dls實(shí)驗(yàn)

1、第24卷第10期2004年10月物理實(shí)驗(yàn)PHYSICSEXPERIMENTATIONVol.24No.10Oct.2004收稿日期:2004206216修改日期:2004209205作者簡(jiǎn)介:尚玉峰(1977)男山東東營(yíng)人北京郵電大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心助教碩士從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.動(dòng)態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)尚玉峰蔣達(dá)婭肖井華楊胡江王鑫(北京郵電大學(xué)理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心北京100876)摘要:動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)是測(cè)量納米及亞微米顆粒粒徑的有效方法.本文介紹了動(dòng)態(tài)

2、光散射實(shí)驗(yàn)的原理、實(shí)驗(yàn)裝置及方法并測(cè)量了粒徑為85nm的聚苯乙烯水溶液的粒徑分析了實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差的原因.關(guān)鍵詞:動(dòng)態(tài)光散射自相關(guān)函數(shù)顆粒粒徑中圖分類號(hào):TN247文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):100524642(2004)10200092031引言動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)是20世紀(jì)60年代國(guó)際上新興的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)利用該方法能快速、準(zhǔn)確地測(cè)定溶液中大分子或膠體質(zhì)點(diǎn)的平動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)從而得知其大小或流體力學(xué)半徑及其分布.其可測(cè)量范圍為nm～μm量級(jí)因此它是測(cè)量納

3、米及亞微米顆粒粒徑的有效方法具有測(cè)量范圍大、測(cè)量速度快、樣品量小并且不破壞不干擾體系原有狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)因此被廣泛應(yīng)用于生物工程、藥物學(xué)以及微生物領(lǐng)域.如今這項(xiàng)新技術(shù)在表面活性劑溶液膠團(tuán)性質(zhì)、膠體溶液的穩(wěn)定性、微乳體系的物化性質(zhì)、高分子與生物大分子的溶液特性及分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀況、納米材料體系等諸多領(lǐng)域顯示了廣泛的應(yīng)用前景[12].2動(dòng)態(tài)光散射實(shí)驗(yàn)原理動(dòng)態(tài)光散射又稱之為時(shí)間相關(guān)的光散射是測(cè)量光強(qiáng)隨時(shí)間起伏的變化規(guī)律.如果粒子處于無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)中

4、則散射光強(qiáng)度在時(shí)間上表現(xiàn)為在平均光強(qiáng)附近的隨機(jī)漲落它是由于從各個(gè)散射粒子發(fā)出的散射光場(chǎng)相干疊加而成的.懸浮液中的顆粒由于受到了周圍進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)分子的不斷撞擊而不停地進(jìn)行隨機(jī)運(yùn)動(dòng)在激光的照射下運(yùn)動(dòng)顆粒的散射光強(qiáng)也將產(chǎn)生隨機(jī)的波動(dòng)而且波動(dòng)的頻率與顆粒的大小有關(guān)在一定角度下顆粒越小漲落越快.動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)就是通過(guò)對(duì)這種漲落變化快慢的測(cè)量和分析得到影響這種變化的顆粒粒徑信息.當(dāng)一束單色平行光照射溶液樣品上時(shí)遇到作布朗運(yùn)動(dòng)的球體粒子產(chǎn)生散射光.光

5、強(qiáng)的自相關(guān)函數(shù)G(2)(τ)可表示為[34]G(2)(τ)=〈I(t)I(tτ)〉=limT→∞1T∫T0I(t)I(tτ)dt(1)其中I(t)和I(tτ)為t和tτ時(shí)刻的散射光強(qiáng).對(duì)于平穩(wěn)過(guò)程可取t=0自相關(guān)函數(shù)變?yōu)镚(2)(τ)=A[1β|g(1)(τ)|2](2)其中A為光強(qiáng)自相關(guān)函數(shù)G(2)(τ)的基線β為約束信噪比常量A和β都與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān).g(1)(τ)為電場(chǎng)自相關(guān)函數(shù).對(duì)于單分散顆粒系有G(2)(τ)=A[1βexp(2

6、Γτ)](3)其中Γ為Rayleigh線寬其表達(dá)式為[5]Γ=DTq2(4)q=4πnλ0sinθ2(5)其中DT為顆粒的平移擴(kuò)散系數(shù)q為散射光波矢q的幅值n為溶劑折射率θ為散射角λ0為真空中波長(zhǎng).對(duì)于球形粒子DT可以由Stokes2Ein2stein公式給出DT=kBT3πηd(6)式中kB為Boltzman常量T為絕對(duì)溫度η為溶液粘度d為粒子直徑.對(duì)于多分散顆粒系電場(chǎng)自相關(guān)函數(shù)為單指計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果.如圖3(b)所示得到Г=2021

7、.55s1將實(shí)驗(yàn)參量代入相應(yīng)公式得到粒子直徑d=87.03nm.通過(guò)獨(dú)立處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更能加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解增強(qiáng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理的能力.動(dòng)態(tài)光散射法所得的測(cè)量結(jié)果與其標(biāo)準(zhǔn)樣品的標(biāo)稱值相符存在較小的誤差.誤差產(chǎn)生的原因主要有以下幾方面:1)He2Ne激光器的功率輸出并非保持恒定.2)樣品池不是理想的矩形相鄰側(cè)面不完全垂直.3)光纖接收端加了自聚焦透鏡后可以增大接收光強(qiáng).但由于接收面的增大使得在θ=90附近的光均被接收引入一定的誤差.4)室內(nèi)溫度的

8、變化對(duì)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有較大的影響.溫度變化的影響主要表現(xiàn)為對(duì)水的折射率和粘度的影響.5)實(shí)驗(yàn)樣品溶液的配置時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大影響.實(shí)驗(yàn)所配制聚苯乙烯樣品溶液在24h以后測(cè)量所得到的粒子直徑將明顯偏大其原因是顆粒間的結(jié)合形成了直徑更大的粒子故實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查所用樣品是否能繼續(xù)使用.5結(jié)束語(yǔ)將動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于學(xué)生了解和接觸新科技發(fā)展前沿開闊學(xué)生視野.該實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊操作方便物理概念清晰能夠培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)腦動(dòng)手能力和綜合運(yùn)用知識(shí)

9、的能力該實(shí)驗(yàn)適用于高等院校的本科生及相關(guān)專業(yè)研究生的光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué).參考文獻(xiàn):[1]HuGang.Emulsionglasses:Adynamiclight2scatteringstudy[J].Phys.Rev.E199959:715～721.[2]陳延如趙琦.隨機(jī)分布粒子側(cè)向散射光特性的研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)200323(9):1110～1113.[3]楊建文李峰等.分段自相關(guān)動(dòng)態(tài)光散射法測(cè)量亞微米粒度[J].光學(xué)學(xué)報(bào)199818(5)

10、:602～606.[4]趙擇卿陸大年楊定超.光散射技術(shù)[M].北京:紡織工業(yè)出版社1989.170～195.[5]黃偉.光子相關(guān)光譜技術(shù)及其應(yīng)用[J].物理實(shí)驗(yàn)200222(5):17～19.[6]申晉鄭剛等.用光子相關(guān)譜法測(cè)量多分散顆粒系的顆粒粒度分析[J].光學(xué)儀器200325(4):3～6.DynamiclightscatteringexperimentSHANGYu2fengJIANGDa2yaXIAOJing2huaYANGH

11、u2jiangWANGXin(PhysicsLabatyBeijingUniversityofPostTelecommunicationsBeijing100876China)Abstract:Thedynamiclightscatteringisaneffectivemethodtomeasuregraindiameterinnanonsubmi2cron.Inthispapertheexperimentprincipledevice