利用動態光散射法剖析膠體金的特性

下載 

 





序論 

膠體金是具有有趣特性之金奈米粒子懸浮分散液[1]。其顏色由金粒子的大小和形狀所決定[2]。圖1顯示了不同粒徑的膠體金懸浮液。粒徑小於5nm的顯黃色，5nm~20nm的呈紅色，而100nm以上的顯藍色。 

在水溶液中的金粒具有負電荷，與蛋白質和抗體等各種生物大分子有強親和力[3]。因此，膠體金目前被應用於DNA結合、成像探針和診斷劑等各種生物工程領域[1,4,5]。此外，膠體金懸浮液正被開發以應用於先進電子和塗料領域[6]。

膠體金的尺寸特性剖析對於確保粒子徑大小一致且散布樣品中無凝聚粒子非常重要。電子顯微術作為一種廣泛使用的尺寸特性分析方法[1,2]。圖2是膠體金樣品的透射電子顯微照片。可以清楚看到單個金粒，但大多數呈現為由兩個或更多粒子組成的聚集體。

雖然電子顯微術是視覺化粒子的絕佳方法，但在統計上僅能測量幾十至幾百粒，因此並不充分。使用電子顯微術通過計算不同大小的粒子可以獲得基於數量的粒徑。

動態光散射法（DLS）是測量懸浮液中奈米粒子尺寸的非侵入性技術。該方法利用布朗運動測量粒子懸浮液中隨時間變化的散射光強度。通過分析這些散射光強度的變化可以確定擴散係數，從而依據斯托克斯-愛因斯坦方程推算出粒徑。

本應用筆記將探討利用動態光散射評估膠體金的尺寸特性方法，以及與電子顯微術得出的結果差異。

實驗

本Application note中的所有測量皆於Zetasizer Nano S，於25°C下進行。Nano S配有633nm波長4mW的He-Ne雷射和雪崩光電二極管（APD）檢測器，散射的光在173°角下檢測。

結果及討論

圖3顯示了通過Nano S測量的膠體金溶液的強度粒徑分佈。此圖顯示了由不同大小群（X軸）的粒子散射的光（Y軸）的相對比例。得到的粒徑分佈顯示出平均分別為13.6nm和339nm的兩個峯值。這些峯值的強度、體積和數量分析結果見表1。

測得的強度粒徑分佈顯示樣品中存在大量聚集粒子。然而將此粒徑分佈基於體積（或質量或重量）（圖4）轉換則顯示存在低濃度分佈的聚集粒子。將強度結果轉換為體積時使用Mie理論，此時需要粒子折射率(n)和吸光度(k)的值。本例中使用0.2(n)和3.32(k)[9]。得到的體積粒徑分佈顯示，按質量計樣品的90%以上由約13nm的小粒子組成。

將此結果轉換為圖5中的基於數量的粒徑，得到平均為12.4nm的單一峰值。結果顯示以電子顯微術等基於數量的方法剖析此樣品時，大多數可見粒子為小粒子。只有在統計數量足夠時才能看到大的粒子。基於數量顯示，樣品的聚集粒子非常少，但這些粒子散射大量光，佔據大部分強度粒徑峰值（圖3）。因此分析此類樣品時，動態光散射法和電子顯微術可能得出非常不同的結果。

若用動態光散射法測量圖2中的樣品，對各種粒子（單粒子、兩粒子的凝聚、三粒子的凝聚等）進行分析會非常困難。如此動態光散射法不建議用於包含三種大小粒子的樣品。

因此，單一粒子與由2、3或者4個粒子組成的聚集粒子的混合物，將顯示出寬範圍的單一峰值，受到散射大部分光的大粒子的影響。z-平均直徑和分散度值對聚集粒子的存在非常敏感。z-平均直徑是平均流體動力學直徑，而分散度值是分佈寬度的估計值。這兩個值均根據動態光散射的國際標準ISO13321計算[10]。

結論

動態光散射法是分析膠體金尺寸的合適方法。該方法對聚集粒子的存在非常敏感，可用z-平均直徑和分散度做為判定樣品均勻性的方法。

對於單分散樣品，動態光散射法及電子顯微術所得結果應非常接近。然而對於多分散樣品，大粒子造成的散射可能導致動態光散射法得出比電子顯微術更大的粒徑結果。

參考文獻

[1] M.A. Hayat (1989) Colloidal Gold: Principles, Methods and Applications, Academic Press, New York.

[2] K. Miura and B. Tamamushi (1953) J. Electron Microscopy 1, 36-39.
[3] M. Horisberger and M.F. Clerc (1985) Histochem and Cell Biol. 82, 219-223.
[4] A. Csaki, R. Möller and W. Fritzsche (2002) Expert Rev. Mol. Diagn. 2, 89-94.
[5] R. Tanaka, T. Yuhi, N. Nagatani, T. Endo, K. Kerman, Y. Takamura and E. Tamiya (2006) Anal. Bioanal. Chem 385, 1414-1420.
[6] T. Sato and H. Ahmed (1997) Applied Phys. Letters 70, 2759-2761.
[7] A.N. Shipway, E. Katz and I Willner (2000) 1, 18-52.
[8] P. Mulvaney, M. Giersig and A. Henglein (1992) J. Phys. Chem. 96,
10419-10424.

[9] L. G. Shulz (1954) J. Opt. Soc. Am. 44, 357-362 and 362-368.
[10] International Standard ISO13321 Methods for Determination of Particle Size Distribution Part 8: Photon Correlation Spectroscopy, International Organization for Standardization (ISO) 1996.

Zetasizer Nano

Malvern Instruments的Zetasizer Nano是首台商用儀器，配有靜態、動態及電泳光散射測量所需的硬件與軟件。藉由此Nano裝置可測量樣品特性包括粒徑、分子量、zeta電位。

Zetasizer Nano裝置通常適用於低濃度及少量樣品的製藥及生物分子部門、高濃度的膠體應用。後向散射光學裝置及新型樣品槽設計滿足這些獨特需求。結果Zetasizer Nano的粒徑與濃度指標高於其他商用動態光散射儀器。其粒徑範圍為0.6 nm至6 µm，濃度範圍為0.1 ppm至40% w/v。

Zetasizer Nano系統具有經過專利設計的硬件以及誘人的基於光學設置的“單鍵”測量系統，其軟件包含自動化高效的數據分析功能，通過最佳化算法自動進行“單鍵”測量、分析和報告系統，降低對新用戶的學習要求。