動態光散射: 
Microtrac MRB的NANOTRAC Flex是一種具有多種測量功能的動態光散射 (DLS)分析儀,其可提供有關粒徑、顆粒濃度和分子量的測量數據。
NANOTRAC Flex的創新設計以可靠的技術、高再現性和出色的準確度提供了包含粒徑在內的快速測量,獨特的探頭設計無論樣品乘載在多大或多小的容器均能進行實驗(參見下圖一),此外它還可以測量的樣品濃度範圍十分廣泛,且包括單峰和多峰分散樣品,最棒的是量測均無需事先了解粒度分佈。
圖一、Nanotrac FLEX 的特殊探頭允許在容器中直接進行測量,包含諸如燒杯、瓶子、Eppendorf 管,甚至是一滴液體
 
180°動態光散射:
奈米等級的顆粒於液相中因為自由的碰撞會產生名為布朗運動的運動模式,我們可以通過觀察期布朗運動一段時間並套用函數推算出粒徑分布,這也就是所謂的動態光散射粒徑計算法。
Nanotrac Flex 的偵測單位是一個探頭,其中包含一個帶有Y分路器的光纖耦合器(參見下圖二),雷射光將聚焦在靠近探頭位置的小範圍體積,高反射率元件將部分入射雷射反射至迴光電二極管偵檢器,另一方面雷射也穿透過探頭激發顆粒產生散射光訊號回傳至上述的偵檢器,藉由結合反射的入射光訊號可以大幅增強微弱的散射光訊號,這使其與光子相關光譜法(PCS)和奈米顆粒跟踪分析(NTA)等其他 DLS 方法相比,提供了高達106倍的訊雜比(參見下圖三)。

圖二、Microtrac DLS分析儀中使用的探頭設計

 

圖三、相較於單純收取散射光訊號的Homodyne法,Nanotrac Flex使用的Heterodyne能更好的提升訊雜比

雷射放大檢測信號透過快速傅立葉轉換(FFT)會產生線性頻率功率譜,然後將其轉換為對數圖便可藉此推算出最終的粒徑分佈(參見下圖四),結合前述的散射光訊號放大設計,該頻率功率譜提供了對所有的粒徑分佈無論窄、寬、單峰或多峰的穩健計算,而無需像 PCS 中那樣進行算法擬合。

圖四、用快速傅立葉轉換和頻率功率譜法完成DLS粒徑量測
分析盤式離心機(ADC)
分析盤式離心機 (ADC) 是一種粒徑測量工具,通過在液體介質中的離心沉降以分離顆粒,沉降過程通過液體內的輕微密度梯度來穩定,實驗過程中顆粒會在一個光學透明的旋轉圓盤中往外圍移動,當顆粒接近旋轉圓盤的外邊​​緣時,它們會吸收或散射一部分穿過圓盤的光束,通過連續測量此處光強度的變化將其轉換為粒徑分佈。
 
奈米顆粒的製備 
用於本次實驗的金、銀和鉑奈米顆粒是使用由杜伊斯堡埃森大學開發項目的 設備生產的(參見下圖五),這種合成方法允許用以合成奈米顆粒材料和分散介質的各種組合,本設備通過雷射燒蝕安裝在目標膠囊中的固體金屬產生奈米顆粒,會想用此方法是因為以化學法生產的膠體奈米顆粒通常含有大量的配體、表面活性劑和離析物殘留物,若改以這種合成方法便可以保證奈米材料的純度。

圖五、奈米顆粒自動合成設備(杜伊斯堡埃森大學開發)
 
樣品資訊
本次實驗共有三種不同的樣品,除了通過動態光散射 (DLS) 進行了分析外亦通過分析盤式離心 (ADC) 分析了三個樣品,詳細樣品條件如下表所示:
實驗結果
下列一系列的圖顯示了不同樣品的光強度和體積加權的粒徑分佈結果,同時我們也做了 DLS分析法和ADC分析法的粒徑分析結果比較,比較時我們是使用體積加權分布圖比較,會這樣做是因為ADC法在數據呈現上的原始結果是無法顯示光強度分佈圖。
下圖六顯示了200mg/L的金奈米顆粒以DLS法測量的粒徑分布結果
圖六、基於光強度(左)和體積(右)的 200 mg/l 金奈米顆粒的粒徑分佈,在粒徑測量的同時還測量了以 cm2/ml 為單位的顆粒體積濃度

下圖七比較了使用 DLS和ADC測量的體積加權粒徑分佈圖
圖七、200 mg/L金奈米顆粒以DLS法和ADC法測量的粒徑分布比較,考量到兩方測量原理的差異可發現數據十分接近

下圖八顯示了濃度為 120 mg/L的銀奈米顆粒的粒徑分佈(該樣品也是使用 Nanoparticle Synthesis Automate 生產)
圖八、基於光強度(左)和體積(右)的 120 mg/l 銀奈米顆粒的粒徑分佈,在粒徑測量的同時還測量了以 cm2/ml 為單位的顆粒體積濃度
圖九、120 mg/L銀奈米顆粒以DLS法和ADC法測量的粒徑分布比較
 
下圖十顯示了濃度為 150 mg/L的鉑奈米顆粒的粒徑分佈
圖十、基於光強度(左)和體積(右)的 150 mg/l 鉑奈米顆粒的粒徑分佈,在粒徑測量的同時還測量了以 cm2/ml 為單位的顆粒體積濃度

請注意,我們可以從上圖發現55 nm處的鉑團聚物數量略高於銀和金,下圖顯示了鉑樣品的 ADC 和 DLS 對比圖。
圖十一、150 mg/L鉑奈米顆粒以DLS法和ADC法測量的粒徑分布比較
在鉑奈米顆粒的實驗中,兩方法比較結果不如金和銀奈米顆粒吻合,我們可以從DLS找到一些線索,也就是在此樣品中的團聚物數量是更多的,這些團聚物在 ADC測量中是沒有被發現的,測量者推斷原因是因為本樣品實驗ADC測量比 DLS 測量提前兩週進行,在此期間可能發生了一些聚集。
 
結論
使用 Nanoparticle Synthesis Automate 生產的奈米顆粒主要顯示粒徑主峰低於10 nm,我們以Microtrac MRB Nanotrac Flex DLS 分析儀的結果可以很好地與分析盤離心(ADC)的結果進行比較,Nanotrac Flex 能夠測量非常寬的濃度範圍(濃度最高達 40 w%)和非常廣泛的樣品體積範圍(小至2μL - ∞)的奈米顆粒,這些特色可以讓我們使用者在進行粒徑量測時能盡量以原始的樣品狀態進行,而不需要為了實驗進行稀釋或容器更換的動作。
 
觀看其他儀器