動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)（Dynamic Light Scattering，簡稱DLS）是用來測量亞微米及納米顆粒粒度及其分布的有效方法[1-2]。我們知道，分散系中的粒子由于受到溶劑分子的碰撞，時(shí)刻處在無規(guī)則運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，我們稱這種無規(guī)則運(yùn)動(dòng)為布朗運(yùn)動(dòng)。DLS測量的正是分散體系中粒子的布朗運(yùn)動(dòng)，用來確定粒子的流體力學(xué)尺寸。布朗運(yùn)動(dòng)的速率可以用平移擴(kuò)散系數(shù)來量化，通常用D表示。在分散系中，較小的粒子擴(kuò)散的更快，較大的粒子擴(kuò)散的更慢。由于被測粒子可能形狀各異，同時(shí)粒子表面可能結(jié)合其他物質(zhì)，比如離子或聚合物，我們一般將待測粒子的形狀等效為具有相同擴(kuò)散速率的球體，將球體的直徑作為粒子的流體力學(xué)尺寸。
圖1 動(dòng)態(tài)光散射原理示意圖
如何使用DLS測量擴(kuò)散速率？當(dāng)用激光照射待測樣品，樣品中的粒子會(huì)將入射光散射到四面八方，測量某個(gè)角度（通常為90度）的散射光，如果這些粒子完全靜止，測量到的散射光強(qiáng)度就是恒定的。然而由于粒子的布朗運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致粒子對光的散射強(qiáng)度隨時(shí)間漲落，它是動(dòng)態(tài)變化的。散射光強(qiáng)信號(hào)的漲落，是由于單個(gè)粒子的散射光相互干涉造成的。隨著粒子的持續(xù)無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間而改變，這些強(qiáng)度漲落的速度取決于粒子的擴(kuò)散速率。粒子越小，它擴(kuò)散的越快，這就造成散射光強(qiáng)漲落的更快，反之亦然。
圖2 不同大小粒子的光強(qiáng)漲落信號(hào)與自相關(guān)函數(shù)曲線
我們已經(jīng)解釋了布朗運(yùn)動(dòng)是如何影響不同大小的分散粒子的，并且已經(jīng)確定了散射光如何隨時(shí)間波動(dòng)。現(xiàn)在我們來研究如何使用這些信息測量顆粒大小。利用光電倍增管或雪崩光電二極管對散射光信號(hào)進(jìn)行采集，采樣率盡可能大，將采樣時(shí)間間隔控制在納秒或微秒量級(jí)。將后測的信號(hào)與最初的信號(hào)進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)，在非常短的時(shí)間里（比如幾微秒），散射光強(qiáng)信號(hào)非常相似或者說相關(guān)性很好，但當(dāng)兩個(gè)信號(hào)時(shí)間間隔逐漸擴(kuò)大時(shí)，兩者的相似性或相關(guān)性開始下降，最終強(qiáng)度信號(hào)完全改變，與原始信號(hào)不再有任何相關(guān)性，這個(gè)過程也叫做自相關(guān)（autocorrelation）。被測量的粒子越大，它們擴(kuò)散的越慢，相關(guān)性完全消失的時(shí)間也就越長；小粒子擴(kuò)散很快，信號(hào)的相關(guān)性會(huì)迅速衰減。
圖3 不同尺寸顆粒的光強(qiáng)自相關(guān)函數(shù)與粒徑的強(qiáng)度分布
如何使用這些信息來計(jì)算粒子的流體力學(xué)尺寸呢？通過創(chuàng)建的自相關(guān)函數(shù)，可以提取粒子的平移擴(kuò)散系數(shù)D，利用斯托克斯-愛因斯坦方程，可得尺寸信息
其中為粒子的流體力學(xué)直徑，為玻爾茲曼常數(shù)，為絕對溫度，為溶液粘度，為平移擴(kuò)散系數(shù)。
利用DLS，我們可以快速測量樣品中粒子的尺寸。如圖3右側(cè)所示，為粒徑的強(qiáng)度分布，顯示了樣本中不同粒徑的散射光強(qiáng)度，如果需要，還可以轉(zhuǎn)化成體積或數(shù)量分布。
DLS技術(shù)是一種快速無損的測量技術(shù)，可以測量從小至納米到幾個(gè)微米的粒度分布，測量對象種類繁多（如：金/銀納米粒子、核酸、蛋白質(zhì)、病毒、脂質(zhì)體等。），因此用途非常廣泛。例如用于油漆、墨水和燃料的表征和優(yōu)化；用來促進(jìn)藥物傳遞系統(tǒng)的研究（如脂質(zhì)體或聚合物體）；用來改進(jìn)乳劑和膠體體系的配方；用來研究和改進(jìn)疫苗和藥物的研發(fā)。目前基于動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)的非侵入性和測量范圍廣泛的優(yōu)勢，學(xué)術(shù)界也在不斷探索其新的應(yīng)用場景，比如超靈敏生物檢測、生物制藥開發(fā)、免疫傳感、高分子化學(xué)分析、細(xì)胞代謝分析等。通過與其他技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，相信DLS能在更多的領(lǐng)域獲得突破性的應(yīng)用。
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