激光納米散射儀(馬爾文)

ZetasizerNano系列光散射儀110820042

沈勇

110820039

葉學軍目錄一、簡介二、三大測量技術原理及作用.動態(tài)光散射技術〔DynamicLightScattering，DLS)靜態(tài)光散射技術〔StaticLightScattering,SLS〕激光多普勒電泳技術〔LaserDopplerElectrophoresis,LDE〕三、ZetasizerNano的應用及優(yōu)點.一、簡介馬爾文〔Malvern〕儀器是一家英國公司，專注于設計和制造精確的測量儀器，應用于: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性質二、三大測量技術原理及作用ZetasizerNano系列光散射儀的三種測量技術：動態(tài)光散射技術〔DLS〕：通過非侵入背散射〔NIBS〕測量粒徑及其分布.靜態(tài)光散射技術〔SLS〕：測量分子量以及第二維利系數(shù)A2.激光多普勒電泳技術〔LDE〕：通過激光多普勒測速〔LDV〕和相位分析光散射技術〔PALS〕相結合的技術測量Zeta電位.1.動態(tài)光散射技術〔DynamicLightScattering，DLS〕------測量粒徑及其分布1.什么是動態(tài)光散射？動態(tài)光散射(DLS)是指由于散射質點不停地做布朗運動而引起的多普勒效應導致了散射光波長以入射光波長為中心展開的現(xiàn)象，又稱為準彈性散射。布朗運動是由于與環(huán)繞粒子的分子隨機碰撞引起的粒子運動。動態(tài)光散射技術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。樣品中的分子不停地做布朗運動使得散射光產(chǎn)生多普勒頻移。非侵入背散射〔NIBS〕技術：測量背散射有幾個優(yōu)點：因為測量背側散射，入射光束沒有必要穿過整個樣品。因為光只需穿過樣品的較短路徑長度，因此可以測量較高濃度的樣品。降低了多重散射的效應；在多重散射中，來自一個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。大顆粒主要在前進方向散射。因此，通過測量背散射，可大大降低灰塵效應.2.Zetasizer

Nano如何測量粒徑?粒子的布朗運動導致光強的波動，動態(tài)光散射----測量光強的波動隨時間的變化；光子相關器〔Correlator〕將光強的波動轉化為相關方程；相關方程檢測光強波動的的速度，從而我們得到粒子的擴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檢測器④衰減器⑤相關器⑥計算機注：APD(AvalanchePhotoDiode)：雪崩光電二極管布朗運動的一個重要特點是：小粒子運動快速，大顆粒運動緩慢。由于粒子在不停地運動，散射光斑也將出現(xiàn)移動。由于粒子四處運動，散射光的相位疊加，將引起光亮區(qū)域和黑暗區(qū)域呈光強方式增加和減少或以另一種方式表達，光強也成波動形式。即：粒子的布朗運動導致光強的波動。

相關方程:對于單分散體系：對于多分散體系：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：得到粒子實際尺寸和分布這里是所有指數(shù)衰減的總和累計矩法：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動所致速度之間的關系。光強,體積和數(shù)量分布：米式理論，輸入顆粒的折光指數(shù)和吸收率設想一個由相等數(shù)量的5nm和50nm球型粒子組成的混合物3.結果分析〔1〕光強的重復性同一個樣品重復至少三次測試-光強誤差應該在百分之幾之內；在連續(xù)測試過程中光強增強意味著:粒子聚集；在連續(xù)測試過程中光強減弱意味著:粒子沉淀、粒子溶解；在連續(xù)測試過程中光強無規(guī)那么變化意味著:粒子不穩(wěn)定(聚集或別離)?！?〕z-均直徑重復性屢次z-均直徑的測試結果誤差應在1%-2%之內z-均直徑增長意味著:粒子聚集、溫度不穩(wěn)定(粘度隨時間變化)z-均直徑下降意味著:粒子沉淀、粒子溶解、溫度不穩(wěn)定(粘度隨時間變化)〔3〕尺寸分布的重復性對于尺寸分布結果應該檢查分布峰的位置和包含的面積的重復性如果分布沒有重復性，建議重新測量，并將測試時間延長2.靜態(tài)光散射〔StaticLightScattering,SLS〕------測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點作用時沒有能量改變的光散射(即沒有頻率位移產(chǎn)生)，又稱為經(jīng)典散射或彈性散射。測量過程：通過靜態(tài)光散射測量不同濃度的樣品，得到散射光隨時間的平均光強，然后應用瑞利方程，可以測量分子量〔MWt〕和第二維利系數(shù)〔A2〕。瑞利方程說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，說明了粒子與溶劑或適當分散劑介質之間的相互作用力。當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A2<0時，粒子更“喜歡〞它本身而非溶劑，因此可能會聚集。當A2=0時，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〔相當于理想溶液，溶液中溶質－溶質、溶劑－溶劑和溶質－溶劑分子的相互作用都相等，因此溶解過程沒有熱量變化；也沒有體積變化〕。3.激光多普勒電泳〔LaserDopplerElectrophoresis,LDE〕------測量Zeta電位Zeta電位(ZetaPotential)什么是Zeta電位?Zeta電位同時依賴于粒子外表和分散劑的化學性質對于靜電力穩(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為標準影響Zeta電位的因素？pH變化電導率(濃度，鹽的類型)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負電粒子。如何測量Zeta電位?最普遍的方法----電泳。通過顆粒的運動速度與：電場的強度、介質的介電常數(shù)和介質的粘度和Zeta電位有關，這樣Zeta電位電位就可以通過電泳淌度〔單位電場強度中的電泳速度〕，由亨利方程計算出Zeta電位了。如何測量Zeta電位?ZetasizerNano那么采用了最新的專利技M3-PALS技術測定Zeta電位。1.樣品的散射光和參考光源相干產(chǎn)生調制信號；2.頻率分析得出粒子電泳運動速度；3.Zeta電位由Henry方程換算而得。1.什么是M3-PALS技術？M3-PALS技術：將激光多普勒測速法(LDC)和相位分析光散射〔PALS〕結合，使得ZetasizerNano系列儀器能完全排除電滲，并可在樣品池中任一點進行測量、并取得真實遷移率。此外，也能夠分析極低遷移率的樣品，并計算其遷移率分布。激光多普勒測速法(LDC),一般就只有FFR，這樣測得的數(shù)據(jù)不夠準確，M3就是改進過后的LDC。M3=SFR+FFR。因此命名為“混合模式測量〞。SFR:慢速電場變換(Slowfieldreversal)FFR:快速電場變換(Fastfieldreversal)Zeta電位測量系統(tǒng)：①激光器②樣品池③檢測器④數(shù)字信號處理器⑤計算機⑥衰減器⑦光學補償裝置慢速電場變換〔SFR〕慢速電場變換〔SFR〕:這種變換運用于降低電極的氧化，氧化在導電溶液中是不可防止的。電場通常每1秒變反轉一次，允許流體穩(wěn)定流動?？焖匐妶鲎儞Q〔FFR〕快速電場變換〔FFR〕:快速變換電場使在粒子到達最終速度時，由于電滲導致的流體流動并不顯著。這說明，在這段時期內所測量的遷移率，僅由粒子的電泳所引起，而不受電滲所影響。這種技術計算的平均Zeta電位是非常準確的，因為樣品池的測量位置不是至關重要的。但是，由于粒子速度是在短的時間內測得的，如此降低了分布信息的價值。PALS技術用于測定M3測量中的粒子遷移率。激光多普勒測速法〔LaserDopplerVelocimetry〕：在馬爾文ZetasizerNano系列儀器中，采用了激光多普勒測速法(LDV)測量電泳遷移率。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。粒子朝著相反電荷的電極運動，測量其速度并以單位場強表示，即其遷移率。在17°角度的散射光與參考光結合，產(chǎn)生光強的波動信息，其中波動速度與粒子的速度成正比。數(shù)字信號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行電泳運動的樣品上，由于顆粒的電泳運動，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：光強的波動是怎樣被引發(fā)的?拍頻被聚焦到檢測器處

檢測器檢測的是光強隨時間的波動，進而得到拍頻，進而得到帶電粒子速度信息。

通過頻率分析得出粒子電泳運動速度后，再應用Henry方程，我們可以得到粒子的Zeta電位。亨利〔Henry〕方程：有兩個值通常用于f〔Ka〕測定的近似，即1.5或1.0。在水性介質和中等電解質濃度下進行Zeta電位的電泳測定法。在這種情況下f〔Ka〕=1.5，即Smoluchowski近似。對較低介電常數(shù)介質中的小粒子，f〔Ka〕=1.0，允許同樣的簡單計算。這通常指Huckel近似。非水相測量通常使用Huckel近似。疫苗顆粒的Zeta電位不同疫苗配方的長期穩(wěn)定性可通過Zeta電位來預測Zeta電位的應用：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治療的目的帶菌載體是傳輸工具：通常是病毒或脂質體----用來攜帶基因材料到達體內的目標細胞現(xiàn)時正在研究用陽離子與陰離子脂質體作為基因治療的帶菌載體陽離子脂質體與變形體式的DNA形成復合體最正確轉染與脂質體與DNA的比有關Zeta電位測量可被用于尋找特定脂質體與不同DNA變形體的最正確比例基因治療中的陽離子脂質體變形體基因治療中的陽離子脂質體基因治療中的陽離子脂質體經(jīng)吸附的脂質體：位阻穩(wěn)定Zeta電位小結：Zeta電位的大小可以用來預測體系的穩(wěn)定性；如果電荷穩(wěn)定是膠體體系穩(wěn)定的主要機理，一般來說，Zeta電位愈大，體系愈穩(wěn)定；假設穩(wěn)定性的是由于位阻效應，那么Zeta電位愈小，體系愈穩(wěn)定。三、ZetasizerNano的應用：Zetasizer

Nano的功能：選擇馬爾文儀器的理由：粒度----NIBS技術可以對粒徑范圍0.3納米至10微米的顆粒和分子進行測量.

分子量----雪崩光電二極管〔APD〕檢測器和光纖檢測光學裝置提供測量絕對分子量所需的靈敏度和穩(wěn)定性.Zeta電位----M3-PALS技術能夠對水分散和非水分散體系中的Zeta電位進行精確的測量.Thankyou!1.什么是動態(tài)光散射，簡述動態(tài)光散射技術測定粒徑的原理？①動態(tài)光散射是指入射光波長和散射光波長接近的散射,也稱準彈性散射。②動態(tài)光散射技術測定粒徑的原理是由于樣品中的粒子在不停地做布朗運動使散射光產(chǎn)生多普勒頻移,根據(jù)多普勒頻移即散射光的變化就測得溶液中分子的擴散系數(shù)D，再由D=KT/6πηr可求出分子的流體動力學半徑r，(式中K為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，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，簡述多普勒電泳光散射zeta電位儀的測量系統(tǒng)組成及其根本工作原理