动态光散射技术（Dynamic Light Scattering，简称DLS）是用来测量亚微米及纳米颗粒粒度及其分布的有效方法[1-2]。我们知道，分散系中的粒子由于受到溶剂分子的碰撞，时刻处在无规则运动状态，我们称这种无规则运动为布朗运动。DLS测量的正是分散体系中粒子的布朗运动，用来确定粒子的流体力学尺寸。布朗运动的速率可以用平移扩散系数来量化，通常用D表示。在分散系中，较小的粒子扩散的更快，较大的粒子扩散的更慢。由于被测粒子可能形状各异，同时粒子表面可能结合其他物质，比如离子或聚合物，我们一般将待测粒子的形状等效为具有相同扩散速率的球体，将球体的直径作为粒子的流体力学尺寸。
图1 动态光散射原理示意图
如何使用DLS测量扩散速率？当用激光照射待测样品，样品中的粒子会将入射光散射到四面八方，测量某个角度（通常为90度）的散射光，如果这些粒子完全静止，测量到的散射光强度就是恒定的。然而由于粒子的布朗运动，导致粒子对光的散射强度随时间涨落，它是动态变化的。散射光强信号的涨落，是由于单个粒子的散射光相互干涉造成的。随着粒子的持续无规则运动，强度会随着时间而改变，这些强度涨落的速度取决于粒子的扩散速率。粒子越小，它扩散的越快，这就造成散射光强涨落的更快，反之亦然。
图2 不同大小粒子的光强涨落信号与自相关函数曲线
我们已经解释了布朗运动是如何影响不同大小的分散粒子的，并且已经确定了散射光如何随时间波动。现在我们来研究如何使用这些信息测量颗粒大小。利用光电倍增管或雪崩光电二极管对散射光信号进行采集，采样率尽可能大，将采样时间间隔控制在纳秒或微秒量级。将后测的信号与最初的信号进行对比，可以发现，在非常短的时间里（比如几微秒），散射光强信号非常相似或者说相关性很好，但当两个信号时间间隔逐渐扩大时，两者的相似性或相关性开始下降，最终强度信号完全改变，与原始信号不再有任何相关性，这个过程也叫做自相关（autocorrelation）。被测量的粒子越大，它们扩散的越慢，相关性完全消失的时间也就越长；小粒子扩散很快，信号的相关性会迅速衰减。
图3 不同尺寸颗粒的光强自相关函数与粒径的强度分布
如何使用这些信息来计算粒子的流体力学尺寸呢？通过创建的自相关函数，可以提取粒子的平移扩散系数D，利用斯托克斯-爱因斯坦方程，可得尺寸信息
其中为粒子的流体力学直径，为玻尔兹曼常数，为绝对温度，为溶液粘度，为平移扩散系数。
利用DLS，我们可以快速测量样品中粒子的尺寸。如图3右侧所示，为粒径的强度分布，显示了样本中不同粒径的散射光强度，如果需要，还可以转化成体积或数量分布。
DLS技术是一种快速无损的测量技术，可以测量从小至纳米到几个微米的粒度分布，测量对象种类繁多（如：金/银纳米粒子、核酸、蛋白质、病毒、脂质体等。），因此用途非常广泛。例如用于油漆、墨水和燃料的表征和优化；用来促进药物传递系统的研究（如脂质体或聚合物体）；用来改进乳剂和胶体体系的配方；用来研究和改进疫苗和药物的研发。目前基于动态光散射技术的非侵入性和测量范围广泛的优势，学术界也在不断探索其新的应用场景，比如超灵敏生物检测、生物制药开发、免疫传感、高分子化学分析、细胞代谢分析等。通过与其他技术的有机结合，相信DLS能在更多的领域获得突破性的应用。
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