纳米颗粒表征方法分析

一、颗粒表征

在1981年扫描隧道显微镜发明之前，人们只能进行微米量级以上的光学显微表征分析。但是大量的科学研究往往需要表征粒子在纳米层面的数据，研究者们也已经认识到纳米量级颗粒检测的重要性。在生物医学领域如病毒、脂质体、外泌体等，无机材料领域如石墨烯、纳米硅、纳米碳酸钙、纳米金属粒子等，大量在纳米量级的粒子都需要准确的粒度表征检测。纳米颗粒检测技术的应用发展应用对生物医学、材料生产等领域的进一步研究有着十分积极的的作用。

目前市场上主要有有两种原理类型的纳米颗粒检测设备，一种为基于光学原理，一种基于为电学原理。今天我们主要介绍光学原理制成的DLS（动态光散射）、NTA（纳米颗粒跟踪分析）等光学原理的颗粒粒度仪和基于RPS电学原理智造的Nanocoulter （电阻脉冲传感电感应区脉冲法）的电学原理开发的NanoCoulter（纳米库尔特粒度仪），以及它们之间的性能优缺点及数据比较。

二、原理介绍

DLS

即动态光散射法：是指通过测量样品散射光强度起伏的变化来得出样品颗粒大小信息的一种技术。如图1，之所以称为“动态”是因为样品中的分子不停地做布朗运动，正是这种运动引起散射光的变化。利用散射光随时间的波动性得到相关方程，进而得到样品中颗粒的平均运动速率（Dt），并最终得到平均流体力学直径。

DLS粒径检测具有快速简单的优点，具有一定统计学意义，但因为散射光强正比于粒径的6次方（Pscattering∝d6(n2-1)2/λ4 Iincident），所以大颗粒的散射比较强，从而对于宽分布样品其平均粒径结果偏向于大颗粒。因此，DLS适合分布不太宽的单分散体系的粒径检测，且动态光散射实验易受灰尘或杂质影响，故样品的过滤和离心十分重要。

　　NTA

　　即纳米粒子跟踪分析法：NTA的工作原理是通过将一束能量集中的激光穿过玻璃棱镜对悬浮颗粒的溶液进行照射，配以镀铬表面的玻璃使背景信号最小化，从而检测每个颗粒散射光的强度， 观察纳米颗粒在溶液中的布朗运动，并拍摄影像，通过对颗粒的布朗运动进行追踪和分析，根据Stokes-Einstein方程计算出纳米颗粒粒径，通过颗粒数量得到浓度。如图2；

NTA的主要优势是相对于DLS精度更高，有更好的统计学意义，但跟DLS一样，由于颗粒都会发生光散射，颗粒间的信号会有互相遮挡的情况，粒径仍然会偏向于大颗粒，加上由于有限的拍摄焦平面的限制颗粒三维空间的运动最终在仪器上呈现的其实是二维运动轨迹，所以最终结果还是会存在一定的偏差。

RPS

即电阻脉冲传感电阻法原理，也叫：即库尔特原理，如图3，是一种单颗粒检测技术，电解液中的颗粒通过纳米小孔时，在恒电流设计的电路中，导致电极间电阻发生瞬时变化，从而产生带来电流的瞬时变化，所产生的电脉冲幅度和粒径成正比，脉冲的数量与颗粒的数目成正比。

大部分传统的贝克曼库尔特粒度仪只能做到微米以上的粒度检测。，而随着科技的发展，芯片生产工艺的极大的提高，纳米库尔特应运而生，采用光刻硅基芯片的加工方式进行芯片制造，从而开发出成为新一代纳米尺度的颗粒检测方法。

纳米库尔特电阻法是根据单个颗粒的真实体积直接测量粒径，精度非常高，而且对样本浓度的要求比较低，可以测量其它检测技术无法检测的低浓度样品。为实现动态的粒径测量，电阻脉冲处理器具备时间标记功能，可以对每个颗粒过孔的时间点进行精准的记录，并且可以依据脉冲分析样品状态的变化，如絮凝、凝聚、沉降、溶解等。

该方法可以一次性检出颗粒的粒径、浓度、Zeta电位、形状多个信息，实现多维度、全方面的检测。

三、数据对比

1、       多分散标准混合样本

以80nm、120nm、160nm和200nm四种标准聚苯乙烯微球进行等比例等浓度混合，模拟多分散样本的状态，用四种方法进行测试，结果如下；

图4  四种不同的检测方法测试混合标准PS微球

对于混合样本的测试，只有RPS还原出了样本真实的分布情况，显示出有四个不同粒径的分布峰显示样本的状态，因为是等浓度等体积混合，所以RPS是符合样本实际分布的，而DLS和NTSA都只有一个分布峰，且DLS还缺失了80nm粒径的颗粒数据，相对来说偏差最大，由此可见，RPS的测试精度要远高于另外两种。

2、       实际样本测试对比

（1）将两种不同粒径分布的脂质体样本分别用DLS和NTA进行测试，可以明显看到两种方法对单分散和多分散样本的测试差异。

图5 DLS与RPS测试脂质体样本

对于多分散样本，两种方法的检测结果都较为准确和接近，但DLS测试多分散样本时会明显偏向大颗粒，导致其粒径检测值偏大。

（2）下图为一个分布较宽的外泌体样本，用两款不同型号的NTA设备同时和RPSRPS法分别进行测试，结果如下；

图6 DLS与NTA测试外泌体样本

从拍摄的冷冻电镜图可以看到，该外泌体粒径分布较广，不过大部分颗粒还是集中分布在60-90纳米nm，RPS的测试结果与该结论吻合。NTA的粒径相对偏大很多，对光学仪器来说，大颗粒间的遮挡还是会对最终的数据造成较大的影响，电学原理则没有这方面的顾虑。

3、性能对比

表1三种检测方法对比

4、总结

电阻法（RPS）在颗粒粒径表征检测方面有着单颗粒检测、精确度高、分辨率高等许多的优良特性突破性优势，并且还将随着相应科技的不断发展，进行迭代升级以适应更多的应用领域和样本类型，努力为纳米颗粒的科学研究和生产应用提供更多更全面的帮助。