利用动态光散射法(Dynamic Light Scattering)分析胶体金的特性

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前言 

胶体金是表现出有趣特性的金纳米颗粒的悬浮分散溶液[1]。样品的颜色取决于金颗粒的大小和形状[2]。图1 显示了具有不同粒径的胶体金悬浮液。粒径小于5nm时呈黄色，5nm~20nm时呈红色，超过100nm时呈蓝色。 

在水溶液中的金颗粒具有负电荷，这种电荷给予它们对蛋白质和抗体等各种生物大分子的强烈亲和力[3]。因此，胶体金目前被广泛应用于DNA结合、图像探针和诊断剂等生物技术领域[1,4,5]。此外，胶体金悬浮液正开发用于先进电子和涂层领域的应用[6]。

了解胶体金的粒径特性对于确认颗粒直径的均匀性和分散样品中无凝聚颗粒至关重要。电子显微镜技术是广泛用于粒径特性分析的方法[1,2]。图2 显示了胶体金样品的透射电子显微镜照片。在图中可以清楚地看到个别的金颗粒，但大多数是由两个或更多颗粒组成的团块。

电子显微镜法虽然是颗粒可视化的极佳方法，但从统计学角度看，仅能测量数十、数百个颗粒，因此尚不足够。通过电子显微镜法可以通过计算各种大小的颗粒，从而得到基于数量的颗粒尺寸分布。

动态光散射法(DLS)是测量分散系中纳米颗粒大小的非侵入性方法。该方法利用布朗运动(Brownian motion)，通过测量悬浮液中随时间变化的散射光强度来分析散射光强度的变化，从而确定平均颗粒大小。这一扩散系数可以通过史托克斯-爱因斯坦方程(Stokes-Einstein equation)来计算颗粒大小。

在本应用笔记中，我们探讨使用动态光散射对胶体金进行粒径特性分析，并比较其与电子显微镜法所得结果的差异。

实验

本应用笔记中的所有测量均在25°C下使用Zetasizer Nano S进行。Nano S中包含633nm波长的4mW He-Ne激光器和雪崩光电二极管(APD)探测器，散射光在173°角度下被探测。

结果与讨论

图3 显示了由Nano S测量的胶体金溶液的强度粒度分布。此图展示了不同粒径组(X轴)的颗粒所散射的光线(Y轴)的相对比例。所得的粒度分布具有平均值分别为13.6nm和339nm的两个峰。对这些峰的强度、体积、数量分析结果列于表1中。

测量的强度粒度分布表明样品中存在相当数量的团聚颗粒。然而，基于该粒度分布转换为体积(或质量或重量)(图4)时显示出低浓度存在少量团聚颗粒。将强度结果转换为体积时，采用Mie理论，此时需要颗粒的折射率(n)和吸光度(k)的值。在此处使用各0.2(n)和3.32(k)[9]。计算得出的体积粒度分布显示，超过90%的样品由约13nm的小颗粒组成。

将此结果转换为图5中显示的基于数量的粒度分布时，得到一个平均值为12.4nm的单一峰。通过该结果可以知道，如果通过电子显微镜等以数量方式对样品特性进行分析，可以看到多数颗粒为小颗粒。只有当计算足够数量时，才能看到大颗粒的存在。在基于数量的分析中，该样本的团聚颗粒很少，但这些颗粒散射了大量的光，因此占据了强度粒度峰的很大一部分(图3)。因此，使用动态光散射法和电子显微镜法分析这些样品时，可能会得到相当不同的结果。

若使用动态图散射法测量图2所示样品，分析各种颗粒(单个颗粒、两个颗粒的聚合、三个颗粒的聚合等)将非常困难。因此，动态光散射法并非推荐用于具有三种尺寸样本的分析方法。

因此，由单个颗粒和2、3或4个颗粒组成的聚合颗粒的混合物会受到散射大部分光线的大颗粒的影响，从而呈现出一个范围较宽的单一峰。z-平均直径和分散度值对聚合颗粒的存在非常敏感。z-平均直径是平均流体直径，而分散度值是分布宽度的估计值。这两个值均依据国际标准ISO13321通过动态光散射法计算得出[10]。

结论

动态光散射法是确定胶体金大小的合适方法。该方法对聚合颗粒的存在极其敏感，因而可以使用z-平均直径和分散度来作为样品均匀性测定的方法。

对于单分散样品，动态光散射法和电子显微镜法获得的结果应该非常接近。然而对于多分散样品，由于大颗粒导致的散射，动态光散射法得到的粒度结果往往比电子显微镜法大。

参考文献

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

[2] K. Miura和B. Tamamushi (1953)J. Electron Microscopy 1, 36-39.
[3] M. Horisberger和M.F. Clerc(1985) Histochem and Cell Biol. 82,219-223.
[4] A. Csaki, R. Möller和W.Fritzsche (2002) Expert Rev. Mol.Diagn. 2, 89-94.
[5] R. Tanaka, T. Yuhi, N. Nagatani,T. Endo, K. Kerman, Y. Takamura 和E. Tamiya (2006) Anal. Bioanal.Chem 385, 1414-1420.
[6] T. Sato和H. Ahmed (1997)Applied Phys. Letters 70, 2759-2761.
[7] A.N. Shipway, E. Katz和I Willner (2000) 1, 18-52.
[8] P. Mulvaney, M. Giersig和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] 国标ISO13321 方法用于粒度分布测定，
国际标准化组织 (ISO) 1996

Zetasizer Nano

Malvern Instruments 的Zetasizer Nano 是首个集成静态、动态和电泳光散射测量硬件与软件的商用仪器。Nano 设备可测量的样品特性包括粒度、分子量、Zeta 电位。

Zetasizer Nano 设备设计用于满足低浓度与少量样品的制药与生物分子领域的需求，并同样适用于高浓度的胶体应用。该设备通过使用后向散射光学设备和新型比色皿设计满足此类独特要求。结果表明Zetasizer Nano 的粒度与浓度规格优于其他商用动态光散射仪器。其粒度范围为0.6nm ~ 6um，浓度范围为0.1ppm ~ 40% w/v。

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