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动态光散射技术入门:工作原理、专业建议

发布时间:2015-10-21 8:31:06
动态光散射技术入门
 
作者:马尔文仪器公司纳米颗粒及分子鉴定产品营销经理Stephen Ball
 
动态光散射(DLS)是一项用于蛋白质、胶体和分散体的极具价值的粒度测量技术,其应用范围可轻松扩展到1nm以下。本文中,马尔文仪器公司产品营销经理Stephen Ball将向您介绍DLS的工作原理,并就购买光散射系统时的关注事项为您并提供一些专业建议。
 
通过观察散射光,可以测定粒子分散体系或分子溶液的特性,如粒度、分子量和zeta电位。光散射系统充分挖掘利用这些特性之间关联,并在近几十年间经过不断完善,目前已经能为常规实验室应用提供高度自动化的检测。利用光散射仪器的检测快速而高效,可用来表征分散体系、胶体和蛋白质。
 
理论上,光散射仪器中使用的各种技术看起来可能很相似,但它们的功能和检测结果却在实际应用中千差万别,从而对仪器的寿命期价值产生显著影响。光散射系统中的组件和设计的差异也会导致数据质量及仪器适用范围产生很大的差异。例如,某些光散射系统可通过测量蛋白质电泳迁移率对蛋白质电荷以及粒度进行测定,从而成为生物制药应用中高效的选择方案。
 
撰写本文的目的在于为考虑采用动态光散射DLS技术的读者提供一个入门指南。本文将考察DLS的主要用途、应用领域,尤其会侧重系统设计中对于特定性能的重要性,从而为那些正为自身需求而关注DLS技术的用户提供背景信息和理论支持。
 
了解基本知识
当我们要开始对一种新的分析技术进行评估时,第一个重要步骤就是要了解它的基本工作原理。DLS的优势之一是它操作非常简单,而这直接源于它的测量原理。
 
由于热能,溶剂分子不断运动,和悬浮的颗粒物产生碰撞,使得分散体或溶液中的小颗粒做无规则的布朗运动。可以通过观测散射光随时间的波动性得到颗粒布朗运动的速度,这种技术被称为光子相关光谱法(PCS)或准弹性光散射法(QELS),但现在通常称作动态光散射法(DLS)。
 
斯托克斯-爱因斯坦方程定义了颗粒布朗运动速度与颗粒大小之间的关系:
其中,D =扩散速度,k =波尔兹曼常数,T =绝对温度,h =粘度,DH =流体力学直径
 
上述关系式清楚地表示了在样品温度和连续相粘度已知的情况下,如何根据扩散速度测定粒径。尽管必须是控制检测温度,但很多商用仪器还是会对温度进行测量;而对于许多分散剂,尤其是水而言,粘度是已知的。在很多情况下,DLS实验所需的补充信息也仅仅是粘度测量。
 
DLS的优势
DLS固有的操作简便性意味着操作者无需具备很强的专业知识就能得到详尽而有用的数据,这个优点在最新的高度自动化系统中表现得尤为明显——一般分析只需要几秒钟的时间,并且分散剂的选择余地比较大,不管是水性还是非水性的,只要它们呈透明状并且不太粘稠,就都可以使用。这种测试方法所需的样品量也很小,最少时只需要几微升即可,这一点对于涉及宝贵的样品的早期研究而言是极具吸引力的。
 
实际上,DLS法在测量0.1 nm ~ 10 µm范围的粒径时十分出色。它在测量小颗粒方面的能力尤为突出,对于绝大多数待测体系提供2nm及以上的准确、可重复的数据。从理论上讲,检测低密度分子的粒径仅仅受到仪器灵敏度的限制,但对致密颗粒而言,沉降是可能导致分析不准确的一个潜在问题。例如,对于密度为10g/ml的颗粒,最大检测粒径通常会限制在大约100nm以内。
 
无论是稀释样品还是混浊样品都可以用DLS法来进行测量,可分析的浓度范围最低可至0.1ppm,最高可达40%w/v。不过,由于样品浓度会大大影响其外观尺寸,因此当粒子含量较高时对样品的制备需要加倍小心。
 
上述适用的粒径和浓度范围以及该测量技术的高重现性(粒径20nm时可达到+/-0.1nm),使得DLS这种测量方法具有广泛的适用性。比如,它特别适合检测平均粒径的细微变化,这种变化可能会反映出胶体样品的稳定性;它也可以测得少量聚集体的出现。上述这些现象很有可能是某种样本解体的前兆,当用于药物的蛋白质研究时,这类情况的出现有可能对药物性能产生不利甚至有害的影响。
 
DLS法的局限性
DLS方法的大多数局限性可以或已经通过对实验操作过程进行改进,或对DLS技术进行改进来加以克服;但在区分仪器类型,尤其是对于那些要求异常苛刻的应用而言,它的局限性仍然值得我们加以关注。一般来说,DLS使用过程中遇到的大多数问题是出于以下原因:
 
·  存在较大的颗粒
超出仪器最高量程范围的颗粒应该事先被过滤掉。或者,如果大颗粒的存在量极少也可以通过软件进行处理。
 
·   沉淀
这种现象在较为致密的颗粒中尤其比较容易出现。提高分散液密度是比较有效的抑制方法(比如在系统中加入蔗糖),但这种方法仅适用于密度不高于1.05g/ml的样品体系。
 
·   分辨率较低
DLS不属于高分辨率的技术。当样品的粒度分布排列十分密集,且存在三种以上的粒度分布差异时,DLS 将无法对多重分散样品进行精确表征。在这种情况下,建议最好在测量之前对样品进行分离;而在测量方法上,则需要将DLS与制备技术如凝胶渗透法或尺寸排除色谱法(GPC / SEC)和(或)流场分离技术(FFF)联合使用。
 
·   多重光散射
多重散射是指从一个颗粒发出的散射光在到达探测器之前又会被其它粒子再次散射,在较致密的样品中,这种现象会使粒径计算的精确度受到影响。背散射检测器以大于90°的角度进行测量,大大抑制了这一现象,从而扩大了该技术的测量范围。
 
·   分散剂的选择
虽然大多数分散剂都适用于DLS,但如果分散剂粘度大于100mPa.s,往往会影响测量的可靠性,另外分散剂对光的吸收也会对检测产生干扰。比如有色样品的散射光强度可能会有所降低。一种可行的解决方案是根据系统的灵敏度,采用不同的激光波长进行分析或对样品进行稀释。样品中的荧光也会对信噪比造成影响,但可以通过使用窄带滤波器来解决,以排除荧光杂散光的影响。
 
界定DLS检测仪的特性
上述的讨论是在对DLS仪器的界定特征进行检验的背景下展开的。对于任何分析技术,灵敏度都是最基本的要素,对于DLS系统,这方面的性能是由光学硬件和相应的设置来确定的。稀释度较高时,具有优越光学设置的系统能对较小的颗粒进行可靠测量,但对于在这些功能方面要求不高的应用而言,替代方案可能会更为经济。光学设置的主要元件包括:
 
·   激光源
具有低噪特性的稳定激光源最为合适,如某些氦氖气体激光器。也可以使用某些特定的固态激光器,但价格要贵得多;低成本的固态激光器使测量结果的精度和可重现性受到极大影响。
 
 
·   光学设置
光学设置的核心是进行测量的散射角。测量角固定于90o时,可使系统简便而经济高效,为许多应用(见图1)提供合适的灵敏度级别。这类系统已得到广泛使用。
 
当实验需要灵敏度更高,或样品浓度更高时,最好选择较大的测量角度。例如马尔文仪器公司ZetasizerNano系列激光粒度仪,采用非侵入式背散射检测器(NIBS),将测量角度调到175o(参见图1),扩大了颗粒粒度与浓度的测量范围。由于入射光无需通过整个样品,因此显著减少了多重散射引起的测量不准确性,同样也排除了大灰尘颗粒的影响。
 
在上述两种类型的设置中采用了光纤光学收集组件,其提供的信噪比优于传统的相应部件,从而大大提高了数据质量。
 
·   检测器
检测器有两种类型:一种是便宜、灵敏度较低的光电倍增管PMT,另一种是较昂贵的、性能更好的雪崩光电二极管检测器(APD)。后者宣称效率高达65%,远远优于替代产品PMT 4-20%的效率,从而使数据收集最大化,测量速度更快、质量更高。
 
要获得精确的DLS测量,另一项基本要求是必须对温度进行很好的控制。如同分散剂粘度一样,颗粒的布朗运动也直接和温度相关,因此温度控制较差造成的影响非常严重。例如,在环境温度下对水性体系进行测量,1oC的温度误差将导致2.4%的检测结果偏差,超过ISO13321 [1]标准规定的+/-2%或更新的ISO 22412[2]标准规定的范围。对于使用的各类比色皿,DLS仪器温度控制的合理目标是+/-0.2oC。
 
比起在检测仪外部连接水浴装置,内置温度控制器在使用上更加方便,在测量精度、稳定性和重现性方面也更加可取。此外,具有高性能控制系统的仪器,既能进行快速的系统预热,又能迅速调整温度,从而对温度变化所产生的影响(如蛋白质热不稳定性)进行研究。
 
其它测量评估功能
DLS除了被广泛应用于粒度测量外,专业化程度较高的DLS系统组件的组合也适合用于进行如下测量:
 
- 绝对分子量
- Zeta电位
- 蛋白质电荷
- 微流变学性能
 
如果上述这些功能在系统选择的应用(或潜在应用)中能发挥价值,那么它们对仪器的选择也会起到很大作用。
 
根据静态光散射(SLS)数据,可以测得样本的绝对分子量。这种技术通过瑞利方程将单个分子散射光与其分子量相关联,对此文献3中有详细的讨论。
 
除了粒径, zeta电位也是表征胶体系统时用最广泛使用的测量参数之一。Zeta电位量化了粒子之间静电排斥作用的程度。这种量化不是针对颗粒表面之间,而是针对颗粒边界层内的某个点之间的排斥力,在这个点之外,颗粒对周围的溶剂分子不再产生影响(参见图2)。
 
Zeta电位测量为分散体固有的静电稳定性提供了有效参考,配方设计师可因此对稳定性进行了解和控制。例如在乳液配方中,zeta电位数据帮助筛选稳定性候选样品,将它们用于水处理絮凝过程控制,有助于减少添加剂的剂量水平[4]
                                                                                                        
Zeta电位采用电泳方式进行测量。在毛细管样品池上施加电压,即可测出颗粒向电极运动的速度。因此,和粒径测量一样,Zeta电位测量最重要的一点是它可以对颗粒运动进行高精度测量。同样,类似的还有电泳迁移率测量,它的测量取决于测量粒子穿过电场的移动速度。这类测量方法也能测定蛋白质电荷,从而提高了光散射系统对于蛋白质测量的价值。
 
最后,我们来讨论一下微流变学测量这种新颖的新兴技术。在传统DLS实验中,斯托克斯 - 爱因斯坦方程主要是通过测量颗粒布朗运动速度以及粘度来测定粒径。相反,微流变学所讨论的是通过测量颗粒运动来测定颗粒周围溶液环境的流变特性。这里的新颖之处在于,为了对样品的粘弹性特性进行考察,其中所需要的数学描述已远远超出了斯托克斯 - 爱因斯坦方程的范畴。
 
微流变学提供了仅用最小的样品即可精细地、非破坏性地探测弱结构材料流变性的机会,从而将流变学技术拓展到了机械流变仪无法触及的领域。
 
日常使用
当选择仪器时,评估整体性能特点尤为重要。然而,如果每天使用一个不太符合操作要求的系统所造成的不便会令人非常烦恼,甚至不想再去用它。因此,当需要在最终几个备选仪器之间进行选择时,以下几个问题是值得考虑一番的:
 
·   我最重要的需求是什么:速度还是准确性?
·   我的样品粒径的范围?
·   我要测量的样品属于什么类型,比如是否有毒?或者具有特别强的腐蚀性?
·   今后仪器的操作者是专家还是新手?他们具备多少关于光散射的专业知识?
 
速度与准确性
DLS测量通常成批进行,样品通常不同、且体积较小。测量时间一般按照能达到要求的重复性水平设置,但一般不大会超过几分钟。不过,分析效率可能因样品制备和系统清洗要求而有所不同,不同系统的使用方便性也会有较大的差异。如果DLS系统被用作GPC/SEC检测器,系统将设置为流体工作模式。由于样品流经仪器,为达到必要的精度,测量必须在短短几秒钟之内完成。
 
具有良好测试速度和准确性的仪器通常都价格较高,但考虑使用寿命期的成本更为重要。考虑到因不能满足重复性标准而进行反复实验所花费的时间和成本,以及因仪器装备不能满足常规实验室使用要求而造成的分析效率下降等因素,更昂贵一些的系统也许更能体现物有所值。
 
适用于各种样品类型的比色皿
大多数光散射系统在批量样品分析期间使用各种比色皿池或比色皿来盛放样品。它们通常是塑料(通常是聚苯乙烯)、玻璃或石英材质的,但大小各不相同。样品的最小用量取决于光学设置,通常为2-3ml。不过,如果不考虑任何样品回收要求,也有一些系统测量只需要2µl的样品用量。
 
一次性塑料比色皿无需清洗,消除了交叉污染的风险,特别适用于盛放有毒材料;有些比色皿只有50 μL大小。采用比色皿可以避免产生‘非比色皿’系统(即把样品直接放在玻璃片上进行测量)因清洗不彻底而导致测量不准确的问题。石英比色皿具有更佳的测量质量,尤其是用于低浓度或小粒径样品时,这是因为石英材料具有优异的光学特性和抗划伤性。
 
减轻分析负担
光散射通常只是许多研究人员在实验室中常规使用的多种技术之一。仪器操作者可能不是光散射方面的专家,因而仪器操作的简便性是很有帮助的。
 
一些DLS系统在数据收集过程中即对数据进行评估,剔除因大颗粒存在而被污染的结果。这类些系统有助于提高样品制备的速度和容许范围。粒径大于10微米的颗粒主要发生向前散射,因此含背散射检测器的仪器对这些颗粒的存在不太敏感。测量浓度范围宽的系统尽可能降低了样品稀释的需求,进一步提高了测量效率。
 
大多数现代化测量系统在数据采集过程中都无需操作员干预,从而减少了分析师的工作量,并提高测量的可重复性。但是有些比较复杂的样本可能需要采用特殊方法进行测量,因此应在标准操作程序(SOPs)中包含这些特殊方法,从而确保应用的标准化。
 
虽然自动测量现在已很普遍,但在内置数据分析支持程度方面,不同仪器之间的差异很大。如果是给非专业人员使用的光散射测量系统,那么含有内置数据分析和专家意见的先进软件将极富价值,就好像在电话另一端有一位可靠的、活生生的专家一样。
 
总结
DLS是一项比较成熟的技术,可为各种类型的样品进行粒径和分子尺寸测量。因此,在选择仪器时,必须将系统能力与用户要求紧密联系起来,使两者相匹配。光散射系统在测量粒径的同时,还可以测量分子量、蛋白质电荷和Zeta电位,甚至还能具有微流变学测量功能。
 
不同系统之间的灵敏度有很大差别,如同在高浓度下也能进行测量一样,也可对各种大小的颗粒或分子进行有效的测量。与那些90o度探测器相比,背散射仪器具有很实际的优势。
 
除了性能以外,还有其它因素也会影响仪器使用寿命期内的价值,包括易于清洁;能获得的支持以及友好的用户软件界面。无论是什么规格的仪器,最好的建议是在购买前进行测试,看看你能否轻松得到有用的数据。DLS问世已经多年,因此不论你的用途是什么,你都可以期望拥有一套有使用针对性的、富有成效并且易于操作的测量系统。
 
结束
参考文献:
[1] ISO 13321 (1996)粒度分析 - 光子相关光谱。
[2] ISO 22412 (2008)粒度分析 - 动态光散射
[3]GPC / SEC静态光散射技术说明,(马尔文仪器公司白皮书)。下载网址:www.malvern.com/slsforgpc
 
图片
 
图1:DLS系统的关键组件包括(1)激光器,(2)测量单元,(3)检测器,(4)衰减器,(5)相关器和(6)数据处理PC。探测器可置于90°或更大的角度,例如这里所显示的NIBS检测器设置在175°。
 
图2:在悬浮液稳定性研究中采用Zeta电位对粒子之间斥力进行量化
laser:激光器
attenuator:衰减器
detector:检测器
digital signal processor 数字信号处理器
correlator:相关器
Electrical double layer:双电层
Stern layer:严密电位
Diffuse layer:扩散层
Negatively charged particle:带负电荷的颗粒
Slipping plane:滑动面
Surface potential:表面电位
Zeta potential:Zeta电位
Distance from particle surface:到颗粒表面的距离
 
 
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