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OTSUKA 大塚电子 ELSZ-2000ZS:纳米粒度动态光散射测试原理详解

更新时间:2026-07-22   点击次数:16次

一、基础物理机理:布朗运动

分散在液体中的纳米颗粒持续受到溶剂分子无规则撞击,产生无规则随机运动,该现象称为布朗运动。颗粒尺寸越小,运动速度越快;粒径越大,运动越缓慢。动态光散射(DLS)就是依靠捕捉颗粒运动快慢实现粒径检测。

二、光学散射过程

仪器光源发射单色激光,照射流通池内悬浮颗粒。光线碰到颗粒发生瑞利散射,向各个方向产生散射光。
不同位置颗粒持续运动,散射光到达检测器的光程不断变化,散射光束之间发生干涉。最终到达光电检测器的光强会出现持续随机强弱起伏。

三、自相关函数(信号解析核心)

检测器采集随时间波动的散射光信号,仪器硬件将光信号转为电信号,通过运算生成光强自相关函数。
颗粒运动越快,光强起伏变化越快,相关曲线衰减速度更快;大颗粒运动缓慢,曲线衰减平缓。软件通过拟合相关曲线衰减速率,得到颗粒扩散系数。

四、斯托克斯 - 爱因斯坦方程

利用扩散系数计算流体力学粒径,核心关系式:
D = kT / (6πηr)
D:颗粒扩散系数
k:玻尔兹曼常数
T:绝对温度
η:分散介质黏度
r:颗粒流体力学半径
温度、介质固定后,扩散系数直接对应颗粒粒径。软件求解得到流体力学直径,作为 DLS 输出粒径结果。

五、ELSZ-2000ZS 硬件光路实现逻辑

  1. 激光发射单元输出稳定单色光源;

  2. 激光穿过流通池,照射待测悬浮液;

  3. 固定角度接收散射光,送入光电倍增管转化电信号;

  4. 信号传输至相关器,实时计算自相关曲线;

  5. 内置温度传感器同步采集样品温度,代入公式进行粒径换算;

  6. 软件反演计算,输出平均粒径、粒径分布。

六、关键特性说明

  1. 测得数值为流体力学粒径,包含颗粒表面吸附溶剂层,并非纯粹固相颗粒本身尺寸。

  2. 体系内若存在大颗粒、团聚体,会严重干扰散射信号,造成粒径结果偏大、分布变宽。

  3. 样品浓度过高会产生多重散射,激光多次被不同颗粒散射,破坏相关曲线,带来测试误差。

七、配套 Zeta 电位模块区分(ELSZ-2000ZS 一体机)

粒度测试依靠动态光散射(布朗运动 + 散射光波动);
Zeta 电位采用电泳光散射。电场驱动带电颗粒定向移动,散射光产生多普勒频移,用来计算电泳迁移率,换算 Zeta 电位。
两套测量光路共享同一个流通池,但物理原理相互独立。

八、原理衍生出的实操约束

  1. 样品不能沉降、大量团聚,否则布朗运动规律被破坏;

  2. 测试温度必须稳定,温度改变直接影响黏度与扩散速度;

  3. 溶液不能存在气泡,气泡产生强散射,干扰信号;

  4. 浓度控制在合适区间,避免多重散射或者信号过低;

  5. 避免强光、振动,防止散射信号额外扰动。


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