激光纳米散射仪(马尔文)
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• • • • • • • ①激光器 ②样品池 ③检测器 ④衰减器 ⑤相关器 ⑥计算机 注： APD(Avalanche Photo Diode)： 雪崩光电二极管
布朗运动的一个重要特点是：小粒子运动快速，大颗粒运动 缓慢。由于粒子在不停地运动，散射光斑也将出现移动。由 于粒子四处运动，散射光的相位叠加，将引起光亮区域和黑 暗区域呈光强方式增加和减少或以另一种方式表达，光强也 成波动形式。即：粒子的布朗运动导致光强的波动。
在17°角度的散射光与参考光结合，产生光强的波动信 息，其中波动速度与粒子的速度成正比。数字信号处理 器用于提取散射光中的特征频率。
电泳光散射：
• 一束激光穿照射在进行电泳运动的样品上，由 于颗粒的电泳运动，散射光的频率发生偏移. • 频率的偏移Δf与电泳的速度相关：
光强的波动是怎样被引发的?
一、简介
• 马尔文（Malvern）仪器是一家英国公司， 专注于设计和制造精确的测量仪器，应用 于: 粒子尺寸及其分布 Zeta电位 分子量 粒子形态 分散体系的流体力学性质
二、三大测量技术原理及作用
Zetasizer Nano系列光散射仪的三种测量技术：
1. 动态光散射技术（DLS）：通过非侵入背散射 （NIBS）测量粒径及其分布. 2. 静态光散射技术（SLS）：测量分子量以及第二维 利系数A2. 3. 激光多普勒电泳技术（LDE）：通过激光多普勒 测速（LDV）和相位分析光散射技术（PALS）相 结合的技术测量Zeta电位.
光强, 体积和数量分布：
• 米式理论，输入颗粒的折光指数和吸收率 • 设想一个由相等数量的5 nm和50nm 球型粒子组成的混合 物
3.结果分析
（1）光强的重复性
• 同一个样品重复至少三次测试-光强误差应该在百 分之几之内； • 在连续测试过程中光强增强意味着: 粒子聚集； • 在连续测试过程中光强减弱意味着:粒子沉淀、粒 子溶解； • 在连续测试过程中光强无规则变化意味着:粒子不 稳定(聚集或分离)。
2.什么是zeta电位，简述多普勒电泳光散射zeta 电位仪的测量系统组成及其基本工作原理？
相关方程:
对于单分散体系：
对于多分散体系：
• 累积距法：得到平均粒子尺寸和分布系数 （PD.I） • 多指数分析模型：得到粒子实际尺寸和分 布
• 这里 是所有指数衰减的总和
累计矩法：
分布系数（PD.I）:
Stokes-Einstein方程：
Stokes-Einstein方程，定义了粒 径与其布朗运动所致速度之间的关 系。
第二维利系数（A2）
• 第二维利系数（A2）是一种属性，说明了粒子与 溶剂或适当分散剂介质之间的相互作用力 。 • 当A2>0的样品，粒子更“喜欢”溶剂而非它本 身，趋于停留在稳定溶液中。 • 当A2<0时，粒子更“喜欢”它本身而非溶剂， 因此可能会聚集。 • 当A2=0时，粒子与溶剂相互作用力等于分子与 分子相互作用力，于是溶剂可描述为θ溶剂（相当 于理想溶液，溶液中溶质－溶质、溶剂－溶剂和 溶质－溶剂分子的相互作用都相等，因此溶解过 程没有热量变化；也没有体积变化）。
1.动态光散射技术（Dynamic Light Scattering，DLS）
------测量粒径及其分布
1.什么是动态光散射？
• 动态光散射(DLS)是指由于散射质点不停地 做布朗运动而引起的多普勒效应导致了散 射光波长以入射光波长为中心展开的现象， 又称为准弹性散射。 • 布朗运动是由于与环绕粒子的分子随机碰 撞引起的粒子运动。 • 动态光散射技术是指通过测量样品散射光 强度起伏的变化来得出样品颗粒大小信息 的一种技术。样品中的分子不停地做布朗 运动使得散射光产生多普勒频移。
非侵入背散射（NIBS）技术：
• 测量背散射有几个优点： 1. 因为测量背侧散射，入射光束 没有必要穿过整个样品。因为 光只需穿过样品的较短路径长 度，因此可以测量较高浓度的 样品。 2. 降低了多重散射的效应；在多 重散射中，来自一个粒子的散 射光本身是其它粒子散射的。 3. 与样品粒径比较，分散剂中的 灰尘等污染物比较大。大颗粒 主要在前进方向散射。因此， 通过测量背散射，可大大降低 灰尘效应.
Zeta电位测量系统：
• • • • • • • ①激光器 ②样品池 ③检测器 ④数字信号处理器 ⑤计算机 ⑥衰减器 ⑦光学补偿装臵
慢速电场变换（SFR）
• 慢速电场变换 （SFR）:这种变换运 用于降低电极的氧化， 氧化在导电溶液中是 不可避免的。电场通 常每1秒变反转一次， 允许流体稳定流动。
拍频被聚焦到检测器处
检测器检测的是光强随时间的波动，进而得到 拍频，进而得到带电粒子速度信息。 通过频率分析得出粒子电泳运动速度后，再应 用Henry方程，我们可以得到粒子的Zeta电位。
亨利（Henry）方程：
• 有两个值通常用于f（Ka）测 定的近似，即1.5或1.0。 1. 在水性介质和中等电解质浓度 下进行Zeta电位的电泳测定法。 在这种情况下f（Ka）=1.5，即 Smoluchowski近似。 2. 对较低介电常数介质中的小粒 子，f（Ka）=1.0，允许同样的 简单计算。这通常指Huckel近 似。非水相测量通常使用 Huckel近似。
2.Zetasizer Nano如何测量粒径?
1. 粒子的布朗运动导致光强的波动，动态光 散射----测量光强的波动随时间的变化； 2. 光子相关器（Correlator）将光强的波动转 化为相关方程； 3. 相关方程检测光强波动的的速度，从而我 们得到粒子的扩散速度信息和粒子的粒径 d(h)。
示意图：
（2）z-均直径重复性
• 多次z-均直径的测试结果误差应在1%-2%之 内 • z-均直径增长意味着: 粒子聚集、 温度不稳 定(粘度随时间变化) • z-均直径下降意味着: 粒子沉淀、粒子溶解、 温度不稳定(粘度随时间变化)
（3）尺寸分布的重复性
• 对于尺寸分布结果应该检查分布峰的位臵 和包含的面积的重复性 • 如果分布没有重复性，建议重新测量，并 将测试时间延长
快速电场变换（FFR）
• 快速电场变换（FFR）:快速 变换电场使在粒子达到最终 速度时，由于电渗导致的流 体流动并不显著。这表明， 在这段时期内所测量的迁移 率，仅由粒子的电泳所引起， 而不受电渗所影响。 • 这种技术计算的平均Zeta电 位是非常准确的，因为样品 池的测量位臵不是至关重要 的。但是，由于粒子速度是 在Fra Baidu bibliotek的时间内测得的，如此 降低了分布信息的价值。 • PALS技术用于测定M3测量中 的粒子迁移率。
3.激光多普勒电泳（Laser Doppler Electrophoresis,LDE）
------测量Zeta电位
Zeta电位(Zeta Potential)
• 什么是Zeta电位? 1. Zeta电位同时依赖于粒子表 面和分散剂的化学性质 2. 对于静电力稳定的分散体系， 通常是Zeta电位越高，体系 越稳定 3. 体系稳定与否通常以Zeta电 位是否大于±30mV为标准 • 影响Zeta电位的因素？ 1. pH变化 2. 电导率(浓度，盐的类型) 3. 组成成分浓度的变化(如高分 子，表面活性剂)
基因治疗中的阳离子脂质体
变形体
基因治疗中的阳离子脂质体
基因治疗中的阳离子脂质体
经吸附的脂质体：位阻稳定
Zeta电位小结：
• Zeta电位的大小可以用来预测体系的稳定性； • 如果电荷稳定是胶体体系稳定的主要机理， 一般来说，Zeta电位愈大，体系愈稳定； • 假如稳定性的是由于位阻效应，则Zeta电位 愈小，体系愈稳定。
• Zeta 电位 ----M3-PALS 技术能够对水分 散和非水分散体系中的 Zeta 电位进行精 确的测量.
Thank you !
1.什么是动态光散射，简述动态光散射 技术测定粒径的原理？
• ①动态光散射是指入射光波长和散射光波长接近 的散射,也称准弹性散射。 • ②动态光散射技术测定粒径的原理是由于样品中 的粒子在不停地做布朗运动使散射光产生多普勒 频移,根据多普勒频移即散射光的变化就测得溶液 中分子的扩散系数D，再由D=KT/6πηr可求出分子 的流体动力学半径r，(式中K为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度，η为溶液的粘滞系数),最后根据已有 的分子半径-分子量模型，就可以算出分子量的大 小。
2.静态光散射（Static Light Scattering,SLS）
------测量分子量
什么是静态光散射？
• 静态光散射是指光与散射质点作用时没有 能量改变的光散射(即没有频率位移产生)， 又称为经典散射或弹性散射。 • 测量过程：通过静态光散射测量不同浓度 的样品，得到散射光随时间的平均光强， 然后应用瑞利方程，可以测量分子量 （MWt）和第二维利系数（A2）。瑞利方 程说明了溶液中粒子的散射光密度。
激光多普勒测速法（Laser Doppler Velocimetry）：
• 在马尔文Zetasizer Nano系 列仪器中，采用了激光多 普勒测速法(LDV)测量电 泳迁移率。 • 电泳体系的主要组成是带 电极的样品池，在其两端 为电极并且都施加了电势。 粒子朝着相反电荷的电极 运动，测量其速度并以单 位场强表示，即其迁移率。
稳定：Zeta电位>+30mV正电或<-30mV 负电粒子。
如何测量Zeta电位?
最普遍的方法----电泳。 通过颗粒的运动速度与： 电场的强度、介质的介 电常数和介质的粘度和 Zeta电位有关，这样Zeta 电位电位就可以通过电 泳淌度（单位电场强度 中的电泳速度），由亨 利方程计算出Zeta电位了。
疫苗颗粒的Zeta电位
• 不同疫苗配方的长期稳定性可通过Zeta电位 来预测
Zeta电位的应用：基因治疗
• 基因治疗是用带菌载体将基因材料释放给患 者到达治疗的目的 带菌载体是传输工具：通常是病毒或脂质 体----用来携带基因材料到达体内的目标细胞 现时正在研究用阳离子与阴离子脂质体作 为基因治疗的带菌载体 • 阳离子脂质体与变形体式的DNA形成复合体 最佳转染与脂质体与DNA的比有关 Zeta电位测量可被用于寻找特定脂质体与 不同DNA变形体的最佳比例
Zetasizer Nano系列光散射仪
110820042 沈 勇 110820039 叶学军
目录
• 一、简介 • 二、三大测量技术原理及作用. 1. 动态光散射技术（Dynamic Light Scattering， DLS) 2. 静态光散射技术（Static Light Scattering,SLS） 3. 激光多普勒电泳技术（Laser Doppler Electrophoresis,LDE） • 三、Zetasizer Nano的应用及优点.
如何测量Zeta电位?
Zetasizer Nano则采用了最新的专利技 M3-PALS技术测定Zeta电位。 1.样品的散射光和参考光源相干产生调 制信号； 2.频率分析得出粒子电泳运动速度； 3. Zeta电位由Henry 方程换算而得。
1.什么是M3-PALS技术？
• M3-PALS技术：将激光多普勒测速法(LDC)和相 位分析光散射（PALS）结合，使得Zetasizer Nano系列仪器能完全排除电渗，并可在样品池 中任一点进行测量、并取得真实迁移率。此外， 也能够分析极低迁移率的样品，并计算其迁移 率分布。 • 激光多普勒测速法(LDC),一般就只有FFR，这样 测得的数据不够准确，M3就是改良过后的LDC。 • M3=SFR+FFR。因此命名为“混合模式测量”。 • SFR:慢速电场变换(Slow field reversal) • FFR:快速电场变换(Fast field reversal)
三、Zetasizer Nano的应用：
Zetasizer Nano的功能：
选择马尔文仪器的理由：
• 粒度---- NIBS 技术可以对粒径范围0.3 纳 米至 10 微米的颗粒和分子进行测量. • 分子量----雪崩光电二极管（APD）检测 器和光纤检测光学装臵提供测量绝对分 子量所需的灵敏度和稳定性.
布朗运动的一个重要特点是：小粒子运动快速，大颗粒运动 缓慢。由于粒子在不停地运动，散射光斑也将出现移动。由 于粒子四处运动，散射光的相位叠加，将引起光亮区域和黑 暗区域呈光强方式增加和减少或以另一种方式表达，光强也 成波动形式。即：粒子的布朗运动导致光强的波动。
在17°角度的散射光与参考光结合，产生光强的波动信 息，其中波动速度与粒子的速度成正比。数字信号处理 器用于提取散射光中的特征频率。
电泳光散射：
• 一束激光穿照射在进行电泳运动的样品上，由 于颗粒的电泳运动，散射光的频率发生偏移. • 频率的偏移Δf与电泳的速度相关：
光强的波动是怎样被引发的?
一、简介
• 马尔文（Malvern）仪器是一家英国公司， 专注于设计和制造精确的测量仪器，应用 于: 粒子尺寸及其分布 Zeta电位 分子量 粒子形态 分散体系的流体力学性质
二、三大测量技术原理及作用
Zetasizer Nano系列光散射仪的三种测量技术：
1. 动态光散射技术（DLS）：通过非侵入背散射 （NIBS）测量粒径及其分布. 2. 静态光散射技术（SLS）：测量分子量以及第二维 利系数A2. 3. 激光多普勒电泳技术（LDE）：通过激光多普勒 测速（LDV）和相位分析光散射技术（PALS）相 结合的技术测量Zeta电位.
光强, 体积和数量分布：
• 米式理论，输入颗粒的折光指数和吸收率 • 设想一个由相等数量的5 nm和50nm 球型粒子组成的混合 物
3.结果分析
（1）光强的重复性
• 同一个样品重复至少三次测试-光强误差应该在百 分之几之内； • 在连续测试过程中光强增强意味着: 粒子聚集； • 在连续测试过程中光强减弱意味着:粒子沉淀、粒 子溶解； • 在连续测试过程中光强无规则变化意味着:粒子不 稳定(聚集或分离)。
2.什么是zeta电位，简述多普勒电泳光散射zeta 电位仪的测量系统组成及其基本工作原理？
相关方程:
对于单分散体系：
对于多分散体系：
• 累积距法：得到平均粒子尺寸和分布系数 （PD.I） • 多指数分析模型：得到粒子实际尺寸和分 布
• 这里 是所有指数衰减的总和
累计矩法：
分布系数（PD.I）:
Stokes-Einstein方程：
Stokes-Einstein方程，定义了粒 径与其布朗运动所致速度之间的关 系。
第二维利系数（A2）
• 第二维利系数（A2）是一种属性，说明了粒子与 溶剂或适当分散剂介质之间的相互作用力 。 • 当A2>0的样品，粒子更“喜欢”溶剂而非它本 身，趋于停留在稳定溶液中。 • 当A2<0时，粒子更“喜欢”它本身而非溶剂， 因此可能会聚集。 • 当A2=0时，粒子与溶剂相互作用力等于分子与 分子相互作用力，于是溶剂可描述为θ溶剂（相当 于理想溶液，溶液中溶质－溶质、溶剂－溶剂和 溶质－溶剂分子的相互作用都相等，因此溶解过 程没有热量变化；也没有体积变化）。
1.动态光散射技术（Dynamic Light Scattering，DLS）
------测量粒径及其分布
1.什么是动态光散射？
• 动态光散射(DLS)是指由于散射质点不停地 做布朗运动而引起的多普勒效应导致了散 射光波长以入射光波长为中心展开的现象， 又称为准弹性散射。 • 布朗运动是由于与环绕粒子的分子随机碰 撞引起的粒子运动。 • 动态光散射技术是指通过测量样品散射光 强度起伏的变化来得出样品颗粒大小信息 的一种技术。样品中的分子不停地做布朗 运动使得散射光产生多普勒频移。
非侵入背散射（NIBS）技术：
• 测量背散射有几个优点： 1. 因为测量背侧散射，入射光束 没有必要穿过整个样品。因为 光只需穿过样品的较短路径长 度，因此可以测量较高浓度的 样品。 2. 降低了多重散射的效应；在多 重散射中，来自一个粒子的散 射光本身是其它粒子散射的。 3. 与样品粒径比较，分散剂中的 灰尘等污染物比较大。大颗粒 主要在前进方向散射。因此， 通过测量背散射，可大大降低 灰尘效应.
Zeta电位测量系统：
• • • • • • • ①激光器 ②样品池 ③检测器 ④数字信号处理器 ⑤计算机 ⑥衰减器 ⑦光学补偿装臵
慢速电场变换（SFR）
• 慢速电场变换 （SFR）:这种变换运 用于降低电极的氧化， 氧化在导电溶液中是 不可避免的。电场通 常每1秒变反转一次， 允许流体稳定流动。
拍频被聚焦到检测器处
检测器检测的是光强随时间的波动，进而得到 拍频，进而得到带电粒子速度信息。 通过频率分析得出粒子电泳运动速度后，再应 用Henry方程，我们可以得到粒子的Zeta电位。
亨利（Henry）方程：
• 有两个值通常用于f（Ka）测 定的近似，即1.5或1.0。 1. 在水性介质和中等电解质浓度 下进行Zeta电位的电泳测定法。 在这种情况下f（Ka）=1.5，即 Smoluchowski近似。 2. 对较低介电常数介质中的小粒 子，f（Ka）=1.0，允许同样的 简单计算。这通常指Huckel近 似。非水相测量通常使用 Huckel近似。
2.Zetasizer Nano如何测量粒径?
1. 粒子的布朗运动导致光强的波动，动态光 散射----测量光强的波动随时间的变化； 2. 光子相关器（Correlator）将光强的波动转 化为相关方程； 3. 相关方程检测光强波动的的速度，从而我 们得到粒子的扩散速度信息和粒子的粒径 d(h)。
示意图：
（2）z-均直径重复性
• 多次z-均直径的测试结果误差应在1%-2%之 内 • z-均直径增长意味着: 粒子聚集、 温度不稳 定(粘度随时间变化) • z-均直径下降意味着: 粒子沉淀、粒子溶解、 温度不稳定(粘度随时间变化)
（3）尺寸分布的重复性
• 对于尺寸分布结果应该检查分布峰的位臵 和包含的面积的重复性 • 如果分布没有重复性，建议重新测量，并 将测试时间延长
快速电场变换（FFR）
• 快速电场变换（FFR）:快速 变换电场使在粒子达到最终 速度时，由于电渗导致的流 体流动并不显著。这表明， 在这段时期内所测量的迁移 率，仅由粒子的电泳所引起， 而不受电渗所影响。 • 这种技术计算的平均Zeta电 位是非常准确的，因为样品 池的测量位臵不是至关重要 的。但是，由于粒子速度是 在Fra Baidu bibliotek的时间内测得的，如此 降低了分布信息的价值。 • PALS技术用于测定M3测量中 的粒子迁移率。
3.激光多普勒电泳（Laser Doppler Electrophoresis,LDE）
------测量Zeta电位
Zeta电位(Zeta Potential)
• 什么是Zeta电位? 1. Zeta电位同时依赖于粒子表 面和分散剂的化学性质 2. 对于静电力稳定的分散体系， 通常是Zeta电位越高，体系 越稳定 3. 体系稳定与否通常以Zeta电 位是否大于±30mV为标准 • 影响Zeta电位的因素？ 1. pH变化 2. 电导率(浓度，盐的类型) 3. 组成成分浓度的变化(如高分 子，表面活性剂)
基因治疗中的阳离子脂质体
变形体
基因治疗中的阳离子脂质体
基因治疗中的阳离子脂质体
经吸附的脂质体：位阻稳定
Zeta电位小结：
• Zeta电位的大小可以用来预测体系的稳定性； • 如果电荷稳定是胶体体系稳定的主要机理， 一般来说，Zeta电位愈大，体系愈稳定； • 假如稳定性的是由于位阻效应，则Zeta电位 愈小，体系愈稳定。
• Zeta 电位 ----M3-PALS 技术能够对水分 散和非水分散体系中的 Zeta 电位进行精 确的测量.
Thank you !
1.什么是动态光散射，简述动态光散射 技术测定粒径的原理？
• ①动态光散射是指入射光波长和散射光波长接近 的散射,也称准弹性散射。 • ②动态光散射技术测定粒径的原理是由于样品中 的粒子在不停地做布朗运动使散射光产生多普勒 频移,根据多普勒频移即散射光的变化就测得溶液 中分子的扩散系数D，再由D=KT/6πηr可求出分子 的流体动力学半径r，(式中K为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度，η为溶液的粘滞系数),最后根据已有 的分子半径-分子量模型，就可以算出分子量的大 小。
2.静态光散射（Static Light Scattering,SLS）
------测量分子量
什么是静态光散射？
• 静态光散射是指光与散射质点作用时没有 能量改变的光散射(即没有频率位移产生)， 又称为经典散射或弹性散射。 • 测量过程：通过静态光散射测量不同浓度 的样品，得到散射光随时间的平均光强， 然后应用瑞利方程，可以测量分子量 （MWt）和第二维利系数（A2）。瑞利方 程说明了溶液中粒子的散射光密度。
激光多普勒测速法（Laser Doppler Velocimetry）：
• 在马尔文Zetasizer Nano系 列仪器中，采用了激光多 普勒测速法(LDV)测量电 泳迁移率。 • 电泳体系的主要组成是带 电极的样品池，在其两端 为电极并且都施加了电势。 粒子朝着相反电荷的电极 运动，测量其速度并以单 位场强表示，即其迁移率。
稳定：Zeta电位>+30mV正电或<-30mV 负电粒子。
如何测量Zeta电位?
最普遍的方法----电泳。 通过颗粒的运动速度与： 电场的强度、介质的介 电常数和介质的粘度和 Zeta电位有关，这样Zeta 电位电位就可以通过电 泳淌度（单位电场强度 中的电泳速度），由亨 利方程计算出Zeta电位了。
疫苗颗粒的Zeta电位
• 不同疫苗配方的长期稳定性可通过Zeta电位 来预测
Zeta电位的应用：基因治疗
• 基因治疗是用带菌载体将基因材料释放给患 者到达治疗的目的 带菌载体是传输工具：通常是病毒或脂质 体----用来携带基因材料到达体内的目标细胞 现时正在研究用阳离子与阴离子脂质体作 为基因治疗的带菌载体 • 阳离子脂质体与变形体式的DNA形成复合体 最佳转染与脂质体与DNA的比有关 Zeta电位测量可被用于寻找特定脂质体与 不同DNA变形体的最佳比例
Zetasizer Nano系列光散射仪
110820042 沈 勇 110820039 叶学军
目录
• 一、简介 • 二、三大测量技术原理及作用. 1. 动态光散射技术（Dynamic Light Scattering， DLS) 2. 静态光散射技术（Static Light Scattering,SLS） 3. 激光多普勒电泳技术（Laser Doppler Electrophoresis,LDE） • 三、Zetasizer Nano的应用及优点.
如何测量Zeta电位?
Zetasizer Nano则采用了最新的专利技 M3-PALS技术测定Zeta电位。 1.样品的散射光和参考光源相干产生调 制信号； 2.频率分析得出粒子电泳运动速度； 3. Zeta电位由Henry 方程换算而得。
1.什么是M3-PALS技术？
• M3-PALS技术：将激光多普勒测速法(LDC)和相 位分析光散射（PALS）结合，使得Zetasizer Nano系列仪器能完全排除电渗，并可在样品池 中任一点进行测量、并取得真实迁移率。此外， 也能够分析极低迁移率的样品，并计算其迁移 率分布。 • 激光多普勒测速法(LDC),一般就只有FFR，这样 测得的数据不够准确，M3就是改良过后的LDC。 • M3=SFR+FFR。因此命名为“混合模式测量”。 • SFR:慢速电场变换(Slow field reversal) • FFR:快速电场变换(Fast field reversal)
三、Zetasizer Nano的应用：
Zetasizer Nano的功能：
选择马尔文仪器的理由：
• 粒度---- NIBS 技术可以对粒径范围0.3 纳 米至 10 微米的颗粒和分子进行测量. • 分子量----雪崩光电二极管（APD）检测 器和光纤检测光学装臵提供测量绝对分 子量所需的灵敏度和稳定性.