更新時間：2025-04-24
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1827 年，英國植物學(xué)家羅伯特?布朗（Robert Brown）在顯微鏡下觀察浸入水中的植物花粉時，發(fā)現(xiàn)花粉微粒呈現(xiàn)出不規(guī)則的運動狀態(tài)，這一現(xiàn)象被命名為 “布朗運動” 。布朗運動的本質(zhì)是懸浮在液體或氣體中的微粒受到周圍分子的隨機撞擊，由于這些撞擊的方向和力度不同，導(dǎo)致微粒呈現(xiàn)出無規(guī)則的運動軌跡。
顆粒的布朗運動特性與粒徑密切相關(guān)，遵循 Stokes-Einstein 方程：
其中D為擴散系數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，η為介質(zhì)黏度，r為顆粒半徑。從該方程可以看出，在相同的溫度和介質(zhì)條件下，顆粒半徑r越小，擴散系數(shù)D越大，即顆粒的布朗運動越劇烈。
動態(tài)光散射（DLS）技術(shù)正是基于這一原理，通過測量顆粒布朗運動引起的散射光強的波動，來獲取顆粒的擴散系數(shù)，進而根據(jù) Stokes-Einstein 方程計算出顆粒的粒徑。DLS 技術(shù)測量的是大量顆粒的統(tǒng)計平均結(jié)果，反映的是顆粒群體的特性 。
而納米顆粒跟蹤分析（NTA）技術(shù)則另辟蹊徑，它直接對單個納米顆粒的布朗運動軌跡進行實時追蹤。通過顯微鏡和高速攝像機，記錄下每個顆粒在一段時間內(nèi)的位置變化，根據(jù)顆粒的運動速度和位移信息，利用二維 Stokes-Einstein 方程計算出單個顆粒的粒徑。NTA 技術(shù)能夠提供每個顆粒的粒徑信息，以及粒徑分布的詳細(xì)情況，實現(xiàn)了對納米顆粒的單顆粒水平的分析。
布朗運動作為納米顆粒的固有屬性，為 DLS 和 NTA 技術(shù)提供了堅實的物理基礎(chǔ)，使得科學(xué)家們能夠從不同角度深入研究納米顆粒的特性。
動態(tài)光散射（DLS），也稱作光子相關(guān)光譜或準(zhǔn)彈性光散射，是一種物理表征手段，用來測量溶液或懸浮液中的粒徑分布，也可以用來測量如高分子濃溶液等復(fù)雜流體的行為。其基本原理是基于顆粒的布朗運動。當(dāng)一束激光照射到含有納米顆粒的溶液時，顆粒會散射光線 。由于顆粒在溶液中做無規(guī)則的布朗運動，散射光的強度會隨時間發(fā)生波動。
動態(tài)光散射儀器由光學(xué)系統(tǒng)、樣品池與溫控裝置、信號檢測與處理系統(tǒng)構(gòu)成，實現(xiàn)納米顆粒粒徑及相關(guān)參數(shù)精準(zhǔn)測量。光學(xué)系統(tǒng)中，激光光源是核心，包括氣體、固體激光器和激光二極管等。光學(xué)聚焦與準(zhǔn)直組件通過透鏡和反射鏡聚焦、準(zhǔn)直光束，提升光與樣品作用效率。散射光收集與分光元件收集特定角度散射光，并按波長分離，助力多組分體系分析。樣品池與溫控裝置方面，樣品池材質(zhì)有玻璃、石英等，玻璃光學(xué)性能好，石英適用于特殊環(huán)境，其形狀和尺寸依實驗需求選擇。溫控裝置采用高精度恒溫器，將溫度波動控制在極小范圍，確保測量準(zhǔn)確。檢測器方面，常用的光電探測器一般有光電倍增管（PMT）和雪崩光電二極管（APD），分別適用于不同場景。
DLS 通過高速探測器捕捉散射光強的時間波動，生成光強自相關(guān)函數(shù)g2(τ)。根據(jù) Siegert 關(guān)系，光強自相關(guān)函數(shù)與電場自相關(guān)函數(shù)g1(τ)相關(guān)聯(lián)。而電場自相關(guān)函數(shù)又與顆粒的擴散系數(shù)D直接相關(guān)，通過測量g1(τ)的衰減速率，可以得到擴散系數(shù)D。最后，結(jié)合Stokes-Einstein方程，就可以反演得到顆粒的流體力學(xué)直徑。
在 DLS 測量中，有兩個核心參數(shù)：
1. Zeta 平均粒徑（Z-average）：它是光強加權(quán)平均粒徑，是 DLS 技術(shù)中得到的最重要、最穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，適用于單分散體系的快速分析，能夠快速給出一個具有代表性的粒徑值 。例如，在單分散的聚苯乙烯納米球樣品的測量中，Zeta 平均粒徑能準(zhǔn)確反映納米球的真實粒徑。
2.多分散指數(shù)（PDI）：用于表征顆粒尺寸的均勻性。當(dāng) PDI＜0.05 時，體系接近理想的單分散狀態(tài)；當(dāng) PDI＞0.7 時，體系的尺寸分布非常寬，此時 DLS 對多峰分布的解析能力會顯著下降，測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性會受到較大影響。
2.2 技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用場景
1. 高通量過程控制：
DLS 能夠在數(shù)分鐘內(nèi)完成中高濃度樣品的檢測，這一特性使其在工業(yè)生產(chǎn)的過程控制中發(fā)揮著重要作用。例如，在鋰電池正極材料的合成過程中，實時監(jiān)控 NMC 三元顆粒的粒徑和 PDI，對于優(yōu)化材料性能至關(guān)重要。通過 DLS 的快速檢測，可以及時調(diào)整合成工藝參數(shù)，確保顆粒的尺寸均勻性，提高電池的充放電性能和循環(huán)穩(wěn)定性。在化妝品乳液的生產(chǎn)中，DLS 可用于篩查乳液的均勻性，避免因納米 TiO?團聚導(dǎo)致的 “搓泥” 現(xiàn)象，保證產(chǎn)品質(zhì)量。
2. 生物大分子穩(wěn)定性評估：
在生物制藥領(lǐng)域，DLS 可通過監(jiān)測抗體藥物（如阿達木單抗）儲存過程中 PDI 的變化，評估藥物的穩(wěn)定性。當(dāng) PDI＞0.3 時，可預(yù)警抗體藥物的聚集風(fēng)險，此時結(jié)合 Zeta 電位測量，調(diào)節(jié)緩沖液配方，能夠有效防止藥物聚集，確保制劑的穩(wěn)定性和有效性 。
DLS 技術(shù)雖然應(yīng)用廣泛，但也存在一定的局限性。在高濃度樣品測量中，由于顆粒濃度較高，散射光在光路中被其他粒子再次散射后進入檢測器的幾率大大增加，易受多重散射干擾，導(dǎo)致粒徑高估。 此外，DLS 技術(shù)假設(shè)顆粒為球形，對于非球形顆粒（如棒狀納米晶），其測量結(jié)果可能存在較大偏差。對于復(fù)雜的多峰體系，DLS 的解析能力有限，此時往往需要借助多角度動態(tài)光散射（MADLS）技術(shù)進行校正和分析，但這也增加了測量的復(fù)雜性和成本。
納米顆粒跟蹤分析（NTA）技術(shù)是一種用于表征納米顆粒的先進技術(shù)，它利用光散射和布朗運動的特性，對懸浮液中的納米顆粒進行全方位表征 。NTA 技術(shù)的基本原理是基于納米顆粒在液體中的布朗運動。當(dāng)一束激光照射到含有納米顆粒的溶液時，納米顆粒會散射光線，形成散射光斑 。通過光學(xué)顯微鏡和高速攝像機，可以實時觀察和跟蹤這些散射光斑的運動軌跡，從而獲得每個納米顆粒的布朗運動信息。
典型的NTA儀器主要由激光光源、顯微鏡、樣品池、相機及數(shù)據(jù)分析軟件組成（圖2）。激光光源提供穩(wěn)定且聚焦良好的光束；顯微鏡用于觀察顆粒散射光，其光學(xué)性能影響顆粒可視化效果；樣品池容積約250µl、深度500µm，帶有Luer接口，方便通過注射器進樣，且能確保樣品在分析前20秒達到熱平衡；相機（CCD或CMOS相機）捕捉顆粒散射光圖像，其靈敏度與幀率對數(shù)據(jù)采集質(zhì)量關(guān)鍵；數(shù)據(jù)分析軟件則負(fù)責(zé)處理視頻數(shù)據(jù)，實現(xiàn)顆粒追蹤、參數(shù)計算與結(jié)果呈現(xiàn)。
NTA 技術(shù)的核心優(yōu)勢在于其能夠?qū)崿F(xiàn)單顆粒分辨率，直接觀察和分析單個納米顆粒的行為 。與 DLS 技術(shù)不同，NTA 技術(shù)不需要對大量顆粒進行統(tǒng)計平均，因此能夠避免光強加權(quán)導(dǎo)致的小顆粒信號掩蓋問題，更準(zhǔn)確地反映納米顆粒的真實粒徑分布 。此外，NTA 技術(shù)還可以直接測量顆粒的濃度，無需依賴光強模型，這使得它在測量低濃度樣品時具有更高的準(zhǔn)確性 。
在 NTA 技術(shù)中，顆粒的粒徑是通過二維 Stokes-Einstein 方程計算得到的。該方程考慮了顆粒在二維平面上的運動，能夠更準(zhǔn)確地描述納米顆粒的布朗運動 。通過對顆粒運動軌跡的分析，可以得到顆粒的擴散系數(shù)，進而根據(jù) Stokes-Einstein 方程計算出顆粒的粒徑 。NTA 技術(shù)的濃度測量則是通過對顆粒計數(shù)實現(xiàn)的，它能夠直接給出單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)量，從而得到顆粒的濃度 。
3.2 技術(shù)應(yīng)用與典型案例
1. 外泌體亞型鑒定：外泌體是一種由細(xì)胞分泌的納米級囊泡，具有重要的生物學(xué)功能。不同細(xì)胞來源的外泌體在粒徑、表面標(biāo)志物等方面存在差異，因此準(zhǔn)確鑒定外泌體的亞型對于疾病診斷和治療具有重要意義 。在前列腺癌外泌體分析中，NTA 技術(shù)能夠檢測到主峰 134 nm 的外泌體，這一結(jié)果較 DLS 技術(shù)通常偏大 50-100 nm 的結(jié)果更貼近透射電鏡（TEM）的觀測值 。結(jié)合熒光標(biāo)記技術(shù)，如使用 CD9/CD81 等外泌體特異性標(biāo)志物進行熒光標(biāo)記，NTA 技術(shù)可以區(qū)分不同亞群的囊泡，為前列腺癌的診斷和治療提供更準(zhǔn)確的信息 。
2．病毒疫苗質(zhì)量控制：病毒疫苗的質(zhì)量控制對于疫苗的安全性和有效性至關(guān)重要。在 HPV 疫苗生產(chǎn)中，NTA 技術(shù)可以用于監(jiān)測病毒樣顆粒（VLP）的粒徑和濃度，確保 VLP 的粒徑在 55-65 nm 范圍內(nèi)的占比＞90% 。這一嚴(yán)格的粒徑控制能夠保障疫苗的免疫原性一致性，避免因粒徑偏離導(dǎo)致的抗體產(chǎn)生效率下降，從而提高疫苗的質(zhì)量和效果 。
NTA 技術(shù)雖然具有許多優(yōu)勢，但也存在一些技術(shù)瓶頸。首先，對于低散射顆粒，如蛋白質(zhì)等，NTA 技術(shù)的檢測靈敏度較低，通常需要依賴熒光標(biāo)記來增強信號 。其次，NTA 技術(shù)的測量結(jié)果對實驗條件較為敏感，相機曝光度、泵流速等參數(shù)的變化都可能影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性 。因此，在使用 NTA 技術(shù)時，需要嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)化實驗條件，以減少人為操作誤差，確保測量結(jié)果的可靠性 。
為了更清晰地展示動態(tài)光散射（DLS）和納米顆粒跟蹤分析（NTA）技術(shù)的差異，我們從測量原理、粒徑測量范圍、濃度適用范圍、粒徑分布解析能力、可視化能力和濃度測量方式這六個維度進行詳細(xì)對比。
| 對比項目 | 納米顆粒跟蹤分析（NTA） | 動態(tài)光散射（DLS） |
| 粒徑檢測范圍 | 10-1000nm（高靈敏度相機可至5 nm） | 1 nm - 數(shù)微米（依賴散射強度） |
| 濃度適用區(qū)間 | 窄濃度范圍（106-10? particles/mL，顆粒不重疊） | 中高濃度，最高可達重量百分比40%（透光率 60%-90%，避免多重散射） |
| 粒徑分布解析能力 | 多峰精準(zhǔn)識別（可區(qū)分 1:1 混合粒徑體系） | 單峰優(yōu)先（PDI≤0.7 時精度可靠） |
| 可視化能力 | 有（實時觀測顆粒運動視頻及軌跡） | 無（純信號分析） |
| 濃度測量方式 | 直接計數(shù)（顆粒數(shù)統(tǒng)計，誤差＜5%） | 間接估算（基于光強模型反演） |
| 顆粒形狀敏感性 | 依賴二維軌跡擬合，形態(tài)影響相對較小 | 受擴散取向影響，需多角度校正 |
動態(tài)光散射與納米顆粒跟蹤分析技術(shù)，雖同源于布朗運動的微觀啟示，卻因測量邏輯的分野形成互補格局：前者以效率見長，主導(dǎo)規(guī)?；治觯缓笳咭跃珳?zhǔn)為優(yōu)，破解復(fù)雜體系難題。在納米科技向單顆粒層面深入的當(dāng)下，二者的協(xié)同創(chuàng)新正重塑材料科學(xué)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的表征范式，為納米顆粒的設(shè)計、制備與應(yīng)用提供更精細(xì)的科學(xué)依據(jù)。
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