一篇文章带你了解DLS动态光散射仪

文摘   科学   2023-10-16 08:00   上海  
上期文章我们主要讲到在疫苗乳佐方面DLS动态光散射技术的一些应用点,了解到DLS可以很好地帮助疫苗佐剂的开发。其实除了乳佐剂,在其他领域上,DLS技术也是一个强有力的工具。本期文章我们就来详细聊一聊DLS。
动态光散射(DLS,Dynamic Light Scarttering)是物理学中的一种技术,可用于确定悬浮液中的小颗粒或溶液中聚合物的平均粒径大小及其分布。它是基于对正在经历布朗运动的粒子所散射的光强波动进行分析从而得到我们想要的结果。
粒子越小,受到撞击时它们就运动得越快。DLS可以测量直径从小于1nm到10μm的颗粒,一般来讲,主要监测的是纳米级颗粒(0.1nm~100nm)和亚微米级颗粒(0.1μm~1μm)。

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DLS的基本原理

当单色、相干光源(如红色或者蓝色激光)击中远小于光波长的粒子样本时(小于光波长的1/10),粒子会向各个方向散射光,这种散射被称为瑞利散射,散射光强遵循各向同性。当颗粒大小增加直到光波长量级(λ)甚至达到10λ时,这时则符合米氏散射理论范畴,散射光强遵循各向异性。
所检测样品中颗粒的随机运动随时间而变化,这种运动是由与溶剂分子的碰撞引起的,溶剂分子遵循热力学定律。颗粒以一定的速度在溶液中扩散,这取决于它们的大小、形状、温度和介质的粘度等因素。
对这些波动进行分析可以得到粒子的扩散系数,它与粒子的大小成反比,遵循斯托克斯-爱因斯坦方程:

其中D是扩散系数,K是玻尔兹曼常数,T是绝对温度,η是介质的粘度,R是粒子的流体力学半径。

DLS还可以通过施加电场来诱导带电粒子的电泳运动,从而测量样品颗粒的Zeta电位。

双电子层模型

此时所运用到的技术是基于DLS的ELS电泳光散射

Zeta电位是粒子有效表面电荷的度量,这会影响它们的稳定性和与其他粒子的相互作用。一般来讲,Zeta Potential的数值无论正负,绝对值大于30可判定体系较为稳定,当然也因样品不同而不同。
Zeta电位是使用Smoluchowski理论或Huckel理论通过Henry方程从粒子的电泳迁移率(电场中电泳运动速度)中计算出来的,Henry方程如下:

其中ζ是Zeta电位,U是电泳迁移率,ε是介质的介电常数,η是溶剂粘度,f(κa)是Henry函数。其他几个量都好理解,f(κa)中的κa是粒子半径对双电子层厚度的比例,有两个值通常用于f(κa)测定的近似值。

通常在水性介质和中等电解质浓度下进行Zeta电位测定时,我们一般认为是Smoluchowski近似,f(κa)=1.5。对于较低介电常数介质中的小粒子则是Huckel近似,f(κa)=1,大家有兴趣可以自行推演一下。

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动态光散射技术的应用

动态光散射技术除了可以很好应用于我们上期介绍的疫苗乳佐的相关项检测,它其实可以广泛应用于科研和工业的各个领域,如纳米技术、生物技术、制药、化妆品、食品、聚合物、胶体和环境科学等,可以检测的项目主要分为三项:粒径大小、粒径分布、PDI.多分散性以下大致罗列了一些应用,以供大家参考:

 NO.1  

纳米颗粒、纳米材料和纳米药物的表征,如量子点、碳纳米管、金纳米颗粒、脂质体、胶束及其他药物输送系统。DLS可以提供有关这些纳米级颗粒的大小、稳定性、聚集和相互作用等信息。

 NO.2  

蛋白质、肽和其他生物分子的表征,如抗体、酶、激素以及DNA等。DLS可以提供有关这些生物大分子的大小、展开、聚集和结合等信息。

 NO.3  

聚合物、共聚物和聚合物溶液的表征,如聚乙二醇(PEG)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)及聚丙烯酰胺(PAM)等。DLS可以提供有关这些合成大分子的大小、分子量、多分散指数(PDI)、支化和交联等信息。

 NO.4  

胶体、乳液和悬浮液的表征,如牛奶、油漆、墨水、乳胶、粘土和土壤等。DLS 可以提供有关这些复杂流体的大小、稳定性等信息。

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DLS的优势和局限性

DLS是一种强大的技术,可以应用于众多行业,与其他粒度分析表征方法相比也具有很多优势:
  • 非侵入性:DLS不需要任何样品制备或修改,并且在测量过程中不会改变或损坏样品。此处有一个前提条件,即样品是在未稀释或未经过其他处理下进行检测的。有的粒度分析设备需要对样品进行稀释或者加入电解液才能检测,这样可能就破坏了样品本身。

  • 快速:DLS可以在几分钟甚至一分钟内提供结果。

  • 简单:DLS只需要了解介质、溶剂的粘度和折射率即可计算粒径。

  • 灵敏:DLS可以检测直径小至1nm甚至0.3nm的颗粒。

但是,DLS也有一些限制,在选择这项技术之前你需要将这些限制考虑进去:
  • 基本假设:DLS技术假设颗粒都是球形的、均匀的,这对于某些样品来说,检测结果可能时不准确的,如碳纳米管、纳米纤维素等。

  • 易受干扰:DLS可能会受到多重散射(当散射光再次被其他颗粒散射时)、吸收(当光被样品或介质吸收时,如红色激光检测蓝色样品)、污染(当样品中存在灰尘或其他杂质时)、温度波动(当测量过程中温度变化时)和样品老化(当样品由于化学或物理过程而随时间变化时)等因素的影响。

  • 分辨率不高:DLS 在解析具有相似尺寸或重叠尺寸分布的粒子时分辨率有限,如对100nm和200nm两种标准液混合样品进行检测时,DLS可能无法分辨出这两种标准液。目前市面上主流DLS设备的分辨率基本维持在1:3~1:4的范围内。

  • 精度不够:DLS可能对检测主体直径大于1 μm的颗粒很难提供准确的结果。其中一部分原理是颗粒过大、过重势必会影响其正常的布朗运动。

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一些DLS动态光散射仪品牌

目前,国内市面上有许多商用仪器可用于执行DLS的测量,虽然每家底层原理一样,但各自的设计、性能和功能各不相同。这些仪器通常由激光源(半导体固态激光器或He-Ne气态激光器)、探测器(PMT或APD)、自相关器组成。

DLS动态光散射仪的一些品牌包括(有很多优秀产品,这里只列举部分):

  • 来自英国Malvern Panalytical的Zetasizer Advance系列:该系列共计三款产品,分别是Lab型、Pro型和Ultra型,全系列产品可以测量颗粒粒径、分布、Zeta电位、分子量、浓度等。它们提供各种样品池选项和功能,例如多角度MADLS以提高分辨率。

  • 来自美国麦奇克的Nanotrac Wave II:它具有获得专利的探头设计(比较新的设计),可以测量非常低或高浓度的样品,以及有着可以处理不同类型的样品和应用的灵活软件。

  • 来自美国PSS的Nicomp Z3000系列:模块化设计,搭载PMT、APD双检测器,拥有灵敏度较高的Nicomp多峰算法。

  • 来自美国Brookhaven的NanoBrook Omni:模块化的设计,可以轻松升级和定制,可检测固体表面膜电位;搭载有微流变部件。



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