動態光散射技術入門
作者：馬爾文儀器公司納米顆粒及分子鑒定產品營銷經理Stephen Ball
動態光散射（DLS）是一項用于蛋白質、膠體和分散體的極具價值的粒度測量技術，其應用范圍可輕松擴展到1nm以下。本文中，馬爾文儀器公司產品營銷經理Stephen Ball將向您介紹DLS的工作原理，并就購買光散射系統時的關注事項為您并提供一些專業建議。
通過觀察散射光，可以測定粒子分散體系或分子溶液的特性，如粒度、分子量和zeta電位。光散射系統充分挖掘利用這些特性之間關聯，并在近幾十年間經過不斷完善，目前已經能為常規實驗室應用提供高度自動化的檢測。利用光散射儀器的檢測快速而高效，可用來表征分散體系、膠體和蛋白質。
理論上，光散射儀器中使用的各種技術看起來可能很相似，但它們的功能和檢測結果卻在實際應用中千差萬別，從而對儀器的壽命期價值產生顯著影響。光散射系統中的組件和設計的差異也會導致數據質量及儀器適用范圍產生很大的差異。例如，某些光散射系統可通過測量蛋白質電泳遷移率對蛋白質電荷以及粒度進行測定，從而成為生物制藥應用中高效的選擇方案。
撰寫本文的目的在于為考慮采用動態光散射DLS技術的讀者提供一個入門指南。本文將考察DLS的主要用途、應用領域，尤其會側重系統設計中對于特定性能的重要性，從而為那些正為自身需求而關注DLS技術的用戶提供背景信息和理論支持。
了解基本知識
當我們要開始對一種新的分析技術進行評估時，第一個重要步驟就是要了解它的基本工作原理。DLS的優勢之一是它操作非常簡單，而這直接源于它的測量原理。
由于熱能，溶劑分子不斷運動，和懸浮的顆粒物產生碰撞，使得分散體或溶液中的小顆粒做無規則的布朗運動。可以通過觀測散射光隨時間的波動性得到顆粒布朗運動的速度，這種技術被稱為光子相關光譜法（PCS）或準彈性光散射法（QELS），但現在通常稱作動態光散射法（DLS）。
斯托克斯-愛因斯坦方程定義了顆粒布朗運動速度與顆粒大小之間的關系：
其中，D =擴散速度，k =波爾茲曼常數，T =絕對溫度，h =粘度，DH =流體力學直徑
上述關系式清楚地表示了在樣品溫度和連續相粘度已知的情況下，如何根據擴散速度測定粒徑。盡管必須是控制檢測溫度，但很多商用儀器還是會對溫度進行測量；而對于許多分散劑，尤其是水而言，粘度是已知的。在很多情況下，DLS實驗所需的補充信息也僅僅是粘度測量。
DLS的優勢
DLS固有的操作簡便性意味著操作者無需具備很強的專業知識就能得到詳盡而有用的數據，這個優點在最新的高度自動化系統中表現得尤為明顯——一般分析只需要幾秒鐘的時間，并且分散劑的選擇余地比較大，不管是水性還是非水性的，只要它們呈透明狀并且不太粘稠，就都可以使用。這種測試方法所需的樣品量也很小，最少時只需要幾微升即可，這一點對于涉及寶貴的樣品的早期研究而言是極具吸引力的。
實際上，DLS法在測量0.1 nm ~ 10 μm范圍的粒徑時十分出色。它在測量小顆粒方面的能力尤為突出，對于絕大多數待測體系提供2nm及以上的準確、可重復的數據。從理論上講，檢測低密度分子的粒徑僅僅受到儀器靈敏度的限制，但對致密顆粒而言，沉降是可能導致分析不準確的一個潛在問題。例如，對于密度為10g/ml的顆粒，最大檢測粒徑通常會限制在大約100nm以內。
無論是稀釋樣品還是混濁樣品都可以用DLS法來進行測量，可分析的濃度范圍最低可至0.1ppm，最高可達40％w/v。不過，由于樣品濃度會大大影響其外觀尺寸，因此當粒子含量較高時對樣品的制備需要加倍小心。
上述適用的粒徑和濃度范圍以及該測量技術的高重現性（粒徑20nm時可達到+/-0.1nm），使得DLS這種測量方法具有廣泛的適用性。比如，它特別適合檢測平均粒徑的細微變化，這種變化可能會反映出膠體樣品的穩定性；它也可以測得少量聚集體的出現。上述這些現象很有可能是某種樣本解體的前兆，當用于藥物的蛋白質研究時，這類情況的出現有可能對藥物性能產生不利甚至有害的影響。