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光子交叉相关光谱法
实现对高浓度的悬浮液和乳液中1 纳米- 10 微米的颗粒进行粒度和稳定性的测量

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Photon Cross-correlation Spectroscopy (PCCS) 光子交叉相关光谱法技术可同时实现对非透明的悬浮液和乳液中1nm-10μm的颗粒进行粒度和稳定性的测量。传统的PhotonCorrelationSpectroscopy (PCS)原理被局限于只能对高度稀释的溶液进行探测,PCCS技术正是针对PCS原理的这一问题的升级解决方案。

德国新帕泰克公司使用PCCS原理的纳米激光粒度仪 NANOPHOX

PCCS 原理是对PCS原理的补充和升级。PCCS 的关键技术在于3D 交叉相关技术。在某个特定的散射角度,对散射光信号进行交叉相关处理可以精确地将单散射光信号同受到多重散射影响的部分区分开来。

PCCS set-upwith two incident laser beams PCCS measuring signals Cross correlation function for different amounts of single scattered light

PCCS 采用两束独立的激光源照射样品池的同一个测试区域,从而获得两个相对独立的不断抖动的散射光信号。

两束散射光信号的抖动变化由两个探测器接收之后进行交叉相关的比对。

所得到的相关函数可以用来描述整个体系的分散情况。相关函数的斜率同PCS一样代表了颗粒的尺寸。振幅代表了单散射光的强度。

PCCS 技术的优势

1. 完全消除了多重散射效应,从而实现了对非透明 悬浮液和乳液进行粒度测试,无需对样品进行稀释。
2. 可以实现对高浓度的样品进行检测,高浓度的样品会带来高的count rates 和较短的测试时间。
3. 互相关函数的振幅代表了所探测到的信号中单散射信号的强度。这一信息可以用来测量样品的稳定性。由于颗粒的粒径每改变10,将带来散射光信号106 数量级的改变,从而保证了极高的测试精度。6.
4. 由于完全消除了多重散射效应,测试结果在大多数情况下都和浓度无关。然而随着浓度的增加,唯一可能发生的变化就是颗粒之间互相作用的效应增加了。由于消除了多重散射的效应,我们通过不断稀释样品进行一系列的测试,我们现在就可以对这种现象进行研究并找出它们的规律。

测试可以在任何浓度下进行,但是如果浓度太高,导致光信号当中大部分都是多重散射的结果而单散射信号无法被探测到的时候,这种情况下获得的结果也不具有代表性。

5. 测试结果于测试区域在样品池中的位置无关。
可以通过调节测试区域是为了获得更高的count rate从而进一步缩短测试时间。
6. 当测试高浓度样品的时候,该测试方法对于灰尘的灵敏度会下降很多。因此符合一般标准的溶剂和实验室环境就可以满足实验需求,不需要进行复杂的除尘过程,从而简化实验流程。
7. 基于PCCS原理的装置可以很容易的通过软件实现于PCS 方法之间的转换。只需要使用一个探测器并对散射光信号进行自相关的处理即可。这一点可以使得用户之前使用PCS仪器的经验得以保留。

NANOPHOX

NANOPHOX是新帕泰可公司研制出的基于PCCS原理的纳米粒度测试仪,并且针对工业用途进行了优化。整台仪器在桌面大小的空间内整合了激光源,探测器,相关器和放置样品的比色皿,可以满足各种类型实验室的日常检测要求。

装置图:

Set-up of the optical path of NANOPHOX

散射向量满足的条件:

Scattering geometry for PCCS

PCCS所要解决的问题:

  • 两个散射向量q 应该是一致的
    (方向和大小)
  • 发生散射的样品区域必须一样

图一:新帕泰克公司基于PCCS 原理装置图,使用两束入射光,两个探测器,两个光电倍增管和一个相关器。

图二:在这种情况下的散射向量应该是一致的。多重散射效应已经被完全去消除。

Scattering geometry for PCCS

Scattering volume:

The scattering volume is defined be the intersection of the two focussed laser beams A and B, as shown in Fig.3. It can be approximated e.g. by two adjacent cones with radius r and height h to about
5.5E-4 µl or 5.5E-13 m³.

Fig. 3: Definition of the scattering volume
(marked in blue colour).

 

由于不需要对样品进行稀释,NANOPHOX相对于传统的PCS系统操作更加简便快捷

symbol: wet dispersion for suspensions or emulsions

动态光散射 (DLS)

动态光散射是当今用来检测亚微米颗粒的粒度分布的常用方法。动态光散射技术可以在几分钟的测试时间内给出颗粒的平均粒径和粒度分布。

利用动态光散射原理可以用光学的方法检测到颗粒在溶剂当中的运动情况。这种运动被称之为分子的布朗运动,是由W. Ramsay在1876年提出并由A. Einstein和M. Smoluchowski在1905年6月进行了证实。

在斯托克斯-爱因斯坦理论中,布朗运动取决于溶剂的粘度,温度以及分子颗粒的大小。当溶剂的粘度和温度已知的时候,颗粒的大小可以根据颗粒的布朗运动情况而计算出来。

Monodisperse particles illuminated by a laser beam

当激光照射到颗粒上的时候会由于发生了衍射现象而在光屏上形成环状的衍射光斑。这一现象就是激光衍射法的基础。

Diffraction pattern of the particle ensemble above

衍射图样同时也能反应颗粒和颗粒之间所发生的衍射情况,也就是环与环之间的精细结构。

当颗粒在溶剂分子不断的热运动的影响下发生移动的时候,颗粒的位置随着时间t发生变化。

颗粒位置的变化使得颗粒的激光衍射图样发生不断的变化。因此衍射图样的某一点的光强随着时间的变化不断的发生上下波动。(对激光衍射来说,这些波动上下改变幅度通常都差不多,所以通常在计算的时候取其某段时间的平均值。)

这些信号的抖动情况可以有两种分析方法:以时间为变量进行一个自相关分析或者以频率为变量进行一个频率分析,这两种方法都会用到傅立叶转换。

欲了解更多详情,请参阅即将出台的国际标准 ISO 22412 (动态光散射).