Malvern Panalytical公司 齊慕桓 專員

前言

近年來，奈米科技飛速發展，奈米顆粒材料被廣泛應用在生技製藥、電子業、能源科技、催化劑、塗料、化妝品、食品等領域，因此，奈米顆粒材料的性質分析成為研發先端技術與生產新產品的重要課題。Zetasizer Advance Ultra (red) 是世界上最先進的光散射分析系統之一，它可以幫助您分析奈米顆粒材料的粒徑、Zeta 電位、顆粒濃度和分子量等相關資訊，並藉由智能軟體 ZS Xplorer 幫助您快速分析出高品質的數據結果和見解，讓您能更有信心地做出判斷。下方將簡單介紹奈米粒徑 Zeta 電位分析儀的運作原理，以及一些應用的參考範例。

動態光散射(Dynamic Light Scattering, DLS)— 奈米顆粒粒徑分析:

粒徑，即顆粒的尺寸大小，它是其中一個影響奈米顆粒材料效能的關鍵因子，奈米粒徑 Zeta 電位分析儀可利用動態光散射技術分析奈米顆粒的粒徑及粒徑分佈。動態光散射 (以下簡稱 DLS)，也有人稱作光子相關性光譜 (Photon Correlation Spectroscopy, PCS) 或準彈性光散射 (Quasi Elastic Light Scattering, QELS)，其常被用於量測液體介質中奈米或次微米顆粒的粒徑和粒徑分佈。顆粒材料懸浮在液體媒介中時，會因為顆粒與媒介分子之間的作用而產生隨機的布朗運動 (Brownian Motion)，因為布朗運動是即時且隨機的，懸浮液樣品中的每個顆粒在每個時間點的相對位置都會不同，因此，若照射一光源在此懸浮液樣品上，不同時間點，所有顆粒散射光干涉產生的總散射光強度皆會不同 (如圖一)，換句話說，懸浮液樣品產生的散射光強度會隨時間改變。

圖一：不同時間點顆粒相對位置不同造成總散射光強度不同的示意圖^[1]。

若考量相同材料在相同媒介中，粒徑越小，布朗運動會越快越劇烈，則散射光強度隨時間的變化越明顯，相反地，粒徑越大，布朗運動會越慢越不顯著，則散射光強度隨時間的變化越不明顯 (如圖二)。若我們將散射光強度對時間的曲線進行自相關性演算 (Autocorrelation) 以及數據擬合 (Curve Fitting)，我們就可以得到該顆粒於該媒介中的擴散係數 (Diffusion Coefficient, D)，再藉由 Stokes-Einstein 方程式，我們就可以分析出顆粒材料的流體力學直徑 (Hydrodynamic Diameter, d_H) 及其粒徑分佈。值得注意的是，進行 DLS 分析時，至少會需要設定懸浮液樣品媒介 (除了顆粒本身以外的所有成份) 的折射率以及樣品黏度，設定的數值偏差越小，得到的結果偏差就越小，同時，粒徑結果會和顆粒形狀、顆粒表面特性以及分散媒介組成等因素有關。而相較於其他分析技術，DLS 具有簡單、快速、相容性高、粒徑量測範圍廣等優勢，這也是為什麼它能夠成為研發單位或生產單位最重要的分析技術之一。

圖二：大顆粒和小顆粒樣品散射光訊號強度對時間的曲線^[1]。

在 Zetasizer Advance Ultra (red) 中，其光源為波長約 633 nm 的紅光雷射，且在背向 (Back-scattering)、側向 (Side-scattering) 和正向 (Forward-scattering) 都可以做 DLS 的量測。相較於傳統的 DLS 機台，Zetasizer Advance Ultra (red) 在背向量測上搭載專利的非侵入式背向散射技術 (Non-Invasive Back Scattering, NIBS)，其可針對您的樣品自動調整最佳的雷射光聚焦 (量測) 位置以及雷射光源強度，藉此提高不同濃度或不同類型樣品的訊雜比 (Signal-to-Noise Ratio) 和數據品質，這不僅能擴展儀器適用的樣品濃度範圍和材料類型範圍，也能夠減少調整樣品所需要的程度和時間，增加分析效率的同時減少變異產生，而 Zetasizer Advance Ultra (red) 的 NIBS 也可以搭配軟體控制的螢光濾光片使用，減少量測會有螢光反應樣品的雜訊，增加數據品質。除了 NIBS 以外，Zetasizer Advance Ultra (red) 可以使用多角度動態光散射技術 (Multi-Angle Dynamic Light Scattering, MADLS)，其會針對同一份樣品依序量測背向、側向和正向的 DLS 結果，再藉由進一步的合併演算，即可獲得一無角度依存特性、高解析度和更完整的粒徑量測結果，也因為得到更完整的結果，Zetasizer Advance Ultra (red) 可以利用 MADLS 的結果分析樣品的顆粒濃度，包含總顆粒濃度，以及樣品中不同訊號峰的顆粒濃度。不過，無論是量測多角度動態光散射還是顆粒濃度，除了上面提到的懸浮液樣品媒介折射率以及樣品黏度設定以外，皆還會需要設定顆粒材料的光學性質 (折射率與吸收)，設定的數值偏差越小，得到的結果偏差就越小。

DLS 在不同領域都被廣泛使用，下方列出一些應用範例文章的連結，若有興趣，可免費註冊會員後瀏覽與下載，而 Malvern Panalytical 官網上也有其他更多應用範例與文獻可以參考:

• 病毒載體(Viral Vector)粒徑和濃度分析應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an240913-lentivirus-size-titer-zetasizer-ultra

• 病毒載體 (Viral Vector) 熱穩定性分析應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an240913-lentivirus-thermal-stability

• 脂質奈米顆粒 (Lipid Nanoparticle, LNP) 多角度動態光散射分析應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/insights/enhancing-lnp-characterization-with-madls

• 光動力治療 (Photodynamic Therapy, PDT) 光敏劑粒徑分析應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an220609-dls-cancer-therapy

• 抗體粒徑分析應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an031009monoclonalantibodycharacterization

• NIBS 在脂質顆粒上的應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an170210lipidemulsions

• 金奈米顆粒粒徑分析應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an101104characterisationcolloidalgold

• 磁性奈米顆粒粒徑分析應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an110415ferrofluidscharacterisationusingdls

• 分子結合力分析應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an101104bindingstrengthsugarsconcanavalina

• 染料研磨製程優化應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an101104monitoringpigmentmilling

電泳光散射(Electrophoresis Light Scattering, ELS)— 顆粒Zeta電位分析:

Zeta電位，即顆粒周圍電雙層(Electric Double Layer)中滑動平面上(Slipping Plane)的電位(如圖三)，其可用以表徵顆粒表面帶電的情況，是其中一個影響顆粒材料效能的關鍵因子。相同顆粒，若Zeta電位越高，則顆粒間靜電排斥力越強，顆粒越不容易聚集，則越傾向穩定懸浮，相對地，其和帶異性電荷的顆粒或表面也會有較強的吸引力/親和力，所以Zeta電位對於配方組成、懸浮穩定性以及靜電吸引力/親和力尤其相關，不過，必須小心Zeta電位也不是影響這些效能的唯一因子。奈米粒徑Zeta電位分析儀可利用電泳光散射技術分析顆粒的Zeta電位及其分佈。

圖三：Zeta 電位示意圖^[2]。

電泳光散射(以下簡稱 ELS)利用在懸浮液樣品兩端施加電場，使樣品中的帶電顆粒發生電泳行為(如圖四)，電泳的遷移率快慢會和電場強度、顆粒的Zeta電位、分散媒介的介電常數以及黏度有關，如果固定電場、分散媒介以及配方，則電泳遷移率就只會和顆粒的Zeta 電位有關，所以在這樣的情況下，我們僅需量測顆粒的電泳遷移率，再搭配Henry方程式，我們就可以分析出顆粒的Zeta電位及其分佈。值得注意的是，進行ELS分析時，至少會需要設定懸浮液樣品媒介 (除了顆粒本身以外的所有成份) 的介電常數、媒介的Henry函數以及樣品黏度，設定的偏差越小，結果的偏差就越小，而Zeta電位也會和顆粒本身性質以及其所在的分散媒介性質 (例如組成、離子強度、添加劑濃度、pH 值等) 大大相關。

圖四：電泳示意圖^[3]。

但是我們要怎麼用散射光技術量測顆粒的電泳遷移率呢?這就不得不提到都卜勒效應(Doppler Effect)，亦即如果觀測者和一發出波的物體產生相對速度差異時，觀測者接收到的波頻率就會發生改變，就像我們平常聽到救護車的鳴笛音高會隨相對位置改變一樣。光波也是波的一種，所以也會有都卜勒效應，當一顆粒發生電泳且被雷射照射時，偵測器接收到該顆粒發出的散射光頻率會和原本的雷射光源頻率不同，且會和顆粒的電泳遷移率有關(如圖五)，因此，我們只需要量測散射光的頻率變化，就可以分析出顆粒的電泳遷移率，進而得到顆粒的Zeta電位。

圖五：雷射都卜勒效應示意圖^[4]。

相較於傳統的 ELS 機台，Zetasizer Advance Ultra(red)採用專利的複合模式量測-相位分析光散射技術(Mixed-Mode Measurement-Phase Analysis Light Scattering, M3-PALS)量測樣品的Zeta電位，複合模式量測可以減少電滲流(Electro-osmosis) 造成的數據偏差，還能夠給予分佈相關的資訊，相位分析則能提高量測的靈敏度，因此，可大大提升數據的品質。除此之外，Zetasizer Advance Ultra (red)針對導電度較高的樣品也引入了定電流量測模式 (Constant Current Mode)，相較於傳統的定電壓量測，其可以減少電極極化 (Electrode Polarization)造成的數據偏差，給予數據品質更好的結果。

ELS在不同領域都被廣泛使用，下方列出一些應用範例文章的連結，歡迎瀏覽和下載，而Malvern Panalytical官網上也會有其他更多應用範例與文獻可以參考:

• 信使核糖核酸-脂質奈米顆粒(mRNA-LNP)Zeta電位分析應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an220825-lipid-nanoparticle-els

• 蛋白質吸附分析應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an101104proteinadsorptionsurfactantcoatedlatex

• 微脂體粒徑和Zeta電位分析應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an210621-light-scattering-in-lnp-liposome-research

• 利用自動滴定探討離子濃度與pH值對Zeta電位影響的應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an210419-salt-concentration-ph-ranges-mpt3

• 非水相樣品Zeta電位分析應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an150707zetacarbonblack

• 微脂體組成優化分析應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an101104zetapotentialcharacterizationliposomes

• 化學機械研磨劑Zeta電位分析應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an101104highlyconcentratedcmpslurry

• 高濃度蛋白質Zeta電位分析應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an101104highconcentrationzetapotentialcel

• 粒徑和Zeta電位在基因治療研究上的應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/application-notes/an101101genetherapyresearch

• 利用Zetasizer優化懸浮液安定性的應用:

• https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge-center/whitepapers/wp161006zetaformulationstability

結語

DLS和ELS是分析奈米顆粒不可或缺的關鍵技術，其可以給予粒徑和Zeta電位等資訊，使您能夠鑑定和比較您的樣品，優化配方效能、製程及安定性等。Zetasizer Advance Ultra (red)不僅僅只是傳統的DLS和ELS，其搭載了多項最先進的光散射分析專利技術，以及因應不同樣品類型/應用的配件，除了能給予您數據品質更好的粒徑及Zeta電位結果，還能夠幫助您分析奈米顆粒材料的多角度動態光散射結果與顆粒濃度。同時，搭配上智能軟體ZS Xplorer中的適應性自相關性演算(Adaptive Correlation)以及數據品質指引 (Data Quality Guidance)功能，自動幫您分類統計數據，提升數據的再現性，並讓樣品製備更簡單，同時，藉由人工智能(AI)自動檢視數據品質，若品質不佳也會提供適當的建議，讓您即使身為初學者，也能夠快速上手，量測出高品質的數據結果。整體而言，Zetasizer Advance Ultra (red) 能夠幫助您更為簡單、快速的面對不同種類的樣品或應用。若您想進一步了解更多技術細節或原理，在官方網站上有非常豐富的資源，包括線上研討會(Webinar)、白皮書 (Whitepaper)、技術註記(Technical Note)、應用範例(Application Note)以及部落格(Insights)等等。只要免費註冊成會員，即可隨時瀏覽與下載。若有任何問題，也歡迎隨時聯繫。https://www.malvernpanalytical.com/tw

參考文獻

1. Dynamic Light Scattering: An Introduction in 30 Minutes。

2. Zeta potential - An introduction in 30 minutes。

3. What is Electrophoresis?

4. Measuring Zeta Potential - Laser Doppler Electrophoresis Explained。

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