动态光散射粒径检测：原理、应用与关键技术
动态光散射（Dynamic Light Scattering, DLS），又称光子相关光谱（Photon Correlation Spectroscopy, PCS）或准弹性光散射（Quasi-Elastic Light Scattering, QELS），是一种广泛应用于纳米至亚微米尺度（典型范围约1纳米至几微米）颗粒或分子在溶液中粒径及粒径分布表征的快速、无损分析技术。
核心原理：布朗运动与光强波动
DLS技术的基础在于检测悬浮液中微小粒子持续的、随机的布朗运动（由溶剂分子热碰撞驱动）。当一束单色相干激光（通常为激光）照射到样品上时，运动中的粒子会使散射光发生多普勒频移，导致散射光强度随时间发生随机涨落（波动）。
- 核心关联： 粒子运动速度与其尺寸直接相关。小粒子运动速度快，散射光强度波动频率高（变化快）；大粒子运动速度慢，散射光强度波动频率低（变化慢）。
- 关键测量： DLS仪器通过高灵敏度的光电探测器（如光电倍增管PMT或雪崩光电二极管APD）在固定散射角（最常见为90°或173°（背散射））连续记录散射光强度随时间的变化。
- 数据分析 - 自相关函数： 记录到的散射光强随时间变化的光强信号（光强-时间曲线）通过数学方法（自相关函数分析）进行处理。自相关函数描述了光强信号在时间上的相似程度，其衰减速度直接反映了粒子扩散的快慢：
- 快衰减： 对应小粒子（扩散快）。
- 慢衰减： 对应大粒子（扩散慢）。
仪器基本构成
- 光源： 单色性好的稳定激光器（如He-Ne激光器，波长632.8 nm，或半导体激光器）。
- 样品池： 盛放待测液体样品的比色皿。
- 光学系统： 包括透镜、光阑等，用于聚焦入射光和收集散射光。
- 探测器： 高灵敏度光电探测器，将散射光信号转换为电信号。
- 相关器： 核心电子部件，实时计算散射光强的自相关函数。
- 计算机与软件： 控制仪器运行，采集相关函数数据，进行模型拟合计算粒径分布，并显示结果。
获取的信息
- 流体力学直径： DLS测量得到的是颗粒在溶液中运动的等效球体直径，称为流体力学直径（Hydrodynamic Diameter, Dh）。它包含了颗粒内核、表面吸附层（如表面活性剂、聚合物）、溶剂化层等所有影响其在溶液中扩散运动的因素。
- 平均粒径： 通常报告为Z-Average直径（基于光强分布计算的平均尺寸，对较大粒子更敏感）或多分散指数（PDI）值。
- 多分散指数： 粒径分布宽度的量度。PDI值接近0表示单分散性好（粒径分布窄），值越大表示多分散性越强（粒径分布越宽）。
- 粒径分布（可选）： 通过特定的数学算法（如累积量分析法、CONTIN算法、NNLS算法等），软件可以从自相关函数中反演出颗粒的粒径分布信息（基于光强、体积或数量）。
典型应用场景
- 纳米材料表征： 金属纳米颗粒、量子点、脂质体、聚合物胶束、二氧化硅颗粒等纳米材料的粒径与分散性分析。
- 生物分子研究： 蛋白质、多肽、病毒、疫苗颗粒、核酸（DNA/RNA）的分子量估算（需结合斯托克斯-爱因斯坦方程和标准曲线）和聚集状态监测。
- 药物研发与质量控制： 脂质纳米粒（LNPs）、微乳、纳米乳、脂质体药物等递送系统的粒径控制与稳定性评估（如聚集、絮凝）。
- 胶体化学： 胶体分散体系的稳定性研究、絮凝/聚集动力学监测。
- 表面化学： 研究分子在颗粒表面的吸附行为（吸附层厚度影响Dh）。
- 高分子科学： 聚合物分子量分布（需结合其他技术）、胶束形成、聚合反应监测。
- 食品、化妆品工业： 乳液、悬浮液等产品中微粒的粒径分析。
技术特点与优势
- 快速： 一次测量通常只需几十秒到几分钟。
- 无损： 样品测量后通常可回收。
- 高灵敏度： 可检测极低浓度样品（微克/毫升级别甚至更低）。
- 测量范围广： 覆盖纳米至亚微米尺度（约1 nm - 10 μm，实际范围受仪器和样品限制）。
- 可测粒径分布： 提供平均粒径及分布宽度的信息。
- 溶液中测量： 反映颗粒在接近真实应用环境（溶液）中的状态。
- 无需校准： 基于基本原理，理论上无需粒径标准物校准（但实际应用中标准物可用于验证仪器性能）。
- 可扩展性： 结合电泳光散射（ELS）技术可测量Zeta电位。
重要注意事项与局限性
- 样品要求： 样品必须能稳定分散在溶剂中，避免明显沉降或聚集。高浓度样品会导致多重散射，影响结果准确性（需稀释至合适浓度）。样品需洁净，避免灰尘等大颗粒污染。
- 流体力学直径： 测量的Dh是等效球直径，非几何尺寸。形状不规则或具有多孔/溶胀结构的颗粒，其Dh与几何尺寸可能存在差异。
- 多分散性挑战： 对于高度多分散的样品（特别是同时存在极小和极大颗粒时），DLS反演出的粒径分布可能不够准确或存在模糊性。平均粒径（Z-Average）对样品中少量的大颗粒非常敏感。
- 小颗粒检测： 当样品中存在少量大颗粒（聚集体或污染物）时，它们对散射光的贡献会远大于小颗粒，可能掩盖小颗粒的信号，导致测得的平均粒径偏大。
- 绝对分子量： 对于生物大分子，DLS测得的Dh需结合粘度等参数并依赖标准曲线才能估算分子量，不如静态光散射（SLS）直接。
- 光学参数： 需要准确输入溶剂的折射率（RI）和粘度（η），以及颗粒的折射率（对于复杂分布，使用平均值）。
与激光衍射（LD）的区别
DLS和LD（激光衍射）都是光散射技术，但原理和应用范围不同：
- 原理： DLS基于光强波动（时域）分析布朗运动速度；LD基于散射角分布（空域）分析衍射/折射/反射光的空间分布。
- 尺寸范围： DLS擅长纳米至亚微米（1 nm - ~3 μm）；LD擅长亚微米至毫米（~0.1 μm - 3000 μm）。
- 报告粒径： DLS报告流体力学直径（Dh）；LD报告体积等效直径（基于米氏理论）。
- 对运动敏感： DLS对粒子运动敏感；LD对粒子静止状态下的散射角敏感。
- 浓度： DLS通常需要较低浓度以避免多重散射；LD可处理较高浓度。
拓展：Zeta电位测量（电泳光散射ELS）
DLS仪器常配备Zeta电位测量功能。原理是在样品池两端施加电场，使带电粒子发生电泳运动（迁移），DLS技术通过分析此时散射光频率的微小偏移（多普勒频移）来测量粒子的电泳迁移率，进而计算出Zeta电位。Zeta电位是表征胶体分散体系稳定性的关键参数。
总结
动态光散射（DLS）是一种功能强大、应用广泛的纳米颗粒和生物分子表征技术。它通过分析溶液中粒子布朗运动引起的散射光波动，能够快速、无损地提供颗粒的流体力学直径、粒径分布和多分散性等关键信息。理解其基本原理、优势、局限性以及关键的样品制备和测量注意事项，对于正确应用该技术获得可靠数据至关重要。DLS在纳米科技、生物医药、材料科学和胶体化学等领域发挥着不可替代的作用。