粒子特性分析的基本指南-4

技术 2: 动态光散射 

  光子相关光谱学（Photon Correlation Spectroscopy, PCS）或准弹性光散射（Quasi-Elastic Light Scattering, QELS）也称为动态光散射（Dynamic light scattering, DLS）是通常用于测量从1微米到1纳米以下范围的颗粒和高分子大小的非侵入性（non-invasive）且成熟的技术。

  利用这种技术可以测量在液体中，如蛋白质、聚合物、胶束（micelles）、碳水化合物、纳米颗粒、胶体分散体和乳状液中漂浮的颗粒组成的样品。

主要优点：
      • 理想的纳米大小和生物材料粒度范围
      • 需要少量样品
      • 快速分析和高通量
      • 可以完全回收样品的非侵入性技术

原理

  漂浮的颗粒由于与溶剂分子之间的热诱导碰撞导致布朗运动。

  当激光照射到颗粒时，散射光的强度在非常短的时间尺度上迅速波动，这取决于颗粒的大小。越小的颗粒被溶剂分子移得越远、移动得越快。对这些强度波动的分析得出布朗运动的速度，然后根据斯托克斯-爱因斯坦关系计算出粒度。

  动态光散射测量到的直径称为流体动力学直径，指的是颗粒在流体中的扩散方式。该技术获得的直径与测量颗粒具有相同 平动扩散系数的球形直径一致 

 

  动态光散射测得比“核心”直径大的流体动力学直径，其平动扩散系数不仅取决于颗粒“核心”大小，还与任何表面结构有关，亦可能受介质离子浓度和种类影响。这即表示其大小较电子显微镜测得的尺寸更大，例如这表示颗粒已被其原环境移除。

  动态光散射会产生强度加权的粒度分布，这意味着大颗粒可能在粒度结果中占主导地位，因此认识到这一点很重要。

设备装置

  传统的动态光散射设备包括利用透镜聚焦于样品的激光光源。

  光被颗粒以所有角度散射，传统上采用单个探测器在激光束90°位置收集散射光的强度。

  散射光的强度波动被转换成电脉冲，传递给数字相关器（Correlator），生成自相关函数以尽量计算粒度。

NIBS

  最新设备中，NIBS（非侵入后向散射，Non-Invasive Backscatter）技术扩展了可测量的粒度和样品浓度范围。

  如下图所示，该设备的尺寸测量功能检测173°散射光，称为后向散射检测。此外，光学装置与样品不接触，因此称探测器装置为非侵入的。

  使用非侵入性后向散射检测有许多优点。
      • 灵敏度提高。
      • 更广泛的样品浓度可以测量。 

      • 简化样品制备。 

(a)  对于小颗粒或低浓度样品，最大化从样品散射的量是有优势的。当激光穿透比色皿壁时，空气与比色皿物质之间的折射率差异会引起“耀斑”。这些耀斑可能会干扰从散射的颗粒的信号。将测量位置从比色皿壁移至比色皿中心将消除该效应。

(b)  大颗粒或高浓度样品会散射更多的光。在离比色皿壁更近处进行测量可以通过最小化散射光需穿透的路径长度来减少多重散射效应。 

技术 3: 自动成像技术

  自动成像技术对于约1微米到数毫米尺寸的颗粒进行高分辨率特性分析。

  单个颗粒的图像从分散样品中捕获并分析，评估其粒度、形状和其他物理特性。通过一次测量数十到数万颗粒可构建统计学上代表性的分布。

 静态成像系统中，分散的样品保持固定，而动态成像系统中，样品通过成像光学装置流动。该技术常与激光衍射等结合，深化对样品的理解或验证基于集成的粒度测量方法。典型的应用领域如下：

      •  粒度相同但形状不同的颗粒的测量
      •  聚集物（agglomerate）、大颗粒或污染颗粒的检测和/或计数
      •  如针形晶体等非球形颗粒的大小测量
      •  如激光衍射等集成测量方法的验证

设备装置

  一般自动化成像系统由三个主要组成部分。

1. 样品展示与分散
      此步骤对获得佳结果，如视野上单个颗粒和聚集体的空间分离至关重要。

      不同的样品展示方法可能会根据样品类型和所用测量方法而有所不同。动态成像测量通过流动池进行，样品在测量期间通过流动池。静态成像测量一般利用如显微镜载玻片、玻璃片或滤膜去展样。为了避免潜在的操作者误差，自动化分散方法是理想的选择。 

 

 

  

2. 图像采集光学装置

      颗粒的图像通过适合所测样品的光学镜头和数字ccd摄像头捕获。

      静态成像系统提供更灵活的样品照明选项，如反射投射（episcopic）照明、投射（diascopic）照明、暗场（darkfield）照明等，而动态成像系统中，样品通常从背面照明。

      对于如晶体这样的双折射物质，可以使用偏光光学器械。高级动态成像系统利用流体动力学导流机制（sheath flow mechanism）来维护非常小颗粒的焦点稳定性。 

  

 

3. 数据分析软件

      通用设备在每个颗粒上测量和记录各种形态特性（morphological properties）。

      先进的设备配有软件，具有制图和数据分类选项，允许通过直观的可视界面，将相关数据尽可能简单地从测量中提取。

      独立存储的每个颗粒的灰阶图像，为定量结果提供了定性的验证。 

 

 

技术4: 技术: 电泳光散射（ELS）

 电泳光散射（ELS）是一种用于测量分散相颗粒或溶液中分子的电泳迁移率的技术。这种迁移率通常被转换为ζ电位，便于在不同实验条件下对物质进行比较。

  基本的物理原理是电泳法。具有两个电极的池中应用分散体。

  电极施加电场，任意的带电颗粒或分子会向相反电极移动。颗粒或分子的运动速度即电泳迁移率，并与相应颗粒或分子的ζ电位相关。