激光納米散射儀(馬爾文)

ZetasizerNano系列光散射儀110820042

沈勇

110820039

葉學(xué)軍目錄一、簡(jiǎn)介二、三大測(cè)量技術(shù)原理及作用.動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)〔DynamicLightScattering，DLS)靜態(tài)光散射技術(shù)〔StaticLightScattering,SLS〕激光多普勒電泳技術(shù)〔LaserDopplerElectrophoresis,LDE〕三、ZetasizerNano的應(yīng)用及優(yōu)點(diǎn).一、簡(jiǎn)介馬爾文〔Malvern〕儀器是一家英國(guó)公司，專(zhuān)注于設(shè)計(jì)和制造精確的測(cè)量?jī)x器，應(yīng)用于:粒子尺寸及其分布Zeta電位分子量粒子形態(tài)分散體系的流體力學(xué)性質(zhì)二、三大測(cè)量技術(shù)原理及作用ZetasizerNano系列光散射儀的三種測(cè)量技術(shù)：動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)〔DLS〕：通過(guò)非侵入背散射〔NIBS〕測(cè)量粒徑及其分布.靜態(tài)光散射技術(shù)〔SLS〕：測(cè)量分子量以及第二維利系數(shù)A2.激光多普勒電泳技術(shù)〔LDE〕：通過(guò)激光多普勒測(cè)速〔LDV〕和相位分析光散射技術(shù)〔PALS〕相結(jié)合的技術(shù)測(cè)量Zeta電位.1.動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)〔DynamicLightScattering，DLS〕------測(cè)量粒徑及其分布1.什么是動(dòng)態(tài)光散射？動(dòng)態(tài)光散射(DLS)是指由于散射質(zhì)點(diǎn)不停地做布朗運(yùn)動(dòng)而引起的多普勒效應(yīng)導(dǎo)致了散射光波長(zhǎng)以入射光波長(zhǎng)為中心展開(kāi)的現(xiàn)象，又稱(chēng)為準(zhǔn)彈性散射。布朗運(yùn)動(dòng)是由于與環(huán)繞粒子的分子隨機(jī)碰撞引起的粒子運(yùn)動(dòng)。動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)是指通過(guò)測(cè)量樣品散射光強(qiáng)度起伏的變化來(lái)得出樣品顆粒大小信息的一種技術(shù)。樣品中的分子不停地做布朗運(yùn)動(dòng)使得散射光產(chǎn)生多普勒頻移。非侵入背散射〔NIBS〕技術(shù)：測(cè)量背散射有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)闇y(cè)量背側(cè)散射，入射光束沒(méi)有必要穿過(guò)整個(gè)樣品。因?yàn)楣庵恍璐┻^(guò)樣品的較短路徑長(zhǎng)度，因此可以測(cè)量較高濃度的樣品。降低了多重散射的效應(yīng)；在多重散射中，來(lái)自一個(gè)粒子的散射光本身是其它粒子散射的。與樣品粒徑比較，分散劑中的灰塵等污染物比較大。大顆粒主要在前進(jìn)方向散射。因此，通過(guò)測(cè)量背散射，可大大降低灰塵效應(yīng).2.Zetasizer

Nano如何測(cè)量粒徑?粒子的布朗運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致光強(qiáng)的波動(dòng)，動(dòng)態(tài)光散射----測(cè)量光強(qiáng)的波動(dòng)隨時(shí)間的變化；光子相關(guān)器〔Correlator〕將光強(qiáng)的波動(dòng)轉(zhuǎn)化為相關(guān)方程；相關(guān)方程檢測(cè)光強(qiáng)波動(dòng)的的速度，從而我們得到粒子的擴(kuò)散速度信息和粒子的粒徑d(h)。示意圖：①激光器②樣品池③檢測(cè)器④衰減器⑤相關(guān)器⑥計(jì)算機(jī)注：APD(AvalanchePhotoDiode)：雪崩光電二極管布朗運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是：小粒子運(yùn)動(dòng)快速，大顆粒運(yùn)動(dòng)緩慢。由于粒子在不停地運(yùn)動(dòng)，散射光斑也將出現(xiàn)移動(dòng)。由于粒子四處運(yùn)動(dòng)，散射光的相位疊加，將引起光亮區(qū)域和黑暗區(qū)域呈光強(qiáng)方式增加和減少或以另一種方式表達(dá)，光強(qiáng)也成波動(dòng)形式。即：粒子的布朗運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致光強(qiáng)的波動(dòng)。

相關(guān)方程:對(duì)于單分散體系：對(duì)于多分散體系：累積距法：得到平均粒子尺寸和分布系數(shù)〔PD.I〕多指數(shù)分析模型：得到粒子實(shí)際尺寸和分布這里是所有指數(shù)衰減的總和累計(jì)矩法：分布系數(shù)〔PD.I〕:Stokes-Einstein方程：

Stokes-Einstein方程，定義了粒徑與其布朗運(yùn)動(dòng)所致速度之間的關(guān)系。光強(qiáng),體積和數(shù)量分布：米式理論，輸入顆粒的折光指數(shù)和吸收率設(shè)想一個(gè)由相等數(shù)量的5nm和50nm球型粒子組成的混合物3.結(jié)果分析〔1〕光強(qiáng)的重復(fù)性同一個(gè)樣品重復(fù)至少三次測(cè)試-光強(qiáng)誤差應(yīng)該在百分之幾之內(nèi)；在連續(xù)測(cè)試過(guò)程中光強(qiáng)增強(qiáng)意味著:粒子聚集；在連續(xù)測(cè)試過(guò)程中光強(qiáng)減弱意味著:粒子沉淀、粒子溶解；在連續(xù)測(cè)試過(guò)程中光強(qiáng)無(wú)規(guī)那么變化意味著:粒子不穩(wěn)定(聚集或別離)?！?〕z-均直徑重復(fù)性屢次z-均直徑的測(cè)試結(jié)果誤差應(yīng)在1%-2%之內(nèi)z-均直徑增長(zhǎng)意味著:粒子聚集、溫度不穩(wěn)定(粘度隨時(shí)間變化)z-均直徑下降意味著:粒子沉淀、粒子溶解、溫度不穩(wěn)定(粘度隨時(shí)間變化)〔3〕尺寸分布的重復(fù)性對(duì)于尺寸分布結(jié)果應(yīng)該檢查分布峰的位置和包含的面積的重復(fù)性如果分布沒(méi)有重復(fù)性，建議重新測(cè)量，并將測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)2.靜態(tài)光散射〔StaticLightScattering,SLS〕------測(cè)量分子量什么是靜態(tài)光散射？靜態(tài)光散射是指光與散射質(zhì)點(diǎn)作用時(shí)沒(méi)有能量改變的光散射(即沒(méi)有頻率位移產(chǎn)生)，又稱(chēng)為經(jīng)典散射或彈性散射。測(cè)量過(guò)程：通過(guò)靜態(tài)光散射測(cè)量不同濃度的樣品，得到散射光隨時(shí)間的平均光強(qiáng)，然后應(yīng)用瑞利方程，可以測(cè)量分子量〔MWt〕和第二維利系數(shù)〔A2〕。瑞利方程說(shuō)明了溶液中粒子的散射光密度。第二維利系數(shù)〔A2〕第二維利系數(shù)〔A2〕是一種屬性，說(shuō)明了粒子與溶劑或適當(dāng)分散劑介質(zhì)之間的相互作用力。當(dāng)A2>0的樣品，粒子更“喜歡〞溶劑而非它本身，趨于停留在穩(wěn)定溶液中。當(dāng)A2<0時(shí)，粒子更“喜歡〞它本身而非溶劑，因此可能會(huì)聚集。當(dāng)A2=0時(shí)，粒子與溶劑相互作用力等于分子與分子相互作用力，于是溶劑可描述為θ溶劑〔相當(dāng)于理想溶液，溶液中溶質(zhì)－溶質(zhì)、溶劑－溶劑和溶質(zhì)－溶劑分子的相互作用都相等，因此溶解過(guò)程沒(méi)有熱量變化；也沒(méi)有體積變化〕。3.激光多普勒電泳〔LaserDopplerElectrophoresis,LDE〕------測(cè)量Zeta電位Zeta電位(ZetaPotential)什么是Zeta電位?Zeta電位同時(shí)依賴(lài)于粒子外表和分散劑的化學(xué)性質(zhì)對(duì)于靜電力穩(wěn)定的分散體系，通常是Zeta電位越高，體系越穩(wěn)定體系穩(wěn)定與否通常以Zeta電位是否大于±30mV為標(biāo)準(zhǔn)影響Zeta電位的因素？pH變化電導(dǎo)率(濃度，鹽的類(lèi)型)組成成分濃度的變化(如高分子，外表活性劑)穩(wěn)定：Zeta電位>+30mV正電或<-30mV負(fù)電粒子。如何測(cè)量Zeta電位?最普遍的方法----電泳。通過(guò)顆粒的運(yùn)動(dòng)速度與：電場(chǎng)的強(qiáng)度、介質(zhì)的介電常數(shù)和介質(zhì)的粘度和Zeta電位有關(guān)，這樣Zeta電位電位就可以通過(guò)電泳淌度〔單位電場(chǎng)強(qiáng)度中的電泳速度〕，由亨利方程計(jì)算出Zeta電位了。如何測(cè)量Zeta電位?ZetasizerNano那么采用了最新的專(zhuān)利技M3-PALS技術(shù)測(cè)定Zeta電位。1.樣品的散射光和參考光源相干產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)；2.頻率分析得出粒子電泳運(yùn)動(dòng)速度；3.Zeta電位由Henry方程換算而得。1.什么是M3-PALS技術(shù)？M3-PALS技術(shù)：將激光多普勒測(cè)速法(LDC)和相位分析光散射〔PALS〕結(jié)合，使得ZetasizerNano系列儀器能完全排除電滲，并可在樣品池中任一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量、并取得真實(shí)遷移率。此外，也能夠分析極低遷移率的樣品，并計(jì)算其遷移率分布。激光多普勒測(cè)速法(LDC),一般就只有FFR，這樣測(cè)得的數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，M3就是改進(jìn)過(guò)后的LDC。M3=SFR+FFR。因此命名為“混合模式測(cè)量〞。SFR:慢速電場(chǎng)變換(Slowfieldreversal)FFR:快速電場(chǎng)變換(Fastfieldreversal)Zeta電位測(cè)量系統(tǒng)：①激光器②樣品池③檢測(cè)器④數(shù)字信號(hào)處理器⑤計(jì)算機(jī)⑥衰減器⑦光學(xué)補(bǔ)償裝置慢速電場(chǎng)變換〔SFR〕慢速電場(chǎng)變換〔SFR〕:這種變換運(yùn)用于降低電極的氧化，氧化在導(dǎo)電溶液中是不可防止的。電場(chǎng)通常每1秒變反轉(zhuǎn)一次，允許流體穩(wěn)定流動(dòng)?？焖匐妶?chǎng)變換〔FFR〕快速電場(chǎng)變換〔FFR〕:快速變換電場(chǎng)使在粒子到達(dá)最終速度時(shí)，由于電滲導(dǎo)致的流體流動(dòng)并不顯著。這說(shuō)明，在這段時(shí)期內(nèi)所測(cè)量的遷移率，僅由粒子的電泳所引起，而不受電滲所影響。這種技術(shù)計(jì)算的平均Zeta電位是非常準(zhǔn)確的，因?yàn)闃悠烦氐臏y(cè)量位置不是至關(guān)重要的。但是，由于粒子速度是在短的時(shí)間內(nèi)測(cè)得的，如此降低了分布信息的價(jià)值。PALS技術(shù)用于測(cè)定M3測(cè)量中的粒子遷移率。激光多普勒測(cè)速法〔LaserDopplerVelocimetry〕：在馬爾文ZetasizerNano系列儀器中，采用了激光多普勒測(cè)速法(LDV)測(cè)量電泳遷移率。電泳體系的主要組成是帶電極的樣品池，在其兩端為電極并且都施加了電勢(shì)。粒子朝著相反電荷的電極運(yùn)動(dòng)，測(cè)量其速度并以單位場(chǎng)強(qiáng)表示，即其遷移率。在17°角度的散射光與參考光結(jié)合，產(chǎn)生光強(qiáng)的波動(dòng)信息，其中波動(dòng)速度與粒子的速度成正比。數(shù)字信號(hào)處理器用于提取散射光中的特征頻率。電泳光散射：一束激光穿照射在進(jìn)行電泳運(yùn)動(dòng)的樣品上，由于顆粒的電泳運(yùn)動(dòng)，散射光的頻率發(fā)生偏移.頻率的偏移Δf與電泳的速度相關(guān)：光強(qiáng)的波動(dòng)是怎樣被引發(fā)的?拍頻被聚焦到檢測(cè)器處

檢測(cè)器檢測(cè)的是光強(qiáng)隨時(shí)間的波動(dòng)，進(jìn)而得到拍頻，進(jìn)而得到帶電粒子速度信息。

通過(guò)頻率分析得出粒子電泳運(yùn)動(dòng)速度后，再應(yīng)用Henry方程，我們可以得到粒子的Zeta電位。亨利〔Henry〕方程：有兩個(gè)值通常用于f〔Ka〕測(cè)定的近似，即1.5或1.0。在水性介質(zhì)和中等電解質(zhì)濃度下進(jìn)行Zeta電位的電泳測(cè)定法。在這種情況下f〔Ka〕=1.5，即Smoluchowski近似。對(duì)較低介電常數(shù)介質(zhì)中的小粒子，f〔Ka〕=1.0，允許同樣的簡(jiǎn)單計(jì)算。這通常指Huckel近似。非水相測(cè)量通常使用Huckel近似。疫苗顆粒的Zeta電位不同疫苗配方的長(zhǎng)期穩(wěn)定性可通過(guò)Zeta電位來(lái)預(yù)測(cè)Zeta電位的應(yīng)用：基因治療基因治療是用帶菌載體將基因材料釋放給患者到達(dá)治療的目的帶菌載體是傳輸工具：通常是病毒或脂質(zhì)體----用來(lái)攜帶基因材料到達(dá)體內(nèi)的目標(biāo)細(xì)胞現(xiàn)時(shí)正在研究用陽(yáng)離子與陰離子脂質(zhì)體作為基因治療的帶菌載體陽(yáng)離子脂質(zhì)體與變形體式的DNA形成復(fù)合體最正確轉(zhuǎn)染與脂質(zhì)體與DNA的比有關(guān)Zeta電位測(cè)量可被用于尋找特定脂質(zhì)體與不同DNA變形體的最正確比例基因治療中的陽(yáng)離子脂質(zhì)體變形體基因治療中的陽(yáng)離子脂質(zhì)體基因治療中的陽(yáng)離子脂質(zhì)體經(jīng)吸附的脂質(zhì)體：位阻穩(wěn)定Zeta電位小結(jié)：Zeta電位的大小可以用來(lái)預(yù)測(cè)體系的穩(wěn)定性；如果電荷穩(wěn)定是膠體體系穩(wěn)定的主要機(jī)理，一般來(lái)說(shuō)，Zeta電位愈大，體系愈穩(wěn)定；假設(shè)穩(wěn)定性的是由于位阻效應(yīng)，那么Zeta電位愈小，體系愈穩(wěn)定。三、ZetasizerNano的應(yīng)用：Zetasizer

Nano的功能：選擇馬爾文儀器的理由：粒度----NIBS技術(shù)可以對(duì)粒徑范圍0.3納米至10微米的顆粒和分子進(jìn)行測(cè)量.

分子量----雪崩光電二極管〔APD〕檢測(cè)器和光纖檢測(cè)光學(xué)裝置提供測(cè)量絕對(duì)分子量所需的靈敏度和穩(wěn)定性.Zeta電位----M3-PALS技術(shù)能夠?qū)λ稚⒑头撬稚Ⅲw系中的Zeta電位進(jìn)行精確的測(cè)量.Thankyou!1.什么是動(dòng)態(tài)光散射，簡(jiǎn)述動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)測(cè)定粒徑的原理？①動(dòng)態(tài)光散射是指入射光波長(zhǎng)和散射光波長(zhǎng)接近的散射,也稱(chēng)準(zhǔn)彈性散射。②動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)測(cè)定粒徑的原理是由于樣品中的粒子在不停地做布朗運(yùn)動(dòng)使散射光產(chǎn)生多普勒頻移,根據(jù)多普勒頻移即散射光的變化就測(cè)得溶液中分子的擴(kuò)散系數(shù)D，再由D=KT/6πηr可求出分子的流體動(dòng)力學(xué)半徑r，(式中K為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，η為溶液的粘滯系數(shù)),最后根據(jù)已有的分子半徑-分子量模型，就可以算出分子量的大小。2.什么是zeta電位，簡(jiǎn)述多普勒電泳光散射zeta電位儀的測(cè)量系統(tǒng)組成及其根本工作原理