透明样品： 多重散射会扭曲信号。
    • 不能提供颗粒形貌信息： 只能得到等效球直径。

七、典型应用领域

  • 纳米材料科学： 表征纳米颗粒（金属、氧化物、聚合物、量子点等）的尺寸、分布及胶体稳定性。
  • 生物化学与制药：
    • 蛋白质、多肽、抗体、病毒等生物大分子的流体力学尺寸、聚集状态分析。
    • 药物递送系统（脂质体、胶束、树枝状聚合物）的尺寸表征。
    • 生物分子相互作用研究（如结合引起尺寸变化）。
  • 高分子化学： 测量聚合物分子量（通过建立分子量与流体力学尺寸的经验关系）、聚合物胶乳粒径、支化度研究。
  • 食品科学： 分析乳液、脂肪球、蛋白质聚集体的尺寸。
  • 化妆品： 乳液、微乳液、脂质体的粒径控制与稳定性评估。
  • 墨水、涂料： 颜料、填料颗粒的分散性及稳定性监测。
  • 环境科学： 研究水体中天然有机质（NOM）或胶体颗粒的尺寸。

总结

动态光散射（DLS）是一种基于测量布朗运动颗粒散射光波动来获取其流体力学直径及分布的核心纳米表征技术。其优势在于快速、无损、对溶液环境敏感，特别适用于生物大分子和胶体纳米颗粒的尺寸分析。然而，其对样品纯度要求苛刻，对聚集敏感，且分辨率有限。理解其基本原理、实验要求和数据解读方法，对于获得可靠结果至关重要。DLS在纳米科技、生物医药、材料科学等诸多领域扮演着不可或缺的角色。