动态光散射技术及其在纳米颗粒分析中的应用概述
动态光散射（DLS），亦被称为激光光散射，是一种强大的技术，能够测量小粒子，如蛋白质、纳米粒子、聚合物或脂质囊泡，在溶液或悬浮液中的尺寸。其原理在于，当单色激光照射至被测样品时，会在特定角度产生散射光，其强度随时间变化。由于悬浮颗粒在液体中受到分子无规则运动的撞击而进行布朗运动，因此观察到的散射光强度会随时间起伏。利用布朗运动的斯托克斯-爱因斯坦方程，当已知悬浮液的温度和黏度时，通过分析这些散射光强度的涨落函数，我们可以计算出颗粒的平均粒径。此外，DLS还可以通过电泳光散射（ELS）技术测量样品的Zeta电位，该技术适用于带电粒子。Zeta电位反映了粒子表面电荷的有效性，对粒子的稳定性和相互作用至关重要。通常，若Zeta电位的绝对值大于30，无论正负，都可认为体系相对稳定。
DLS技术具有诸多优点。它灵敏度高，能够检测直径在0.3至1.0纳米范围内的颗粒；测量速度快，几分钟甚至一分钟内即可提供结果；非侵入性，无需样品制备或修改，且不会在测量过程中改变或损坏样品；操作简便，只需了解介质、溶剂的粘度和折射率即可计算粒径。
样品准备：
确保测试池或样品瓶洁净，无杂质、尘埃或划痕。准备样品溶液，并注意稀释程度、溶剂选择及样品的均一性。样品应充分代表待测物质，且无气泡和聚集现象。
设备校准：
按照仪器要求进行系统校准，包括设定温度、软件参数，并使用标准粒子进行初始校准。
样品加载：
将样品溶液小心装入测试池或小样品瓶中，确保无气泡干扰测量。
参数设置：
在DLS仪器上设置合适的参数，如测量时长、温度和激光强度，这些参数可能需根据样品特性进行调整。
进行测量：
启动测量过程，仪器将记录散射光强度随时间的变化，进而分析出粒子尺寸。
数据分析：
使用仪器软件分析测量数据，DLS通常提供粒子尺寸分布信息，包括平均粒径和分布宽度。
测量结束：
清洁样品瓶和测试池，并保养仪器，以确保下次使用的准确性和可靠性。
常见问题与建议：
（1）样品可进行间歇超声波处理，但需注意超声波对样品溶液温度的影响。
（2）在动态光散射法粒径测量中，应控制样品浓度在适宜范围内。浓度过低可能受杂质影响，而浓度过高则可能导致颗粒间相互作用和多重散射影响测量结果。建议制备至少三种不同浓度的样品，分别进行测量，观察测量平均值与样品浓度的关系，以确定适宜的浓度范围。
（3）为避免气泡影响测量结果，可在加载样品前进行超声消除气泡。
应用示例：
aCD20@Exo CTX/siPDK4纳米颗粒经DLS测量显示其尺寸约为125纳米。通过Zeta电位测量，该纳米颗粒呈现负电荷特性，Zeta电位为-16毫伏，这表明其表面带有负电荷。
纳米颗粒之间存在的静电斥力，是保障其物理稳定性的关键因素，能有效防止颗粒聚集。经过6天的观察，aCD20@Exo CTX/siPDK4外泌体纳米颗粒药物，其平均粒径维持在130±5.0纳米，PDI为0.18±0.03，而Zeta电位则为-16±1.2毫伏，均无显著变化。深入分析显示，PDI值低于0.2意味着纳米颗粒的分布非常均匀，这进一步印证了aCD20@Exo CTX/siPDK4在6天内的优异稳定性。
<aCD20@Exo CTX/siPDK4粒径及连续6天粒径、Zeta电位、PDI变化的结果统计图>
[1] 2. FCs和FMCs的DLS和Zeta测量
约25~80 nm的大小变化显示，随着线粒体（MT）的包封，脂质体逐渐增大。MT本身带有约为-38 mV的负电荷，而脂质体内则携带+40 mV或更高的正电荷。随着阳离子脂质DOTAP比例的增加，Zeta电位也相应上升。含有DOTAP的阳离子脂质体（如FC1和FC2）更易于通过静电相互作用与MT的阴离子膜结构结合，因此有利于MT的包裹。另一方面，FMCs（融合性线粒体囊泡）由中性脂质(PE)、阳离子脂质(DOTAP)、芳香脂质(Liss Rhod PE)以及三种不同比例的脂质体（FMC0、FMC1、FMC2）组成。数字代表各组分的不同比例；而FC则代表未包封线粒体的脂质体。
<nMT、FCs和FMCs的尺寸分布及Zeta电位测量结果统计图>
[2] 3. 细胞载体的DLS和Zeta测量
实验结果显示，不同粒径的细胞载体对细胞外聚合物（EPS）的生产具有显著影响。当细胞载体的粒径处于510 mm范围时，EPS的产量达到最高，表明这一粒径范围有利于EPS的分泌，进而促进生物膜的形成。同时，Zeta电位测量揭示，E3组（510 mm粒径）的Zeta电位绝对值最低，意味着该粒径范围的颗粒在发酵过程中更易发生聚集，进一步推动生物膜的形成。此外，5~10 mm粒径的细胞载体不仅通过增强生物膜的形成提供了稳定的微环境，还展现了优异的热稳定性和表面电荷特性，这些特性与其在发酵过程中性能的提升密不可分，进而促进了戊酸酯的高效生产。
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粒径对细胞外聚合物
(EPS)
生产和细胞载体特性的影响
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[3] 4. 聚苯乙烯颗粒的DLS和Zeta测量
本实验采用自由基悬浮聚合法，以C-PDA10表面活性剂为原料，成功制备了香豆素聚苯乙烯颗粒。通过DLS、SEM和TEM等多种手段对聚苯乙烯颗粒的尺寸和形貌进行了详细表征。光学显微照片（图A和图B）显示，这些颗粒呈现出良好的球形形态和相对均匀的尺寸分布，这与DLS的测量结果高度一致（图C）。同时，Zeta电位测量表明，这些聚苯乙烯颗粒在发酵过程中具有良好的稳定性和聚集特性，为进一步研究其在生物膜形成和戊酸酯高效生产中的应用提供了有力支持。
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以C-PDA10为稳定剂，在pH值8.5~9.0的条件下，我们观察到荧光光学显微镜下的聚苯乙烯颗粒形态（图A和图B）。同时，通过DLS和Zeta电位测量，我们进一步了解了这些颗粒的尺寸和稳定性（图C）。此外，我们还研究了氧化锌纳米粒子（NPs）和固定化木瓜蛋白酶的尺寸分布。纳米三角形粒子的DLS分析显示，氧化锌NPs的平均直径为193 nm，而固定化木瓜蛋白酶的平均尺寸为153 nm。值得注意的是，壳聚糖的掺入以及交联反应和酶的结合，都不会改变氧化锌的形状，这一观察结果与Kumar等人[5]和Rodrigues等人[6]的发现相一致。
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通过透射电子显微镜（TEM）观察到的氧化锌纳米粒子（NPs）和固定化木瓜蛋白酶的形态显示，两者均呈现出均匀的分布，且无明显的聚集现象。标尺为500 nm，可以清晰地看到纳米粒子的尺寸和形态。同时，我们还通过动态光散射仪（DLS）测量了这些纳米粒子的粒径分布，得到了直观的直方图。这些结果为我们进一步研究纳米粒子的超分子排列和粒径提供了有力的支持。
[7] 动态光散射仪是一种强大的技术，能够测量纳米尺度颗粒或分子在溶液中的尺寸分布和动态行为。通过分析光散射模式的时间变化，DLS能够推导出颗粒的尺寸范围、Zeta电位及其在溶液中的扩散系数。这种非侵入性的技术广泛应用于化学、生物学和材料科学等多个领域，成为现代科学研究中不可或缺的分析工具。
[3] Sun Y X, Fu J Q, Liu Y, et al. Cell carrier particle size effects on caproate fermentation in an immobilized system: Enhancing caproate production in batch and continuous modes[J]. Chemical Engineering Journal, 2023, 465: 13.
[4] Tajmoradi Z, Roghani-Mamaqani H, Salami-Kalajahi M. Cellulose nanocrystals grafted with multi-responsive copolymers containing cleavable o-nitrobenzyl ester units for droplet stabilization[J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 417: 12.
[5] Kumar B Y S, Isloor A M, Kumar G C M, et al. Nanohydroxyapatite-reinforced chitosan composite hydrogel for cartilage regeneration: Tunable mechanical and biological properties[J]. Scientific Reports, 2019, 9: 13.
[6] Rodrigues, N.F.M., Yotsumoto Neto, S., Luz, R.C.S., Damos, F.S., & Yamanaka, H. Development of an Ultrasensitive Malathion Biosensor Using Acetylcholinesterase Immobilized on Chitosan-Functionalized Magnetic Iron Nanoparticles[J]. Biosensors, 2018, 8(16), 1-12.
[7] Soares, A., Gonçalves, L.M.O., Ferreira, R.D.S., et al. Enzyme Immobilization of Papain on a Hybrid Support Integrating Zinc Oxide Nanoparticles and Chitosan for Potential Clinical Applications[J]. Carbohydrate Polymers, 2020, 243: 10.
