DWS RheoLab擴散波普儀

（1）儀器簡介

擴散波譜儀( Diffusing Wave Spectroscopy, 簡稱DWS)是一項可用于表征光學渾濁介質的現代化光散射技術，能直接對渾濁或高濃度的樣品體系進行直接測試而無需稀釋。另外，DWS還能滿足其他軟物質體系表征的需求，可以與傳統的光散射、流變等儀器形成良好的互補。具有測試速度快，測量頻率高，樣品需求量少，結果重現性佳的特點。

（2）工作原理

當光源透過含有粒子的樣品時，粒子會以“布朗運動”的方式呈現隨機漫步(random walk)的移動狀態，如圖1所示。測量布朗運動下散射光強漲落的情況，可以計算出強度相關函數（intensity correlation function , ICF）與粒子的均方位移（mean square displacement, MSD）。如圖所示，透射光強度隨時間變動，呈現斑點圖案，這是散射粒子在樣品中的運動與相干的光源共同作用的結果。粒子在樣品中所進行的布朗運動對其局部所處的流變環境非常敏感。因此，觀察粒子的運動可以有效表征介質的流變學特性。

光被粒子連續地散射時可形成“擴散”現象。如果散射粒子處于運動狀態，將會形成“沸騰狀散斑圖案”（boiling speckle pattern）。從其波動的強度中可以計算出均方位移，進一步可得到儲存模量G'(ω)和損耗模量G''(ω)。

DWS量測與分析散射光強度隨時間變動的方式與動態光散射法(dynamic light scattering, DLS )相似：先計算光強度相關函數，再得到粒子的均方位移。但是擴散波譜檢測的是多重散射，而在動態光散射法中，光子只被散射一次。因此，比較而言，擴散波光譜法對于小粒子的位移更加靈敏。而且動態光散射法通常量測幾個納米的位移，擴散波光譜法則可以量測亞納米的位移。結果顯示，擴散波光譜法是研究慢動力學(slow dynamics )和非遍歷體系(non-ergodic)樣品，如凝膠、泡沫，和高濃縮懸浮液的絕佳工具。此外，結合高效率的光電探測器，擴散波光譜法可以量測粒子在高達106 Hz頻率下的位移。這樣的頻率范圍是其它技術無法達到的。

（3）儀器主要參數

• 兩種模式：背散射和前散射

• 光源：半導體激光光源（685nm，40mW，單模TEM00，相干長度＞10m，安全等級為1級）

• 計數檢測器：兩個高檢測效率（65% @ 685 nm）的單光子

• 線性相關器：雙通道快速多tau

• 測試溫度范圍：4℃-110℃，在實驗室溫度不高于23℃時，溫控精度+/-0.02℃

• 測試儲存模量G’和損耗模量G’’范圍：1Hz-10MHz

• 彈性范圍：1 Pa-50kPa

• 樣品粘度：＞1mPas

• 樣品池支架光程范圍：1-10 mm，可使用標準的光學池

• 樣品量：在使用1 mm樣品池時樣品需求量降至150μL

（4）應用領域

DWS RheoLab主要應用于微流變學（microrheology）和粒徑分析（particle sizing）。兩者均是應用擴散波光譜法，測量背散射光或前散射光（透射光）隨時間的漲落，得到溶劑中分散粒子的均方位移。

1）激光微流變

DWS RheoLab采用雙池技術，用于非遍歷性樣品表征；幾乎適用于任何＞1%的樣品濃度（和粒徑有關），透明樣品需加入示蹤粒子；可以測量穩定性，老化性以及凝膠點等。

2）粒徑分析

DWS RheoLab可以測量平均粒徑，測量范圍為50 nm-1 μm；適用于顆粒濃度最高為20%的牛頓流體體系，能獲得高分散性樣品的平均粒徑。

（5）參考文獻

[1] J. Liu，V. Boyko，Z. Yi，Y. Men, Temperature-Dependent Gelation Process in Colloidal Dispersions by Diffusing Wave Spectroscopy, Langmuir, 2013, 29 (46), pp 14044-14049.

[2] Francesco Del Giudice, Manlio Tassieri, Claude Oelschlaeger, and Amy Q. Shen, When Microrheology, Bulk Rheology, and Microfluidics Meet: Broadband Rheology of Hydroxyethyl Cellulose Water Solutions, Macromolecules, 2017, 50 (7), pp 2951-2963.

[3] Yuanfeng Li, Yong Liu, Rujiang Ma, Yanling Xu, Yunliang Zhang, Baoxin Li, Yingli An, and Linqi Shi, AG?Quadruplex Hydrogel via Multicomponent Self-Assembly: Formation and Zero-Order Controlled Release, ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9, 15, pp 13056-13067.