靜態(tài)光散射、動態(tài)光散射、電泳光散射原理和實用性

第一：1、什么是光散射現(xiàn)象

什么是光散射現(xiàn)象光線通過不均一環(huán)境時，發(fā)生的部分光線改變了傳播方向的現(xiàn)象被稱作光散射，這部分改變了傳播方向的光稱作散射光。宏觀上，從陽光被大氣中空氣分子和液滴散射而來的藍(lán)天和紅霞到被水分子散射的蔚藍(lán)色海洋，光散射現(xiàn)象本質(zhì)都是光與物質(zhì)的相互作用。

2、顆粒與光的相互作用

微觀上，當(dāng)一束光照在顆粒上，除部分光發(fā)生了散射，還有部分發(fā)生了反射、折射和吸收，對于少數(shù)特別的物質(zhì)還可能產(chǎn)生熒光、磷光等。當(dāng)入射光為具有相干性的單色光時，這些散射光相干后形成了特定的衍射圖樣，米氏散射理論是對此現(xiàn)象的科學(xué)表述。如果顆粒是球形，在入射光垂直的平面上觀察到稱為艾里斑的衍射圖樣。

第二：激光粒度儀原理

光散射的空間分布探測分析

當(dāng)我們觀察不同尺寸的顆粒形成的艾里斑時，會發(fā)現(xiàn)顆粒的尺寸大小與中間的明亮區(qū)域大小一般成反相關(guān)。現(xiàn)代的激光粒度儀設(shè)計中，通過在垂直入射光的平面距中心點不同角度處依次放置光電檢測器進行粒子在空間中的光能分布進行探測，將采集到的光能通過相關(guān)米氏散射理論反演計算，就可以得出待分析顆粒的尺寸了。這種以空間角度光能分布的測量分析樣品顆粒分散粒徑的儀器即是靜態(tài)光散射激光粒度儀，由于測試范圍寬、測試簡便、數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好等優(yōu)點，該方法儀器使用zui廣泛，通常被簡稱為激光粒度儀。根據(jù)激光波長（可見光激光波長在幾百納米）和顆粒尺寸的關(guān)系有以下幾種情況：

1當(dāng)顆粒尺寸遠(yuǎn)大于激光波長時，艾里斑中心尺寸與顆粒尺寸的關(guān)系符合米氏散射理論在此種情況下的近似解，即夫瑯和費衍射理論，老式激光粒度儀亦可以通過夫瑯和費衍射理論快速準(zhǔn)確地計算粒徑分布。

2光電探測器是激光粒度儀的關(guān)鍵器件，在激光粒度儀的制造成本中占據(jù)著較高的比例。光電探測器的性能直接影響儀器的測試性能。我們也通過一些實際樣品的測試，考察不同成本探測器對測試性能的影響。在儀器光路、反演算法、探測器幾何設(shè)計和布局相同的情況下，分別使用低成本(國產(chǎn)供應(yīng)商)和高成本(進口供應(yīng)商)的探測器，對比測試了乳膠微球，混合樣品，實際工業(yè)樣品等，考察測試結(jié)果的差異。

總的來說，激光粒度儀一般zui適于亞微米至毫米級顆粒的分析。

第三：納米粒度儀原理光散射的時域漲落探測（動態(tài)光散射）分析

對于小于激光波長的懸浮體系納米顆粒的測量，一般通過對一定區(qū)域中測量納米顆粒的不定向地布朗運動速率來表征，動態(tài)光散射技術(shù)被用于此時的布朗運動速率評價，即通過散射光能漲落快慢的測量來計算。顆粒越小，顆粒在介質(zhì)中的布朗運動速率越快，儀器監(jiān)測的小區(qū)域中顆粒散射光光強的漲落變化也越快。然而，當(dāng)顆粒大至微米極后，顆粒的布朗運動速率顯著降低，同時重力導(dǎo)致的顆粒沉降和容器中介質(zhì)的紊流導(dǎo)致的顆粒對流運動等均變得無法忽視，限制了該粒徑測試方法的上限。基于以上原因，動態(tài)光散射的納米粒度儀適宜測試零點幾個納米至幾個微米的顆粒。

第三：Zeta電位儀原理電泳中顆粒光散射的相位探測分析

納米顆粒大多有較活潑的電化學(xué)特性，納米顆粒在介質(zhì)中滑動平面所帶的電位被稱為Zeta電位。當(dāng)在樣品上加載電場后，帶電顆粒被驅(qū)動做定向地電泳運動，運動速度與其Zeta電位的高低和正負(fù)有關(guān)。與測量布朗運動類似，納米粒度儀可以測量電場中帶電顆粒的電泳運動速度表征顆粒的帶電特性。通常Zeta電位的絕對值越高，體系內(nèi)顆粒互相排斥，更傾向與穩(wěn)定的分散。由于大顆粒帶電更多，電泳光散射方法適合測量2nm-120um范圍內(nèi)的顆粒Zeta電位。

Nano9200SZ 納米粒度及電位分析儀在一個緊湊型裝置儀器中集成了三種技術(shù)進行液相環(huán)境顆粒表征，包括：利用動態(tài)光散射測量納米粒徑，利用電泳光散射測量Zeta電位，利用靜態(tài)光散射測量分子量。同時增加了溫度趨勢、時間趨勢以及粘度的測試功能

第四：如何根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的儀器

為了區(qū)分兩種光散射粒度儀，激光粒度儀有時候又被稱作靜態(tài)光散射粒度儀，而納米粒度儀有時候也被稱作動態(tài)光散射粒度儀。

需要說明的是，由于這兩類粒度儀測量的是顆粒的散射光，而非對顆粒成像。如果多個顆粒互相沾粘在一起通過檢測區(qū)間時，會被當(dāng)作一個更大的顆粒看待。因此這兩種光散射粒度儀分析結(jié)果都反映的是顆粒的分散粒徑，即當(dāng)顆粒不wanquan分散于水、有機介質(zhì)或空氣中而形成團聚、粘連、絮凝體時，它們測量的結(jié)果是不wanquan分散的聚集顆粒的粒徑。綜上所述，在選購粒度分析儀時，基于測量的原理宜根據(jù)以下要點進行取舍：1樣品的整體顆粒尺寸。根據(jù)具體質(zhì)量分析需要選擇對所測量尺寸變化更靈敏的技術(shù)。通常情況下，激光粒度儀適宜亞微米到幾個毫米范圍內(nèi)的粒徑分析；納米粒度儀適宜全納米亞微米尺寸的粒徑分析，這兩種技術(shù)測試能力在亞微米附近有所重疊。


1、樣品的顆粒離散程度。

一般情況下兩種儀器對于單分散和窄分布的顆粒粒徑測試都是可以輕易滿足的。對于顆粒分布較寬，即離散度高/顆粒中大小尺寸粒子差異較大的樣品，可以根據(jù)質(zhì)量評價的需求選擇合適的儀器。例如要對納米鈣的分散性能進行評價，關(guān)注其微米級團聚顆粒的含量與納米顆粒的含量比例，有些工藝不良的情況下團聚的顆粒可能達(dá)到十微米的量級，激光粒度儀對這部分尺寸和含量的評價真實性更高一些。如果需要對納米鈣的沉淀工藝進行優(yōu)化，則需要關(guān)注的是未團聚前的一般為幾十納米的原生顆粒，可以通過將團聚大顆粒過濾或離心沉淀后，用納米粒度儀測試，結(jié)果可能具有更好的指導(dǎo)性，當(dāng)然條件允許的情況下也可以選用沉淀漿料直接測量分析。有些時候樣品中有少量幾微米的大顆粒，如果只是定性判斷，納米粒度儀對這部分顆粒產(chǎn)生的光能更敏感，如果需要定量分析，則激光粒度儀的真實性更高。對于跨越納米和微米的樣品，我們經(jīng)常需要合適的進行樣品前處理，根據(jù)質(zhì)量目標(biāo)選用zuijia質(zhì)控性能的儀器之一。


2、測試樣品的狀態(tài) 。 

激光粒度儀適合粉末、乳液、漿料、霧滴、氣溶膠等多種顆粒的測試，納米粒度儀適宜膠體、乳液、蛋白/核酸/聚合物大分子等液相樣品的測試。通常激光粒度儀在樣品濃度較低的狀態(tài)下測試，對于顆粒物含量較高的樣品及粉末，需要在測試介質(zhì)中稀釋并分散后測試。對于在低濃度下容易團聚或凝集的樣品，通常使用內(nèi)置或外置超聲輔助將顆粒分散，分散劑和穩(wěn)定劑的使用往往能幫助我們更好的分離松散團聚的顆粒并避免顆粒再次團聚。納米粒度儀允許的樣品濃度范圍相對比較廣，多數(shù)樣品皆可在原生狀態(tài)下測試。對于稀釋可能產(chǎn)生不穩(wěn)定的樣品，如果測試尺寸在兩者都許可的范圍內(nèi)，優(yōu)先推薦使用納米粒度儀，通常他的測試許可濃度范圍更廣得多。


3、制劑穩(wěn)定性相關(guān)的表征。

顆粒制劑的穩(wěn)定性與顆粒的尺寸、表面電位、空間位阻、介質(zhì)體系等有關(guān)。一般來說，顆粒分散粒徑越細(xì)越不容易沉降，因此顆粒間的相互作用和團聚特性是對制劑穩(wěn)定性考察的重要一環(huán)。當(dāng)顆粒體系不穩(wěn)定時，則需要選用顆粒聚集/分散狀態(tài)粒徑測量相適宜的儀器。


4、顆粒的綜合表征。

顆粒的理化性質(zhì)與多種因素有關(guān)，任何表征方法都是對顆粒的某一方面的特性進行的測試分析。要準(zhǔn)確且更系統(tǒng)地把控顆粒產(chǎn)品的應(yīng)用質(zhì)量，可以將多種分析方法的結(jié)果進行綜合分析，也可以輔助解答某一方法在測試中出現(xiàn)的一些不確定疑問。例如結(jié)合圖像儀了解激光粒度儀測試時樣品分散是否充分，結(jié)合粒徑、電位、第二維利系數(shù)等的分析綜合判斷蛋白制劑不穩(wěn)定的可能原因等。