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一、顆粒表征

在1981年掃描隧道顯微鏡發明之前，人們只能進行微米量級以上的光學顯微表征分析。但是大量的科學研究往往需要表征粒子在納米層面的數據，研究者們也已經認識到納米量級顆粒檢測的重要性。在生物醫學領域如病毒、脂質體、外泌體等，無機材料領域如石墨烯、納米硅、納米碳酸鈣、納米金屬粒子等，大量在納米量級的粒子都需要準確的粒度表征檢測。納米顆粒檢測技術的應用發展應用對生物醫學、材料生產等領域的進一步研究有著十分積極的的作用。

目前市場上主要有有兩種原理類型的納米顆粒檢測設備，一種為基于光學原理，一種基于為電學原理。今天我們主要介紹光學原理制成的DLS（動態光散射）、NTA（納米顆粒跟蹤分析）等光學原理的顆粒粒度儀和基于RPS電學原理智造的Nanocoulter （電阻脈沖傳感電感應區脈沖法）的電學原理開發的NanoCoulter（納米庫爾特粒度儀），以及它們之間的性能優缺點及數據比較。

二、原理介紹

DLS

即動態光散射法：是指通過測量樣品散射光強度起伏的變化來得出樣品顆粒大小信息的一種技術。如圖1，之所以稱為“動態"是因為樣品中的分子不停地做布朗運動，正是這種運動引起散射光的變化。利用散射光隨時間的波動性得到相關方程，進而得到樣品中顆粒的平均運動速率（Dt），并最終得到平均流體力學直徑。

DLS粒徑檢測具有快速簡單的優點，具有一定統計學意義，但因為散射光強正比于粒徑的6次方（Pscattering∝d6(n2-1)2/λ4 Iincident），所以大顆粒的散射比較強，從而對于寬分布樣品其平均粒徑結果偏向于大顆粒。因此，DLS適合分布不太寬的單分散體系的粒徑檢測，且動態光散射實驗易受灰塵或雜質影響，故樣品的過濾和離心十分重要。

　　NTA

　　即納米粒子跟蹤分析法：NTA的工作原理是通過將一束能量集中的激光穿過玻璃棱鏡對懸浮顆粒的溶液進行照射，配以鍍鉻表面的玻璃使背景信號最小化，從而檢測每個顆粒散射光的強度， 觀察納米顆粒在溶液中的布朗運動，并拍攝影像，通過對顆粒的布朗運動進行追蹤和分析，根據Stokes-Einstein方程計算出納米顆粒粒徑，通過顆粒數量得到濃度。如圖2；

NTA的主要優勢是相對于DLS精度更高，有更好的統計學意義，但跟DLS一樣，由于顆粒都會發生光散射，顆粒間的信號會有互相遮擋的情況，粒徑仍然會偏向于大顆粒，加上由于有限的拍攝焦平面的限制顆粒三維空間的運動最終在儀器上呈現的其實是二維運動軌跡，所以最終結果還是會存在一定的偏差。

RPS

即電阻脈沖傳感電阻法原理，也叫：即庫爾特原理，如圖3，是一種單顆粒檢測技術，電解液中的顆粒通過納米小孔時，在恒電流設計的電路中，導致電極間電阻發生瞬時變化，從而產生帶來電流的瞬時變化，所產生的電脈沖幅度和粒徑成正比，脈沖的數量與顆粒的數目成正比。

大部分傳統的貝克曼庫爾特粒度儀只能做到微米以上的粒度檢測。，而隨著科技的發展，芯片生產工藝的極大的提高，納米庫爾特應運而生，采用光刻硅基芯片的加工方式進行芯片制造，從而開發出成為新一代納米尺度的顆粒檢測方法。

納米庫爾特電阻法是根據單個顆粒的真實體積直接測量粒徑，精度非常高，而且對樣本濃度的要求比較低，可以測量其它檢測技術無法檢測的低濃度樣品。為實現動態的粒徑測量，電阻脈沖處理器具備時間標記功能，可以對每個顆粒過孔的時間點進行精準的記錄，并且可以依據脈沖分析樣品狀態的變化，如絮凝、凝聚、沉降、溶解等。

該方法可以一次性檢出顆粒的粒徑、濃度、Zeta電位、形狀多個信息，實現多維度、全方面的檢測。

三、數據對比

1、       多分散標準混合樣本

以80nm、120nm、160nm和200nm四種標準聚苯乙烯微球進行等比例等濃度混合，模擬多分散樣本的狀態，用四種方法進行測試，結果如下；

圖4  四種不同的檢測方法測試混合標準PS微球

對于混合樣本的測試，只有RPS還原出了樣本真實的分布情況，顯示出有四個不同粒徑的分布峰顯示樣本的狀態，因為是等濃度等體積混合，所以RPS是符合樣本實際分布的，而DLS和NTSA都只有一個分布峰，且DLS還缺失了80nm粒徑的顆粒數據，相對來說偏差最大，由此可見，RPS的測試精度要遠高于另外兩種。

2、       實際樣本測試對比

（1）將兩種不同粒徑分布的脂質體樣本分別用DLS和NTA進行測試，可以明顯看到兩種方法對單分散和多分散樣本的測試差異。

圖5 DLS與RPS測試脂質體樣本

對于多分散樣本，兩種方法的檢測結果都較為準確和接近，但DLS測試多分散樣本時會明顯偏向大顆粒，導致其粒徑檢測值偏大。

（2）下圖為一個分布較寬的外泌體樣本，用兩款不同型號的NTA設備同時和RPSRPS法分別進行測試，結果如下；

圖6 DLS與NTA測試外泌體樣本

從拍攝的冷凍電鏡圖可以看到，該外泌體粒徑分布較廣，不過大部分顆粒還是集中分布在60-90納米nm，RPS的測試結果與該結論吻合。NTA的粒徑相對偏大很多，對光學儀器來說，大顆粒間的遮擋還是會對最終的數據造成較大的影響，電學原理則沒有這方面的顧慮。

3、性能對比

表1三種檢測方法對比

4、總結

電阻法（RPS）在顆粒粒徑表征檢測方面有著單顆粒檢測、精確度高、分辨率高等許多的優良特性突破性優勢，并且還將隨著相應科技的不斷發展，進行迭代升級以適應更多的應用領域和樣本類型，努力為納米顆粒的科學研究和生產應用提供更多更全面的幫助。