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（Photon Correlation Spectroscopy, PCS）或准弹性光散射（Quasi-Elastic Light Scattering, QELS）也被称作动态光散射（Dynamic light scattering, DLS），通常用于测量尺寸在 1 微米到 1 纳米以下范围内的粒子和聚合物的大小，是一种非侵入性且已良好建立的技术。

 利用该技术可测量悬浮在诸如蛋白质、聚合物、胶束（micelles）、碳水化合物、纳米粒子、胶体分散体和乳液等液体中的颗粒组成的样本。

主要优点：
      • 适用于纳米尺寸和生物材料的粒度范围
      • 要求的样本量较少
      • 分析速度快且产能高
      • 可实现样品的完全恢复的非侵入性技术

原理

  悬浮的颗粒由于与溶剂分子之间存在热诱导的碰撞使布朗运动（Brownian motion）。

 当激光照射颗粒时，散射光的强度在非常短的时间尺度内快速波动，这取决于颗粒的大小，颗粒越小，由溶剂分子移动得越远，移动得越快。对这些强度波动的分析可以计算出布朗运动的速度，从而利用斯托克斯-爱因斯坦公式（Stokes-Einstein relationship）计算粒径。

  动态光散射测得的直径称为流体力学直径（hydrodynamic diameter），指的是颗粒在流体中扩散的方式。这样获得的直径是与被测颗粒具有相同的平移扩散系数的球体的直径。 

 

  ‘核心’直径更大，利用DLS记录的流体力学直径的插图平移扩散系数在一定程度上取决于颗粒’核心’的大小，也取决于任意的表面结构，还可能因介质中的离子浓度和类型不同而不同。这意味着比电子显微镜测量的要大，例如，指颗粒被从其原始环境中移除。

  动态光散射得出的粒度分布为强度加权分布，这意味着大型颗粒可能会主导粒度结果，认识到这一点很重要。

设备装置

  传统的动态光散射设备由使用透镜聚焦激光光源于样品构成。

  光线被颗粒以所有角度散射，传统上，单检测器相对于激光束以90°角排列收集散射光的强度。

  将散射光强度的波动转换为供给数字相关器（Correlator）的电脉冲。这生成用于求解粒度的自相关函数。

NIBS

  在最新的设备中，NIBS（非侵入性后向散射，Non-Invasive Backscatter）技术扩大了可以测量的粒度范围和样品浓度。

  这些设备的粒度测量功能检测辐射光角度173°，如下面显示的。这被称为后散射检测。此外，光学装置不与样品接触，因此检测器被称作非侵入性。

  使用非侵入性后向散射检测具有很多优点。
      • 提高灵敏度。
      • 可以测量更广泛的样品浓度。 

      • 简化样品准备。 

(a)  对于小颗粒或低浓度样品，最大化从样品散射的量具有优势。当激光穿透比色杯（cuvette）壁时，空气与比色杯材料间的折射率差异会导致“眩光”。这种眩光可能干扰来自散射颗粒的信号。通过将测量位置从比色杯壁移动到比色杯中心，可以消除这种影响。

(b)  大颗粒或高浓度样品会散射更多光。通过在更靠近比色杯壁的区域测量，可以最小化散射光需要穿透的路径长度，从而减少多重散射效应。 

技术 3:自动成像技术

  自动成像技术是一种用于从约1微米到几毫米的颗粒特性分析的高分辨率测量法。

  个别颗粒的图像从分散的样品中捕获并进行分析，确定粒径、形状及其他物理特性。 通过一次测量数十个到数万个颗粒，可以形成具有统计代表性的分布。

  在静态成像系统中，分散样品保持静止，而在动态成像系统中，样品会流过成像光学设备。这种技术常与激光衍射等集群测量方法一起使用，以便于更深入了解样品或验证基于集群的粒径测量。常见的应用领域如下：

      •  测量粒径无法区分的颗粒形态差异
      •  检测和/或计数团聚体（agglomerate）、大颗粒或受污染颗粒
      •  测量针状晶体等非球形颗粒的大小
      •  验证基于集群的粒径测量（如激光衍射）

设备装置

  典型的自动成像系统由三个主要部件组成。

1. 样品展示及分散
      这一步对于获得良好结果至关重要，即视野中个别颗粒及聚集体的间隔。

      样品展示的方法可能因样品类型和所用的测量方法不同而异。动态成像测量使用在测量过程中样品流经的流体细胞。静态成像测量使用如显微镜载玻片、玻璃板或过滤膜等平坦表面。为了避免潜在的测量人员差异，自动化分散方法是理想的选择。 

 

 

  

2. 图像捕捉光学仪器

      颗粒的图像通过适合于所测样品的光学透镜和数字 CCD 相机捕捉。

      静态成像系统比动态成像系统在样品照明（例如反射照明、投射照明、暗场照明）方面提供更大的灵活度，而动态成像系统中的样品一般从后面被照明。

      对于双折射材料如晶体，可以使用偏振光学设备。最先进的动态成像系统使用流体力学的鞘流机制以保持对非常小颗粒的恒定聚焦。 

  

 

3. 数据分析软件

      普通设备针对每个粒子测量和记录多种形态特性。

      最先进的设备软件包括图形和数据分类选项，通过直观的可视化界面，相关数据可以从测量结果中轻松提取。

      存储的每个颗粒的灰度图像为定量结果提供了质保验证。 

 

 

技术4: 技术: 电泳光散射(ELS)

  电泳光散射(ELS)是用于测量分散的粒子或溶液中的分子的电泳迁移率的技术。这种迁移率通常被转换为zeta电位，以便在不同实验条件下比较材料。

  基本的物理原理是电泳法。电荷分散在具有两个电极的单元中实施。

  在电极上施加电场，任何任意带电颗粒或分子将移动到相反电荷的电极。任意带电颗粒或分子的速度是电泳迁移率，并与其zeta电位相关。