■沈興志
珠海歐美克儀器有限公司產(chǎn)品經(jīng)理，中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年理事會(huì)理事，主要從事粒度儀和近紅外光譜儀在多種不同領(lǐng)域的測(cè)試應(yīng)用解決方案研究、培訓(xùn)推廣等方面工作。協(xié)助粒度測(cè)試需求者開發(fā)和優(yōu)化合適的粒度測(cè)試方法，使粒度測(cè)試結(jié)果更可靠，粒度儀能真正為客戶所用，發(fā)揮其最佳的功能。為近紅外化學(xué)成分的定性定量預(yù)測(cè)需求者提供技術(shù)支持和化學(xué)計(jì)量學(xué)支持工作。
■什么是光散射現(xiàn)象
光線通過(guò)不均一環(huán)境時(shí)，發(fā)生的部分光線改變了傳播方向的現(xiàn)象被稱作光散射，這部分改變了傳播方向的光稱作散射光。宏觀上，從陽(yáng)光被大氣中空氣分子和液滴散射而來(lái)的藍(lán)天和紅霞到被水分子散射的蔚藍(lán)色海洋，光散射現(xiàn)象本質(zhì)都是光與物質(zhì)的相互作用。
■顆粒與光的相互作用
微觀上，當(dāng)一束光照在顆粒上，除部分光發(fā)生了散射，還有部分發(fā)生了反射、折射和吸收，對(duì)于少數(shù)特別的物質(zhì)還可能產(chǎn)生熒光、磷光等。當(dāng)入射光為具有相干性的單色光時(shí)，這些散射光相干后形成了特定的衍射圖樣，米氏散射理論是對(duì)此現(xiàn)象的科學(xué)表述。如果顆粒是球形，在入射光垂直的平面上觀察到稱為艾里斑的衍射圖樣。
▲ 顆粒散射激光形成艾里斑
■激光粒度儀原理
光散射的空間分布探測(cè)分析
▲ 艾里斑與光能分布曲線
當(dāng)我們觀察不同尺寸的顆粒形成的艾里斑時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)顆粒的尺寸大小與中間的明亮區(qū)域大小一般成反相關(guān)。現(xiàn)代的激光粒度儀設(shè)計(jì)中，通過(guò)在垂直入射光的平面距中心點(diǎn)不同角度處依次放置光電檢測(cè)器進(jìn)行粒子在空間中的光能分布進(jìn)行探測(cè)，將采集到的光能通過(guò)相關(guān)米氏散射理論反演計(jì)算，就可以得出待分析顆粒的尺寸了。這種以空間角度光能分布的測(cè)量分析樣品顆粒分散粒徑的儀器即是靜態(tài)光散射激光粒度儀，由于測(cè)試范圍寬、測(cè)試簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，該方法儀器使用最廣泛，通常被簡(jiǎn)稱為激光粒度儀。
根據(jù)激光波長(zhǎng)（可見光激光波長(zhǎng)在幾百納米）和顆粒尺寸的關(guān)系有以下三種情況：
1
當(dāng)顆粒尺寸遠(yuǎn)大于激光波長(zhǎng)時(shí)，艾里斑中心尺寸與顆粒尺寸的關(guān)系符合米氏散射理論在此種情況下的近似解，即夫瑯和費(fèi)衍射理論，老式激光粒度儀亦可以通過(guò)夫瑯和費(fèi)衍射理論快速準(zhǔn)確地計(jì)算粒徑分布。
2
當(dāng)顆粒尺寸與激光波長(zhǎng)接近時(shí)，顆粒的折射、透射和反射光線會(huì)較明顯地與散射光線疊加，可能表現(xiàn)出艾里斑的反常規(guī)變化，此時(shí)的散射光能分布符合考慮到這些影響的米氏散射理論規(guī)則。通過(guò)準(zhǔn)確的設(shè)定被檢測(cè)顆粒的折射率和吸收率參數(shù)，由米氏散射理論對(duì)空間光能分布進(jìn)行反演計(jì)算即可得出準(zhǔn)確的粒徑分布。
3
當(dāng)顆粒尺寸遠(yuǎn)小于激光波長(zhǎng)時(shí)，顆粒散射光在空間中的分布呈接近均勻的狀態(tài)（稱作瑞利散射），且隨粒徑變化不明顯，使得傳統(tǒng)的空間角度分布測(cè)量的激光粒度儀不再適用。
總的來(lái)說(shuō)，激光粒度儀一般最適于亞微米至毫米級(jí)顆粒的分析。
■納米粒度儀原理
光散射的時(shí)域漲落探測(cè)（動(dòng)態(tài)光散射）分析
對(duì)于小于激光波長(zhǎng)的懸浮體系納米顆粒的測(cè)量，一般通過(guò)對(duì)一定區(qū)域中測(cè)量納米顆粒的不定向地布朗運(yùn)動(dòng)速率來(lái)表征，動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)被用于此時(shí)的布朗運(yùn)動(dòng)速率評(píng)價(jià)，即通過(guò)散射光能漲落快慢的測(cè)量來(lái)計(jì)算。
顆粒越小，顆粒在介質(zhì)中的布朗運(yùn)動(dòng)速率越快，儀器監(jiān)測(cè)的小區(qū)域中顆粒散射光光強(qiáng)的漲落變化也越快。然而，當(dāng)顆粒大至微米極后，顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)速率顯著降低，同時(shí)重力導(dǎo)致的顆粒沉降和容器中介質(zhì)的紊流導(dǎo)致的顆粒對(duì)流運(yùn)動(dòng)等均變得無(wú)法忽視，限制了該粒徑測(cè)試方法的上限。基于以上原因，動(dòng)態(tài)光散射的納米粒度儀適宜測(cè)試零點(diǎn)幾個(gè)納米至幾個(gè)微米的顆粒。
■Zeta電位儀原理
電泳中顆粒光散射的相位探測(cè)分析
納米顆粒大多有較活潑的電化學(xué)特性，納米顆粒在介質(zhì)中滑動(dòng)平面所帶的電位被稱為Zeta電位。當(dāng)在樣品上加載電場(chǎng)后，帶電顆粒被驅(qū)動(dòng)做定向地電泳運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度與其Zeta電位的高低和正負(fù)有關(guān)。與測(cè)量布朗運(yùn)動(dòng)類似，納米粒度儀可以測(cè)量電場(chǎng)中帶電顆粒的電泳運(yùn)動(dòng)速度表征顆粒的帶電特性。
通常Zeta電位的絕對(duì)值越高，體系內(nèi)顆�；ハ嗯懦猓鼉A向與穩(wěn)定的分散。由于大顆粒帶電更多，電泳光散射方法適合測(cè)量2nm-100um范圍內(nèi)的顆粒Zeta電位。
■如何根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的儀器
為了區(qū)分兩種光散射粒度儀，激光粒度儀有時(shí)候又被稱作靜態(tài)光散射粒度儀，而納米粒度儀有時(shí)候也被稱作動(dòng)態(tài)光散射粒度儀。
需要說(shuō)明的是，由于這兩類粒度儀測(cè)量的是顆粒的散射光，而非對(duì)顆粒成像。如果多個(gè)顆�；ハ嗾凑吃谝黄鹜ㄟ^(guò)檢測(cè)區(qū)間時(shí)，會(huì)被當(dāng)作一個(gè)更大的顆�？创�。因此這兩種光散射粒度儀分析結(jié)果都反映的是顆粒的分散粒徑，即當(dāng)顆粒不完全分散于水、有機(jī)介質(zhì)或空氣中而形成團(tuán)聚、粘連、絮凝體時(shí)，它們測(cè)量的結(jié)果是不完全分散的聚集顆粒的粒徑。
綜上所述，在選購(gòu)粒度分析儀時(shí)，基于測(cè)量的原理宜根據(jù)以下要點(diǎn)進(jìn)行取舍：
1
樣品的整體顆粒尺寸。
根據(jù)具體質(zhì)量分析需要選擇對(duì)所測(cè)量尺寸變化更靈敏的技術(shù)。通常情況下，激光粒度儀適宜亞微米到幾個(gè)毫米范圍內(nèi)的粒徑分析；納米粒度儀適宜全納米亞微米尺寸的粒徑分析，這兩種技術(shù)測(cè)試能力在亞微米附近有所重疊。
▲ 顆粒的尺寸
▲ 動(dòng)態(tài)光散射NS-90Z納米粒度儀測(cè)試膠體金顆粒直徑
Z-average 34.15nm
2
樣品的顆粒離散程度。
一般情況下兩種儀器對(duì)于單分散和窄分布的顆粒粒徑測(cè)試都是可以輕易滿足的。對(duì)于顆粒分布較寬，即離散度高/顆粒中大小尺寸粒子差異較大的樣品，可以根據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)的需求選擇合適的儀器。
例如要對(duì)納米鈣的分散性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，關(guān)注其微米級(jí)團(tuán)聚顆粒的含量與納米顆粒的含量比例，有些工藝不良的情況下團(tuán)聚的顆粒可能達(dá)到十微米的量級(jí)，激光粒度儀對(duì)這部分尺寸和含量的評(píng)價(jià)真實(shí)性更高一些。如果需要對(duì)納米鈣的沉淀工藝進(jìn)行優(yōu)化，則需要關(guān)注的是未團(tuán)聚前的一般為幾十納米的原生顆粒，可以通過(guò)將團(tuán)聚大顆粒過(guò)濾或離心沉淀后，用納米粒度儀測(cè)試，結(jié)果可能具有更好的指導(dǎo)性，當(dāng)然條件允許的情況下也可以選用沉淀漿料直接測(cè)量分析。
有些時(shí)候樣品中有少量幾微米的大顆粒，如果只是定性判斷，納米粒度儀對(duì)這部分顆粒產(chǎn)生的光能更敏感，如果需要定量分析，則激光粒度儀的真實(shí)性更高。對(duì)于跨越納米和微米的樣品，我們經(jīng)常需要合適的進(jìn)行樣品前處理，根據(jù)質(zhì)量目標(biāo)選用最佳質(zhì)控性能的儀器。
▲ 顆粒的離散程度
▲ 靜態(tài)光散射法Topsizer激光粒度儀測(cè)試兩個(gè)不同配方工藝的疫苗制劑
▲ 動(dòng)態(tài)光散射NS-90Z納米粒度儀測(cè)試疫苗制劑直徑
上圖中，激光粒度儀測(cè)試結(jié)果下圖納米粒度儀的結(jié)果是來(lái)自同一個(gè)樣品，從分布圖和數(shù)據(jù)重現(xiàn)程度上看，1μm以下，納米粒度儀分辨能力優(yōu)于激光粒度儀；1μm以上顆粒的量的測(cè)試，激光粒度儀測(cè)試重現(xiàn)性優(yōu)于納米粒度儀；同時(shí)對(duì)于這樣的少量較大顆粒，動(dòng)態(tài)光散射納米粒度儀在技術(shù)上更敏感（測(cè)試的光能數(shù)據(jù)百分比更高）。
在此案例的測(cè)試儀器選擇時(shí)，最好根據(jù)質(zhì)控目標(biāo)來(lái)進(jìn)行，例如需要控制制劑中大顆粒含量批次之間的一致性可以選用激光粒度儀；如果是控制制劑納米顆粒的尺寸，或要優(yōu)化工藝避免微米極顆粒的存在，則選用動(dòng)態(tài)光散射納米粒度儀更適合。
3
測(cè)試樣品的狀態(tài) 。
激光粒度儀適合粉末、乳液、漿料、霧滴、氣溶膠等多種顆粒的測(cè)試，納米粒度儀適宜膠體、乳液、蛋白/核酸/聚合物大分子等液相樣品的測(cè)試。
通常激光粒度儀在樣品濃度較低的狀態(tài)下測(cè)試，對(duì)于顆粒物含量較高的樣品及粉末，需要在測(cè)試介質(zhì)中稀釋并分散后測(cè)試。對(duì)于在低濃度下容易團(tuán)聚或凝集的樣品，通常使用內(nèi)置或外置超聲輔助將顆粒分散，分散劑和穩(wěn)定劑的使用往往能幫助我們更好的分離松散團(tuán)聚的顆粒并避免顆粒再次團(tuán)聚。
納米粒度儀允許的樣品濃度范圍相對(duì)比較廣，多數(shù)樣品皆可在原生狀態(tài)下測(cè)試。對(duì)于稀釋可能產(chǎn)生不穩(wěn)定的樣品，如果測(cè)試尺寸在兩者都許可的范圍內(nèi)，優(yōu)先推薦使用納米粒度儀，通常他的測(cè)試許可濃度范圍更廣得多。
▲ 多種狀態(tài)的顆粒樣品
如果顆粒測(cè)試不穩(wěn)定，通常需要根據(jù)顆粒在介質(zhì)體系的狀況，例如是否微溶，是否親和，靜電力相互作用等，進(jìn)行測(cè)試方法的開發(fā)。
例如，通過(guò)在介質(zhì)中加入一定的助劑/分散劑/穩(wěn)定劑或改變介質(zhì)的類別或采用飽和溶液加樣法等，使得顆粒不易發(fā)生聚集且保持穩(wěn)定，大多數(shù)情況下也是可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)樣品粒徑信息的。當(dāng)然，在對(duì)顆粒進(jìn)行分散的同時(shí)，宜根據(jù)質(zhì)量分析的目的進(jìn)行恰當(dāng)?shù)姆稚�，過(guò)度的分散有時(shí)候可能會(huì)得到更小的直徑或更好重現(xiàn)性的數(shù)據(jù)，但不一定能很好地指導(dǎo)產(chǎn)品質(zhì)量。例如對(duì)脂質(zhì)體的樣品，超聲可能破壞顆粒結(jié)構(gòu)，使得粒徑測(cè)試結(jié)果失去質(zhì)控意義。
4
制劑穩(wěn)定性相關(guān)的表征。
顆粒制劑的穩(wěn)定性與顆粒的尺寸、表面電位、空間位阻、介質(zhì)體系等有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，顆粒分散粒徑越細(xì)越不容易沉降，因此顆粒間的相互作用和團(tuán)聚特性是對(duì)制劑穩(wěn)定性考察的重要一環(huán)。當(dāng)顆粒體系不穩(wěn)定時(shí)，則需要選用顆粒聚集/分散狀態(tài)粒徑測(cè)量相適宜的儀器。
此外，選用帶電位測(cè)量的納米粒度儀可以分析從幾個(gè)納米到100微米的顆粒的表面Zeta電位，是評(píng)估顆粒體系的穩(wěn)定性及優(yōu)化制劑配方、pH值等工藝條件的有力工具。
▲ 顆粒的分散狀態(tài)
5
顆粒的綜合表征。
顆粒的理化性質(zhì)與多種因素有關(guān)，任何表征方法都是對(duì)顆粒的某一方面的特性進(jìn)行的測(cè)試分析。要準(zhǔn)確且更系統(tǒng)地把控顆粒產(chǎn)品的應(yīng)用質(zhì)量，可以將多種分析方法的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，也可以輔助解答某一方法在測(cè)試中出現(xiàn)的一些不確定疑問(wèn)。例如結(jié)合圖像儀了解激光粒度儀測(cè)試時(shí)樣品分散是否充分，結(jié)合粒徑、電位、第二維利系數(shù)等的分析綜合判斷蛋白制劑不穩(wěn)定的可能原因等。
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