动态光散射（DLS）与纳米颗粒跟踪分析（NTA）技术对比简析

一、布朗运动

1827 年，英国植物学家罗伯特・布朗（Robert Brown）在显微镜下观察浸入水中的植物花粉时，发现花粉微粒呈现出不规则的运动状态，这一现象被命名为 “布朗运动” 。布朗运动的本质是悬浮在液体或气体中的微粒受到周围分子的随机撞击，由于这些撞击的方向和力度不同，导致微粒呈现出无规则的运动轨迹。

颗粒的布朗运动特性与粒径密切相关，遵循 Stokes-Einstein 方程：

其中D为扩散系数，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，η为介质黏度，r为颗粒半径。从该方程可以看出，在相同的温度和介质条件下，颗粒半径r越小，扩散系数D越大，即颗粒的布朗运动越剧烈。

动态光散射（DLS）技术正是基于这一原理，通过测量颗粒布朗运动引起的散射光强的波动，来获取颗粒的扩散系数，进而根据 Stokes-Einstein 方程计算出颗粒的粒径。DLS 技术测量的是大量颗粒的统计平均结果，反映的是颗粒群体的特性 。

而纳米颗粒跟踪分析（NTA）技术则另辟蹊径，它直接对单个纳米颗粒的布朗运动轨迹进行实时追踪。通过显微镜和高速摄像机，记录下每个颗粒在一段时间内的位置变化，根据颗粒的运动速度和位移信息，利用二维 Stokes-Einstein 方程计算出单个颗粒的粒径。NTA 技术能够提供每个颗粒的粒径信息，以及粒径分布的详细情况，实现了对纳米颗粒的单颗粒水平的分析。

布朗运动作为纳米颗粒的固有属性，为 DLS 和 NTA 技术提供了坚实的物理基础，使得科学家们能够从不同角度深入研究纳米颗粒的特性。

二、动态光散射技术（DLS）：基于光强波动的群体统计分析

2.1 技术原理与核心参数

动态光散射（DLS），也称作光子相关光谱或准弹性光散射，是一种物理表征手段，用来测量溶液或悬浮液中的粒径分布，也可以用来测量如高分子浓溶液等复杂流体的行为。其基本原理是基于颗粒的布朗运动。当一束激光照射到含有纳米颗粒的溶液时，颗粒会散射光线 。由于颗粒在溶液中做无规则的布朗运动，散射光的强度会随时间发生波动。

动态光散射仪器由光学系统、样品池与温控装置、信号检测与处理系统构成，实现纳米颗粒粒径及相关参数精准测量。光学系统中，激光光源是核心，包括气体、固体激光器和激光二极管等。光学聚焦与准直组件通过透镜和反射镜聚焦、准直光束，提升光与样品作用效率。散射光收集与分光元件收集特定角度散射光，并按波长分离，助力多组分体系分析。样品池与温控装置方面，样品池材质有玻璃、石英等，玻璃光学性能好，石英适用于特殊环境，其形状和尺寸依实验需求选择。温控装置采用高精度恒温器，将温度波动控制在极小范围，确保测量准确。检测器方面，常用的光电探测器一般有光电倍增管（PMT）和雪崩光电二极管（APD），分别适用于不同场景。

DLS 通过高速探测器捕捉散射光强的时间波动，生成光强自相关函数g2(τ)。根据 Siegert 关系，光强自相关函数与电场自相关函数g1(τ)相关联。而电场自相关函数又与颗粒的扩散系数D直接相关，通过测量g1(τ)的衰减速率，可以得到扩散系数D。最后，结合Stokes-Einstein方程，就可以反演得到颗粒的流体力学直径。

在 DLS 测量中，有两个核心参数：

1. Zeta 平均粒径（Z-average）：它是光强加权平均粒径，是 DLS 技术中得到的最重要、最稳定的数据，适用于单分散体系的快速分析，能够快速给出一个具有代表性的粒径值 。例如，在单分散的聚苯乙烯纳米球样品的测量中，Zeta 平均粒径能准确反映纳米球的真实粒径。

2.多分散指数（PDI）：用于表征颗粒尺寸的均匀性。当 PDI＜0.05 时，体系接近理想的单分散状态；当 PDI＞0.7 时，体系的尺寸分布非常宽，此时 DLS 对多峰分布的解析能力会显著下降，测量结果的准确性和可靠性会受到较大影响。

2.2 技术优势与应用场景

1. 高通量过程控制：

DLS 能够在数分钟内完成中高浓度样品的检测，这一特性使其在工业生产的过程控制中发挥着重要作用。例如，在锂电池正极材料的合成过程中，实时监控 NMC 三元颗粒的粒径和 PDI，对于优化材料性能至关重要。通过 DLS 的快速检测，可以及时调整合成工艺参数，确保颗粒的尺寸均匀性，提高电池的充放电性能和循环稳定性。在化妆品乳液的生产中，DLS 可用于筛查乳液的均匀性，避免因纳米 TiO₂团聚导致的 “搓泥” 现象，保证产品质量。

2. 生物大分子稳定性评估：

在生物制药领域，DLS 可通过监测抗体药物（如阿达木单抗）储存过程中 PDI 的变化，评估药物的稳定性。当 PDI＞0.3 时，可预警抗体药物的聚集风险，此时结合 Zeta 电位测量，调节缓冲液配方，能够有效防止药物聚集，确保制剂的稳定性和有效性 。

2.3 技术局限性

DLS 技术虽然应用广泛，但也存在一定的局限性。在高浓度样品测量中，由于颗粒浓度较高，散射光在光路中被其他粒子再次散射后进入检测器的几率大大增加，易受多重散射干扰，导致粒径高估。 此外，DLS 技术假设颗粒为球形，对于非球形颗粒（如棒状纳米晶），其测量结果可能存在较大偏差。对于复杂的多峰体系，DLS 的解析能力有限，此时往往需要借助多角度动态光散射（MADLS）技术进行校正和分析，但这也增加了测量的复杂性和成本。

三、纳米颗粒跟踪分析技术（NTA）：单颗粒轨迹的精准捕捉

3.1 技术原理与核心优势

纳米颗粒跟踪分析（NTA）技术是一种用于表征纳米颗粒的先进技术，它利用光散射和布朗运动的特性，对悬浮液中的纳米颗粒进行全方位表征 。NTA 技术的基本原理是基于纳米颗粒在液体中的布朗运动。当一束激光照射到含有纳米颗粒的溶液时，纳米颗粒会散射光线，形成散射光斑 。通过光学显微镜和高速摄像机，可以实时观察和跟踪这些散射光斑的运动轨迹，从而获得每个纳米颗粒的布朗运动信息。

典型的NTA仪器主要由激光光源、显微镜、样品池、相机及数据分析软件组成（图2）。激光光源提供稳定且聚焦良好的光束；显微镜用于观察颗粒散射光，其光学性能影响颗粒可视化效果；样品池容积约250µl、深度500µm，带有Luer接口，方便通过注射器进样，且能确保样品在分析前20秒达到热平衡；相机（CCD或CMOS相机）捕捉颗粒散射光图像，其灵敏度与帧率对数据采集质量关键；数据分析软件则负责处理视频数据，实现颗粒追踪、参数计算与结果呈现。

NTA 技术的核心优势在于其能够实现单颗粒分辨率，直接观察和分析单个纳米颗粒的行为 。与 DLS 技术不同，NTA 技术不需要对大量颗粒进行统计平均，因此能够避免光强加权导致的小颗粒信号掩盖问题，更准确地反映纳米颗粒的真实粒径分布 。此外，NTA 技术还可以直接测量颗粒的浓度，无需依赖光强模型，这使得它在测量低浓度样品时具有更高的准确性 。

在 NTA 技术中，颗粒的粒径是通过二维 Stokes-Einstein 方程计算得到的。该方程考虑了颗粒在二维平面上的运动，能够更准确地描述纳米颗粒的布朗运动 。通过对颗粒运动轨迹的分析，可以得到颗粒的扩散系数，进而根据 Stokes-Einstein 方程计算出颗粒的粒径 。NTA 技术的浓度测量则是通过对颗粒计数实现的，它能够直接给出单位体积内的颗粒数量，从而得到颗粒的浓度 。

3.2 技术应用与典型案例

1. 外泌体亚型鉴定：外泌体是一种由细胞分泌的纳米级囊泡，具有重要的生物学功能。不同细胞来源的外泌体在粒径、表面标志物等方面存在差异，因此准确鉴定外泌体的亚型对于疾病诊断和治疗具有重要意义 。在前列腺癌外泌体分析中，NTA 技术能够检测到主峰 134 nm 的外泌体，这一结果较 DLS 技术通常偏大 50-100 nm 的结果更贴近透射电镜（TEM）的观测值 。结合荧光标记技术，如使用 CD9/CD81 等外泌体特异性标志物进行荧光标记，NTA 技术可以区分不同亚群的囊泡，为前列腺癌的诊断和治疗提供更准确的信息 。

2．病毒疫苗质量控制：病毒疫苗的质量控制对于疫苗的安全性和有效性至关重要。在 HPV 疫苗生产中，NTA 技术可以用于监测病毒样颗粒（VLP）的粒径和浓度，确保 VLP 的粒径在 55-65 nm 范围内的占比＞90% 。这一严格的粒径控制能够保障疫苗的免疫原性一致性，避免因粒径偏离导致的抗体产生效率下降，从而提高疫苗的质量和效果 。

3.3 技术瓶颈

NTA 技术虽然具有许多优势，但也存在一些技术瓶颈。首先，对于低散射颗粒，如蛋白质等，NTA 技术的检测灵敏度较低，通常需要依赖荧光标记来增强信号 。其次，NTA 技术的测量结果对实验条件较为敏感，相机曝光度、泵流速等参数的变化都可能影响测量结果的准确性 。因此，在使用 NTA 技术时，需要严格标准化实验条件，以减少人为操作误差，确保测量结果的可靠性 。

四、技术对比：从原理到应用的多维度解析

为了更清晰地展示动态光散射（DLS）和纳米颗粒跟踪分析（NTA）技术的差异，我们从测量原理、粒径测量范围、浓度适用范围、粒径分布解析能力、可视化能力和浓度测量方式这六个维度进行详细对比。

结语

动态光散射与纳米颗粒跟踪分析技术，虽同源于布朗运动的微观启示，却因测量逻辑的分野形成互补格局：前者以效率见长，主导规模化分析；后者以精准为优，破解复杂体系难题。在纳米科技向单颗粒层面深入的当下，二者的协同创新正重塑材料科学、生物医药等领域的表征范式，为纳米颗粒的设计、制备与应用提供更精细的科学依据。