SAXS揭秘微观世界第六讲

SAXS vs DLS

小角 X 射线散射 (SAXS) 和动态光散射 (DLS) 的优势和局限性是什么？

一、背景

纳米材料是当今社会的一大亮点，它们正在彻底改变我们的生活方式和技术应用[1]。在医学领域，纳米颗粒可以像小巧精准的运输工具一样，将药物送达到身体需要的地方[2]，同时还能帮助开发出更加智能化的医疗设备和诊断工具[3, 4]。在电子领域，像石墨烯和碳纳米管这样的纳米材料，让我们的电子设备变得更快速、更高效。此外，纳米材料还展现出了在可再生能源[5]、催化[6]、环境监测和水处理等领域的潜力，为未来科技发展带来了无限可能。

与此同时，纳米材料的广泛应用也引起了人们对其潜在环境和健康影响的关注，这促使了监管框架的建立，以确保安全可靠地应用纳米材料。然而，由于纳米材料的组成、结构和性质多种多样，为其确立统一的定义并非易事[7]。尽管如此，人大家普遍认为纳米材料通常被认为是1到100纳米之间的材料。因此，大多数定义都要求对纳米尺度的微粒进行识别和计数。由于监管定义中规定了纳米级颗粒所占百分比的量化阈值，因此高精度的颗粒尺寸测定就成了至关重要的一环。

在纳米尺度材料结构分析中，通常会采用各种技术。小角 X 射线散射 (SAXS) 和动态光散射 (DLS) 等散射方法已在学术界和工业界得到广泛应用。虽然它们有一些相似之处，例如都能提供有关颗粒尺寸和分布的信息，但它们各自也有明显的优势和局限性，因此可以相互补充。在本文中，我们将探讨每种技术的潜力以及将两者结合使用所带来的好处。

二、SAXS 和 DLS 的对比描述

SAXS 利用X射线散射来探索材料的纳米结构。当 X 射线与样品相互作用时，它们会根据材料内部的电子密度波动向不同方向散射。这意味着样品需要与周围的连续相形成明显的电子密度差[8]。通过测量小角X射线散射的强度，SAXS可提供有关颗粒大小、形状、内部结构和聚集状态的信息。此外，它还能揭示孔径大小、尺寸分布和形状，以及从亚纳米级到微米级的结构信息。这种技术不仅适用于块状样品，还可用于表面分析，通过不同的角度范围（广角、小角和超小角 WAXS/SAXS/USAXS）和几何形式（透射或掠入射 GISAXS）来实现。

相比之下，DLS 则是测量溶液中颗粒在布朗运动下引起的散射光强度的波动。射向样品的激光束被颗粒散射，并以特定角度记录散射光的时间变化。散射光强度的波动率与颗粒的扩散系数直接相关，而扩散系数又可通过Stokes–Einstein关系确定流体力学半径[9]。大颗粒的扩散速度较慢，会产生强度波动，而小颗粒的扩散速度较快，会产生较快的波动。通过分析强度波动的自相关函数，DLS 可以提供样品中颗粒尺寸分布的信息，包括平均颗粒尺寸和样品的多分散性。依靠悬浮在流体介质中的颗粒的布朗运动，DLS 尤其适用于分析溶液中的纳米颗粒、大分子和其他颗粒，但不适用于固体或高密度凝胶等其他状态的样品。

SAXS 和 DLS 都是间接技术，需要通过物理模型从原始实验信号中提取纳米颗粒的尺寸信息。DLS 依赖于瑞利散射原理，即粒子散射的光强度与其直径的六次方成正比[10]。因此，直径较大的纳米颗粒散射光的强度比直径较小的颗粒高出数个数量级，这就使得 DLS 技术在分辨双峰和异质颗粒集合体时存在一些局限性。此外，DLS 可能无法准确描述非球形或不规则形状的颗粒，因为它通常将颗粒的几何形状简化为球形非相互作用颗粒，以便采用Stokes–Einstein方程进行分析。

以双峰二氧化硅纳米颗粒的形态分析为例。如图 1 所示，尽管自相关函数的评估方法能够描述多峰分布，但 DLS 测量结果显示出单峰颗粒尺寸分布[10]。另一方面，SAXS能够准确解析出这些颗粒中两种不同群体的尺寸和比例，从而提供了更为准确和统计相关的双峰硅胶纳米颗粒系统描述。

图 1 通过 SAXS、DLS 和透射电子显微镜 (TEM) 测定的双峰二氧化硅纳米颗粒的粒径分布。来源：Materials，2020，DOI: 10.3390/ma13143101。

除了样品的异质性，颗粒形状和孔隙率等其他因素也会对结果产生很大影响。因此，在解释不同方法得出的纳米颗粒尺寸数值时，最好谨慎考虑[11]。因此，采用多种测量方法而不是仅仅依靠单一技术，有利于全面了解纳米颗粒的尺寸、尺寸分布和形状的准确信息。

三、结合 SAXS 和 DLS 分析揭示亲水嵌段长度对球形纳米材料的影响

聚合诱导自组装（PISA）是一种被广泛应用的方法，可用于制备具有可定制尺寸和形态的嵌段共聚物纳米材料，如球体、蠕虫状或囊泡状。这种方法可应用于食品、化妆品或药品等多个领域。

PISA 通常是在可溶性大分子链转移剂（macro-CTA）存在的情况下，通过可溶性单体的可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合反应进行的。来自利兹大学和钻石光源的一组研究人员利用SAXS和 DLS 相结合的方法，研究了在不同聚合度（DP）不同的聚（二甲基丙烯酰胺）（PDMAm）大分子链转移剂存在下，双丙酮丙烯酰胺在 RAFT 聚合过程中球形嵌段共聚物纳米材料的形成和形态演变 [12]。

通过Stokes–Einstein方程（假设颗粒为球形且独立），使用 DLS 测定流体力学直径 (Dh) 和聚合物分散性指数 (PDI)。而SAXS 能够确定核心直径 (Dcore)，以及其他结构参数，如聚集数、单体链的回转半径以及核心内溶剂和未反应单体的体积分数。

通过比较 Dh 和 Dcore 测量值，研究人员能够了解颗粒外层对颗粒整体尺寸和结构的影响。图 2 显示，随着 PDMAm 聚合度 (DP) 的增加，流体力学直径和核心直径都会减小。不过，两者的减小速度不同，这表明表面的外围层厚度会增加。

图 2 通过 SAXS 测定的核心直径 (Dcore) 和通过 DLS 测定的流体动力学直径 (Dh) 随聚合度 (DP) 不同的 PDMAm 大分子链转移剂的变化。来源：Macromolecules，2023，DOI: 10.1021/acs.macromol.3c00585。

如图 3 所示，研究人员结合使用 SAXS 和 DLS 分析证明，尽管随着 PDMAm DP的增加，颗粒的总直径减小，但外围层的作用却在增加。如果仅仅使用其中一种技术是无法获得这些信息的。

图 3 当 PDMAm 宏 CTA 的聚合度 (DP) 从 47 增加到 143，而 PDAAm 核心 DP 保持在 400 左右时，颗粒尺寸变化的示意图。来源：Macromolecules，2023，DOI: 10.1021/acs.macromol.3c00585。

四、结论

总的来说，我们平时用来测量颗粒大小的动态光散射等方法，可以通过结合小角X射线散射等其他技术获得更多有趣的发现。虽然动态光散射提供了一种经济实惠且直观的分析方法，但当处理复杂的颗粒分布时，它的局限性就会显现出来，往往只能给出一个简化的描述（比如假设颗粒是球形的）。

而 SAXS 具有更高的分辨率，能够准确分辨多种颗粒群。此外，SAXS 对颗粒形状和内部结构非常敏感，可提供有关颗粒形态的详细信息。SAXS 还具有更多的灵活性，可分析各种状态（凝胶、固体、粉末、液体）的颗粒，而 DLS 则仅限于溶液中的颗粒。此外，与 SAXS 不同，DLS 对样品浓度非常敏感。浓度越高，颗粒之间的相互作用越强烈，从而导致多重散射效应增加。这会导致数据失真和颗粒尺寸测量不准确。为了解决这个问题，DLS 通常需要对样品进行高度稀释，稀释倍数通常为 1/1000，甚至更低。这种繁琐的稀释过程可能非常耗时，而且对于可用性或稳定性有限的样品来说可能并不可行。

正如本文所展示的，在某些情况下，两种技术都无法单独提供对样品的全面了解。将 DLS 与 SAXS 结合使用，不仅能克服每种方法固有的局限性，还能让我们更全面地了解颗粒系统。

参考文献：

[1] S. Malik, K. Muhammad, and Y. Waheed, Nanotechnology: A Revolution in Modern Industry, Molecules 28, 661 (2023). DOI: 10.3390/molecules28020661.

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[10] M. A. Al-Khafaji, A. Gaál, A. Wacha, A. Bóta, and Z. Varga, Particle Size Distribution of Bimodal Silica Nanoparticles: A Comparison of Different Measurement Techniques, Materials 13, 14 (2020). DOI: 10.3390/ma13143101.

[11] R. F. Domingos, M. A. Baalousha, Y. Ju-Nam, M. M. Reid, N. Tufenkji, et al., Characterizing Manufactured Nanoparticles in the Environment: Multimethod Determination of Particle Sizes, Environ. Sci. Technol. 43, 7277 (2009). DOI: 10.1021/es900249m

[12] J. D. Guild, S. T. Knox, S. B. Burholt, Eleanor. M. Hilton, et al., Continuous-Flow Laboratory SAXS for In Situ Determination of the Impact of Hydrophilic Block Length on Spherical Nano-Object Formation during Polymerization-Induced Self-Assembly, Macromolecules 56, 6426 (2023). DOI: 10.1021/acs.macromol.3c00585.