液体Zeta粒径/电位分析(DLS)

液体Zeta粒径/电位分析技术详解：原理、方法与应用规范

动态光散射与电泳光散射技术，作为纳米科学与胶体化学领域的核心表征手段，通过对液体分散体系中颗粒的粒径分布与表面Zeta电位的精确测量，为材料稳定性、生物相容性及安全风险评估提供至关重要的数据支撑。其检测能力已深度渗透至从基础研究到工业品控的多个关键环节。

一、核心检测项目详解

检测项目的设定基于对分散体系物理化学性质的全面解构，以下为超过十项关键检测指标及其深度解析：

1. 流体力学粒径（Z-Average Size）：

   • 原理：基于动态光散射，通过分析悬浮颗粒因布朗运动导致散射光强度的随机涨落（自相关函数），反演得出颗粒的扩散系数，再通过斯托克斯-爱因斯坦方程计算得出等效球体直径，即Z-平均粒径。

   • 方法：在特定温度与粘度下，测量样品散射光自相关函数的衰减速率，使用累积量分析法或CONTIN算法进行拟合计算。

   • 意义：是表征颗粒体系平均尺寸的核心参数，直接关联颗粒的溶解性、反应活性及体内分布（医药领域）。

2. 粒径多分散指数（PDI）：

   • 原理：来源于动态光散射数据累积量分析中二阶项的量度，表征粒径分布的宽度。

   • 方法：通过自相关函数拟合得到，其值介于0（单分散）至1（高度多分散）之间。

   • 意义：评估样品粒径均一性的关键指标。PDI值过高预示体系稳定性可能不佳，在药物递送系统中直接影响载药均匀性和释药行为。

3. 强度/体积/数量粒径分布：

   • 原理：基于不同算法（如非负最小二乘法）将散射光强分布转换为体积或数量分布。大颗粒对散射光强的贡献呈指数级放大（~d⁶），故三种分布形态差异显著。

   • 方法：通过测量不同散射角下的光强波动，进行反演计算获得分布曲线。

   • 意义：强度分布对微量大颗粒敏感，用于检测聚集或污染；体积分布与沉降行为相关；数量分布则更直观反映颗粒群体的真实数量比例。

4. Zeta电位：

   • 原理：基于电泳光散射，在施加外加电场下，测量带电颗粒因电泳运动导致的散射光频移（多普勒效应），通过亨利方程将电泳迁移率转换为Zeta电位。

   • 方法：通常采用激光多普勒测速法，在具备电极的样品池中进行。常用相位分析光散射技术提升信噪比。

   • 意义：表征颗粒表面电荷密度及分散体系静电稳定性的核心参数。高绝对值Zeta电位（通常> ±30 mV）预示胶体体系具有较好的静电排斥稳定性。

5. 电泳迁移率：

   • 原理：单位电场强度下颗粒的迁移速度，是Zeta电位计算的直接原始数据。

   • 方法：通过跟踪颗粒在电场中的运动速度直接测得。

   • 意义：直接反映颗粒在电场中的行为，在药物靶向、电泳分离技术开发中具有直接指导价值。

6. 分子量（绝对分子量）：

   • 原理：依据动态光散射中散射光强与颗粒（分子）质量/分子量的正相关关系（德拜图），通过已知标准品建立标定曲线或结合静态光散射理论进行绝对测量。

   • 方法：在多个低浓度下测量样品的瑞利散射强度，外推至零浓度与零角度，结合折射率增量（dn/dc）值计算。

   • 意义：适用于蛋白质、聚合物等大分子的溶液表征，无需标记，提供构象信息。

7. 团聚/聚集状态分析：

   • 原理：通过监测关键参数（如Z-平均粒径、PDI、或特定尺寸通道的散射光强）随时间或外界条件（温度、pH、离子强度）的变化趋势。

   • 方法：进行长期稳定性测试或加速稳定性测试（如升温、离心），并定时取样测量。

   • 意义：预测产品货架期，评估配方有效性，是制剂开发与材料老化研究的关键。

8. 样品纯度与外来颗粒污染检测：

   • 原理：利用粒径分布的高灵敏度，尤其是对数量分布的解析，识别微量存在的非目标尺寸颗粒。

   • 方法：对比标准样品与新批次样品的分布差异，特别关注主峰之外的微小信号。

   • 意义：确保原料与产品的均一性，在注射剂不溶性微粒检查、高端纳米材料质量控制中至关重要。

9. 蛋白质/聚合物构象变化研究：

   • 原理：通过流体力学半径的变化，间接反映大分子链的折叠、展开或聚集等构象转变。

   • 方法：在变性剂梯度、温度梯度或pH梯度下，连续监测样品的表观粒径变化。

   • 意义：用于蛋白质变性/复性研究、聚合物相变分析，是理解生物分子功能与材料性能的基础。

10. 胶体稳定性快速评估：

    • 原理：结合Zeta电位和粒径随时间的变化，应用DLVO理论（描述胶体粒子间范德华引力与双电层斥力平衡的理论）综合判断。

    • 方法：进行Zeta电位- pH/浓度滴定，或测量不同离子强度下的临界聚沉浓度。

    • 意义：为配方优化提供理论指导，如确定最佳pH、表面活性剂或稳定剂浓度。

11. 颗粒浓度估算：

    • 原理：对于已知尺寸、形状和光学性质的颗粒，总散射光强与颗粒浓度成正比。

    • 方法：需使用已知浓度的标准样品进行仪器响应标定，建立校准曲线。

    • 意义：在病毒滴度测定、纳米颗粒定量等应用中提供无标记的浓度参考。

二、主要应用领域与检测范围

该技术广泛应用于涉及纳米材料、胶体或大分子分散体系的行业，其检测范围覆盖以下十大核心领域：

1. 食品接触材料：检测食品包装用纳米涂层、抗菌剂乳液中颗粒的粒径与稳定性，评估纳米成分的迁移风险。

2. 医疗器械：表征药物洗脱支架涂层、医用造影剂、消毒凝胶中的纳米颗粒，确保其尺寸均一、性能稳定。

3. 儿童玩具与用品：监测玩具用聚合物乳液、颜料及可能脱落的纳米填充物的粒径，评估其经口摄入或皮肤接触的安全性。

4. 生物医药与基因治疗：分析脂质纳米粒、病毒载体、蛋白制剂、mRNA疫苗的粒径、PDI和Zeta电位，是保证药效与安全性的关键质控环节。

5. 化妆品与个人护理品：评估乳液、防晒霜（TiO₂/ZnO纳米颗粒）、精华液中活性成分的粒径分布及体系的物理稳定性。

6. 化工与高分子材料：表征乳液聚合产物、树脂、涂料、墨水等的粒径与Zeta电位，指导乳化工艺与配方优化。

7. 环境科学与监测：分析水体中天然有机质、微塑料、工程纳米颗粒的团聚状态与表面电荷，研究其环境行为与归趋。

8. 纳米材料合成与表征：作为碳纳米管、石墨烯、量子点、金属纳米颗粒等合成过程监控与终产品表征的标准手段。

9. 能源材料：评估锂电浆料、燃料电池催化剂、光伏纳米 ink 的分散质量，直接影响器件性能。

10. 农业与农药：优化农药纳米乳剂、微胶囊制剂的粒径，以提高叶面附着、缓释性能及生物利用率。

三、主要检测标准规范

检测活动需严格遵循国内外标准，确保数据的可比性与权威性：

• ISO 22412:2017 “粒度分析 — 动态光散射法”：该标准规定了使用DLS技术测量亚微米及纳米颗粒粒径分布的操作规程、结果报告要求及方法验证程序，是国际通用的核心方法标准。

• ISO 13099-2:2012 “胶体系统电泳迁移率测定方法 — 第2部分：光学法”：详细规定了利用光散射法测定电泳迁移率及计算Zeta电位的实验方法，包括样品制备、测量和数据处理。

• ASTM E2865-12(2021) “使用动态光散射测量纳米颗粒粒径分布的标准指南”：提供了纳米颗粒DLS测量的详细指南，包括仪器校准、样品处理、数据解释和不确定度评估。

• GB/T 29022-2021 《粒度分析 动态光散射法》：中国国家标准，技术上等同采用ISO 22412，为我国纳米材料粒度分析提供了权威依据。

• GB/T 32672-2016 《塑料 用于纳米物体表征的试样制备》：虽非直接测试标准，但对纳米材料在液体介质中的分散制备这一关键前处理步骤进行了规范，直接影响DLS结果的准确性。

• USP <729> “注射用乳剂中脂肪球的粒径分布测定” 与 USP <1788> “使用动态光散射法测量粒子和蛋白质的粒径”：美国药典标准，对医药产品的DLS检测提出了明确的法规要求。

• 各领域特定标准：如ISO/TS 19337:2016（纳米载体药物）、ASTM F3018-15（含纳米银的纺织品）等，在特定应用领域内对DLS的应用进行了补充规定。

四、主要检测仪器与技术特点

现代Zeta电位/粒径分析仪通常集成DLS与ELS功能，其技术演进体现在更高的灵敏度、自动化与多参数联用能力。

1. 单角度动态/电泳光散射仪：

   • 技术特点：固定90°散射角，结构紧凑，操作简便。采用相关器进行快速光子相关光谱分析。

   • 检测能力：适用于常规粒径与Zeta电位测量，是质量控制中的主力机型。

2. 多角度动态光散射仪：

   • 技术特点：配备多个检测器（如15°, 90°, 173°），可同时从不同角度采集散射光信号。

   • 检测能力：有效降低粒度反演计算的不确定性，提高对复杂体系（如稍大多分散样品、非球形颗粒）的解析精度，并能提供更多形状和结构信息。

3. 背散射动态光散射仪：

   • 技术特点：采用>170°（通常为173°）的近背向散射角检测。

   • 检测能力：极大降低了高浓度、不透明或强吸收性样品中的多重散射干扰，无需过度稀释即可测量，更贴近实际应用场景。

4. 电泳光散射仪：

   • 技术特点：核心是施加精确电场的样品池与高灵敏度的频移检测系统。常采用混合模式测量技术（M3-PALS）以克服电渗流干扰，提升低迁移率颗粒的测量准确性。

   • 检测能力：专为高精度Zeta电位和电泳迁移率测量设计，尤其适用于低电荷、低浓度样品。

5. 高灵敏度带单光子计数APD检测器的系统：

   • 技术特点：采用雪崩光电二极管作为检测器，具有极高的光子计数效率和极低的暗计数噪声。

   • 检测能力：可测量极稀浓度（低至μg/mL）的样品，如昂贵蛋白质、稀有病毒样本，并缩短测量时间。

6. 具有自动滴定功能的智能系统：

   • 技术特点：集成自动滴定装置、pH/电导率探头及温度控制单元，由软件控制实现程序化实验。

   • 检测能力：可自动完成Zeta电位-pH/盐浓度滴定、等电点测定、稳定性快速筛选等复杂实验，极大提升研究效率与数据可靠性。

7. 纳米颗粒追踪分析仪：

   • 技术特点：基于激光散射显微技术，对单个颗粒的布朗运动进行实时追踪与录像分析。

   • 检测能力：提供基于颗粒个数的粒径分布与浓度信息，是DLS数据的有力补充，尤其擅长分析多分散复杂样品。

8. 场流分离-多角度光散射联用系统：

   • 技术特点：将场流分离的物理分级能力与DLS/MALS的在线检测能力相结合。

   • 检测能力：可高效分离复杂样品中的不同组分，并分别给出各组分的精确粒径、分子量及分布信息，是解析生物大分子聚集态、蛋白质复合物等高难度样品的顶级表征平台。

液体Zeta粒径/电位分析技术以其非侵入、快速、精确的特点，已成为贯通纳米材料基础研究与产业应用不可或缺的桥梁。随着仪器智能化、联用技术的发展以及标准体系的日益完善，该技术将继续在保障产品安全、优化材料性能及推动前沿科学发现中发挥核心作用。