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动态光散射技术入门(三)

2020.6.16

·   检测器

检测器有两种类型:一种是便宜、灵敏度较低的光电倍增管PMT,另一种是较昂贵的、性能更好的雪崩光电二极管检测器(APD)。后者宣称效率高达65%,远远优于替代产品PMT 4-20%的效率,从而使数据收集最大化,测量速度更快、质量更高。

 

要获得精确的DLS测量,另一项基本要求是必须对温度进行很好的控制。如同分散剂粘度一样,颗粒的布朗运动也直接和温度相关,因此温度控制较差造成的影响非常严重。例如,在环境温度下对水性体系进行测量,1oC的温度误差将导致2.4%的检测结果偏差,超过ISO13321 [1]标准规定的+/-2%或更新的ISO 22412[2]标准规定的范围。对于使用的各类比色皿,DLS仪器温度控制的合理目标是+/-0.2oC。

 

比起在检测仪外部连接水浴装置,内置温度控制器在使用上更加方便,在测量精度、稳定性和重现性方面也更加可取。此外,具有高性能控制系统的仪器,既能进行快速的系统预热,又能迅速调整温度,从而对温度变化所产生的影响(如蛋白质热不稳定性)进行研究。

 

其它测量评估功能

DLS除了被广泛应用于粒度测量外,专业化程度较高的DLS系统组件的组合也适合用于进行如下测量:

 

- 绝对分子量

- Zeta电位

- 蛋白质电荷

- 微流变学性能

 

如果上述这些功能在系统选择的应用(或潜在应用)中能发挥价值,那么它们对仪器的选择也会起到很大作用。

 

根据静态光散射(SLS)数据,可以测得样本的绝对分子量。这种技术通过瑞利方程将单个分子散射光与其分子量相关联,对此文献3中有详细的讨论。

 

除了粒径, zeta电位也是表征胶体系统时用最广泛使用的测量参数之一。Zeta电位量化了粒子之间静电排斥作用的程度。这种量化不是针对颗粒表面之间,而是针对颗粒边界层内的某个点之间的排斥力,在这个点之外,颗粒对周围的溶剂分子不再产生影响(参见图2)。

 

Zeta电位测量为分散体固有的静电稳定性提供了有效参考,配方设计师可因此对稳定性进行了解和控制。例如在乳液配方中,zeta电位数据帮助筛选稳定性候选样品,将它们用于水处理絮凝过程控制,有助于减少添加剂的剂量水平[4]

                                                                                                        

Zeta电位采用电泳方式进行测量。在毛细管样品池上施加电压,即可测出颗粒向电极运动的速度。因此,和粒径测量一样,Zeta电位测量最重要的一点是它可以对颗粒运动进行高精度测量。同样,类似的还有电泳迁移率测量,它的测量取决于测量粒子穿过电场的移动速度。这类测量方法也能测定蛋白质电荷,从而提高了光散射系统对于蛋白质测量的价值。

 

最后,我们来讨论一下微流变学测量这种新颖的新兴技术。在传统DLS实验中,斯托克斯 - 爱因斯坦方程主要是通过测量颗粒布朗运动速度以及粘度来测定粒径。相反,微流变学所讨论的是通过测量颗粒运动来测定颗粒周围溶液环境的流变特性。这里的新颖之处在于,为了对样品的粘弹性特性进行考察,其中所需要的数学描述已远远超出了斯托克斯 - 爱因斯坦方程的范畴。

 

微流变学提供了仅用最小的样品即可精细地、非破坏性地探测弱结构材料流变性的机会,从而将流变学技术拓展到了机械流变仪无法触及的领域。

 

日常使用

当选择仪器时,评估整体性能特点尤为重要。然而,如果每天使用一个不太符合操作要求的系统所造成的不便会令人非常烦恼,甚至不想再去用它。因此,当需要在最终几个备选仪器之间进行选择时,以下几个问题是值得考虑一番的:

 

·   我最重要的需求是什么:速度还是准确性?

·   我的样品粒径的范围?

·   我要测量的样品属于什么类型,比如是否有毒?或者具有特别强的腐蚀性?

·   今后仪器的操作者是专家还是新手?他们具备多少关于光散射的专业知识?

 

速度与准确性

DLS测量通常成批进行,样品通常不同、且体积较小。测量时间一般按照能达到要求的重复性水平设置,但一般不大会超过几分钟。不过,分析效率可能因样品制备和系统清洗要求而有所不同,不同系统的使用方便性也会有较大的差异。如果DLS系统被用作GPC/SEC检测器,系统将设置为流体工作模式。由于样品流经仪器,为达到必要的精度,测量必须在短短几秒钟之内完成。

 

具有良好测试速度和准确性的仪器通常都价格较高,但考虑使用寿命期的成本更为重要。考虑到因不能满足重复性标准而进行反复实验所花费的时间和成本,以及因仪器装备不能满足常规实验室使用要求而造成的分析效率下降等因素,更昂贵一些的系统也许更能体现物有所值。


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