動態光散射——膠體金是藥物輸送的黃金標準嗎？

       經過多年的投入，納米技術已步入成熟。如今納米醫用材料正逐步出現在臨床與醫學實踐中。從商業角度來說，這一悉心培育的研究成果使生物醫學納米技術市場產值突破700億美元。而從實際應用來看，這意味著疾病靶向及治療的方法可能會發生變革。

    納米級的膠體金在多重治療與生物科技應用中具有很大潛力。以藥物輸送為例，通過控制膠體金獨特的化學、物理和電子特性，研究人員能夠開發出用于靶向藥物輸送的藥物-納米粒子復合物，提升藥物在病變組織、癌細胞等特定生物目標中的生物分配和藥代動力。因此，對創新細胞內輸送媒介以及控制配方過程中的納米粒子粒度而言，黃金納米粒子便成為了一個重要平臺，對于這項功能的定義至關重要。

    本文闡述了檢測顆粒大小在生物醫學納米技術中的重要性，并通過展示實驗數據來說明如何利用先進的動態光散射（DLS）技術測量納米級和亞納米級的膠體金。

 閃光之物：黃金療法簡史

    自古時起，人們便認為黃金具有治療特性。然而直到18世紀，含氰金鹽的抗菌性才被發現。時光飛逝，百余年后的今天，金鹽已被用于風濕性關節炎的常規治療和控制。但在這些傳統的治療手段以外，現代人對黃金的膠體形態又燃起了新的興趣。

    膠體金的許多特性使其非常適合于多種納米材料基質的臨床應用。它的化學和物理惰性確保其在活體內安全無毒，而精細的粒度則使它能夠在無損細胞的情況下穿過細胞膜。此外，懸浮在水介質中的黃金納米粒子會形成帶負電的離子，對蛋白質、抗體等生物大分子有很強的親合性，使它們在離子的周圍形成生物配體。目前，顯像探針、診斷劑、高級藥物輸送等各種生物醫學應用都在開發這些獨特的物理特性。在高級藥物輸送這一領域中，利用黃金納米粒子為口服胰島素、先進基因療法所需靶向抗癌藥及DNA復合物等一系列傳統和創新療法提供尖端輸送機制的研發活動也正在進行之中。

    和所有的微粒療法一樣，膠體金復合物的生物利用度和臨床療效等藥代動力學特性會在很大程度上受粒度影響。因此，控制膠體金的粒度是確保治療方法在活體內符合療效與安全標準的關鍵。顆粒表征是納米粒子研發及質量控制中非常重要的一方面，為此需在配方的中間及最終階段進行常規分析，以確保顆粒直徑均勻，且分散中不存在聚集體。這需要一項強有力的分析技術，將整個樣本內穩健可靠的顆粒表征與常規分析所要求的高效率相結合。作為一項滿足此類行業需求的高效技術，動態光散射（DLS）的優勢正在凸顯。

 引入動態光散射

    在納米粒子的開發中，有幾種常規使用的顆粒表征技術。采用電子顯微鏡的顆粒顯像技術已廣泛用于細致了解系統內各個顆粒的結構與形態（圖1）。然而，該技術存在的若干局限性限制了其在常規分析中的實際應用。

       電子顯微鏡僅僅能夠測量少數樣本分布，且測得的是基于數量的粒度平均值。而膠體金產品由成千上萬的顆粒組成，因此從統計角度來說，根據此類數據來推斷產品的整體均勻性或聚集體濃度可能并不是好方法。即使出現低量的聚集體，臨床療效也會受影響，而且這通常還表示加工或配方存在問題，因此質量控制不能僅依靠電子顯微鏡。此外，用電子顯微鏡分析通常耗時長、強度大，既費成本又費人力。因此需要一項集合技術來做補充，以體積或質量為基準，確定整個分散體中的粒度分布，從而識別出不合規格的聚集體。

    動態光散射（DLS）是一項非入侵式技術，通常用于分析分散粒子及膠態納米粒子。DLS技術檢測做無規則布朗運動的懸浮顆粒得到散射光強度隨時間產生的波動。分析這些光強波動后便可以得到擴散系數，然后用斯托克斯-愛因斯坦方程算出顆粒大小。

    近年來，DLS技術的一些進步已經提升了DLS測量在納米級范圍中的靈敏度和分辨率。例如，獲得ZL的非侵入式背散射（NIBS）光學儀器現已能在動態粒度范圍內進行測量，可測顆粒直徑在0.3nm至10微米之間，溶液濃度涵蓋0.1ppm至40%w/v。用DLS技術進行數據采集速度快，不影響樣本回收，無論在研究領域，還是質量控制中，都能夠有效發揮作用。

    以下案例分析探討了DLS技術用于納米粒子表征的優勢。膠體金的實驗數據重點說明了通過DLS技術獲得的結果與電子顯微鏡技術之間的差別，以及如何借此更好地了解納米粒子體系。

 案例研究：使用DLS技術進行膠體金表征

    實驗利用高級DLS系統（英國馬爾文儀器Zetasizer Nano S）對某一膠體金樣本進行了測量。所有測量都在25℃時進行， DLS系統使用633nm激光光源，雪崩光電二極管（APD）作為光電探測器，檢測散射光角度為173度。

    圖2展示了膠體金樣本的光強粒度分布。圖中顯示了粒子的光散射在不同粒度等級中所占的相對百分比。分別位于13.6nm和339nm處的兩個不同峰值表示粒子呈雙峰分布，說明樣本內存在聚集體。

       首先，從粒度分布峰值的相對光強來看，樣本內似乎存在大量的聚集體。然而，將其轉換成基于體積的分布時，如圖2所示，顯然實際上聚集體的濃度是相對較低的。這一轉換由智能儀器軟件實施，其中運用了米氏散射理論以及粒子的折光指數和吸收率。體積粒度分布顯示，在單位質量內，絕大多數樣本顆粒為13nm左右的小顆粒，且原始粒子與聚集體之比為9:1。

將基于體積或光強的粒度測量與基于數量的分析方法相比較，便會發現DLS技術與傳統納米粒子分析技術相互補充的價值所在。如圖4所示，基于體積的分布轉換成了基于數量的分布。由于樣本所含的聚集體極少，因此數量分布為單峰，峰均值為12.4，且僅考慮了原始粒子。該結果表明，如果用電子顯微鏡等技術對該樣本進行表征，所呈現的大部分顆粒將會是小顆粒，因而難以準確地推斷出聚集體的整體濃度。

動態光散射分辨率相對低于電鏡技術，通常來講如果顆粒粒徑相差三倍或者更多，可以通過動態光散射技術得到分開的分布峰。然而，通過智能數據解讀，我們還是可以了解到相當多的樣品的粒徑分布信息。比如，當單個顆粒與由2、3或4個顆粒組成的聚集體相混合時可能會產生一個寬峰。由于較大的顆粒散射了大部分光，因此相較于顆粒較小的原始粒子，聚集體對于峰值的影響更大。Z-均直徑和多分散指數值都對聚集體的存在表現敏感，因此可以很好地指示樣本內是否存在聚集體。Z-均直徑是光強加權流體力學直徑的平均值，多分散指數PDI表征了顆粒粒徑分布寬度。這兩項參數均由系統根據動態光散射國際標準ISO22412計算得出。

  關于動態光散射

    納米粒子的開發和配方需要對整個樣本進行快速可靠的質量控制分析，而動態光散射提供了滿足這一需求的解決方案。通過具有極高統計學意義的粒度分布圖，DLS技術使用戶能夠快速地識別出聚集體或不合規格顆粒，而如果僅利用基于數量的粒度測量技術則可能無法做到。如今，商用DLS系統已經可以使用這一高端技術，為高級生物醫藥應用中的納米粒子均勻性與聚集研究提供所需高靈敏度、高精確度和高分辨率分析。

作者：Stephen Ball ，為馬爾文儀器納米粒子與分子表征產品營銷經理。他于英國薩里大學獲得計算機輔助化學學位，期間作為研究化學師在瑞士豪爾根的陶氏化學公司進行了為期一年的產業實習。在加入馬爾文儀器之前，他曾在Polymer Laboratories擔任應用化學師，隨后又在安捷倫科技擔任光散射儀器產品經理一職。