DWS RheoLab扩散波普仪

（1）仪器简介

扩散波谱仪( Diffusing Wave Spectroscopy, 简称DWS)是一项可用于表征光学浑浊介质的现代化光散射技术，能直接对浑浊或高浓度的样品体系进行直接测试而无需稀释。另外，DWS还能满足其他软物质体系表征的需求，可以与传统的光散射、流变等仪器形成良好的互补。具有测试速度快，测量频率高，样品需求量少，结果重现性佳的特点。

（2）工作原理

当光源透过含有粒子的样品时，粒子会以“布朗运动”的方式呈现随机漫步(random walk)的移动状态，如图1所示。测量布朗运动下散射光强涨落的情况，可以计算出强度相关函数（intensity correlation function , ICF）与粒子的均方位移（mean square displacement, MSD）。如图所示，透射光强度随时间变动，呈现斑点图案，这是散射粒子在样品中的运动与相干的光源共同作用的结果。粒子在样品中所进行的布朗运动对其局部所处的流变环境非常敏感。因此，观察粒子的运动可以有效表征介质的流变学特性。

光被粒子连续地散射时可形成“扩散”现象。如果散射粒子处于运动状态，将会形成“沸腾状散斑图案”（boiling speckle pattern）。从其波动的强度中可以计算出均方位移，进一步可得到储存模量G'(ω)和损耗模量G''(ω)。

DWS量测与分析散射光强度随时间变动的方式与动态光散射法(dynamic light scattering, DLS )相似：先计算光强度相关函数，再得到粒子的均方位移。但是扩散波谱检测的是多重散射，而在动态光散射法中，光子只被散射一次。因此，比较而言，扩散波光谱法对于小粒子的位移更加灵敏。而且动态光散射法通常量测几个纳米的位移，扩散波光谱法则可以量测亚纳米的位移。结果显示，扩散波光谱法是研究慢动力学(slow dynamics )和非遍历体系(non-ergodic)样品，如凝胶、泡沫，和高浓缩悬浮液的绝佳工具。此外，结合高效率的光电探测器，扩散波光谱法可以量测粒子在高达106 Hz频率下的位移。这样的频率范围是其它技术无法达到的。

（3）仪器主要参数

• 两种模式：背散射和前散射

• 光源：半导体激光光源（685nm，40mW，单模TEM00，相干长度＞10m，安全等级为1级）

• 计数检测器：两个高检测效率（65% @ 685 nm）的单光子

• 线性相关器：双通道快速多tau

• 测试温度范围：4℃-110℃，在实验室温度不高于23℃时，温控精度+/-0.02℃

• 测试储存模量G’和损耗模量G’’范围：1Hz-10MHz

• 弹性范围：1 Pa-50kPa

• 样品粘度：＞1mPas

• 样品池支架光程范围：1-10 mm，可使用标准的光学池

• 样品量：在使用1 mm样品池时样品需求量降至150μL

（4）应用领域

DWS RheoLab主要应用于微流变学（microrheology）和粒径分析（particle sizing）。两者均是应用扩散波光谱法，测量背散射光或前散射光（透射光）随时间的涨落，得到溶剂中分散粒子的均方位移。

1）激光微流变

DWS RheoLab采用双池技术，用于非遍历性样品表征；几乎适用于任何＞1%的样品浓度（和粒径有关），透明样品需加入示踪粒子；可以测量稳定性，老化性以及凝胶点等。

2）粒径分析

DWS RheoLab可以测量平均粒径，测量范围为50 nm-1 μm；适用于颗粒浓度最高为20%的牛顿流体体系，能获得高分散性样品的平均粒径。

（5）参考文献

[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.