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Nicomp 380 系列納米激光粒度儀 
專為復(fù)雜體系提供高精度粒度解析方案
基本信息

儀器型號(hào)：N3000

工作原理：動(dòng)態(tài)光散射（Dynamic Light Scattering, DLS）

檢測(cè)范圍： 0.3nm-10.0μm

      Nicomp 380 N3000系列納米激光粒度儀是在原有的經(jīng)典型號(hào)380DLS基礎(chǔ)上升級(jí)配套而來(lái)，采用動(dòng)態(tài)光散射（Dynamic Light Scattering, DLS）原理檢測(cè)分析顆粒的粒度分布,，粒徑檢測(cè)范圍 0.3nm – 10μm,。其配套粒度分析軟件復(fù)合采用了高斯（ Gaussian）單峰算法和擁有**技術(shù)的 Nicomp 多峰算法，對(duì)于多組分,、粒徑分布不均勻分散體系的分析具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1,、APD（LDC）超高靈敏度檢測(cè)器,；

2、多角度檢測(cè)（multi angle）模塊,；

3,、可搭配不同功率光源；

4,、精確度高,，接近樣品真實(shí)值；

5,、快速檢測(cè),，可以追溯歷史數(shù)據(jù)；

6,、結(jié)果數(shù)據(jù)以多種形式和格式呈現(xiàn),；

7、符合USP,CP等個(gè)多藥典要求,；

8,、無(wú)需校準(zhǔn)；

9,、復(fù)合型算法：

（1）高斯（Gaussion）單峰算法與**的Nicomp多峰算法自由切換

10,、模塊化設(shè)計(jì)便于維護(hù)和升級(jí)；

（1）可自動(dòng)稀釋模塊**,；

（2）搭配多角度檢測(cè)器,；

（3）自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)（選配）；

Nicomp多峰分布概念

      基線調(diào)整自動(dòng)補(bǔ)償功能和高分辨率多峰算法是Nicomp 380系列儀器所獨(dú)有的兩個(gè)主要特點(diǎn)，Nicomp創(chuàng)始人Dave Nicole很早就認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光散射理論僅給出高斯模式的粒度分布,，這和實(shí)踐生產(chǎn)生活中不相符,，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中很多樣本是多分散體系，非單分散體系,，而且高斯分布靈敏性不足,，分辨率不高，這些特點(diǎn)都制約了納米粒度儀在實(shí)際生產(chǎn)生活中的使用,。其開(kāi)創(chuàng)性的開(kāi)創(chuàng)了Nicomp多峰分布理論,，大大提高了動(dòng)態(tài)光散射理論的分辨率和靈敏性。

圖一：Nicomp多分分布數(shù)據(jù)呈現(xiàn)

      如圖一：此數(shù)據(jù)為Nicomp創(chuàng)始人Dave Nicole親測(cè)其血液所得的真實(shí)案例,。其檢測(cè)項(xiàng)目為：高密度脂蛋白,，低密度脂蛋白和超低密度脂蛋白，由圖中可以看出,，其血液中三個(gè)組分的平均粒徑分別顯示在7.0nm,；29.3nm和217.5nm。由此可見(jiàn),，Nicomp分布模式可以有效反應(yīng)多組分體系的粒徑分布,。

Nicomp多峰分布優(yōu)勢(shì)

       Nicomp系列儀器均可以自由在Gaussian分布模式和Nicomp多峰分布模式中切換。其不僅可以給出傳統(tǒng)的DLS系統(tǒng)的結(jié)果,，更可以通過(guò)Nicomp多峰分布模式體現(xiàn)樣品的真實(shí)情況,。依托于Nicomp系列儀器一系列優(yōu)異的算法和高靈敏性的硬件設(shè)計(jì)，Nicomp納米激光粒度儀可以有效區(qū)分1:2的多分散體系,。

圖二：高斯分布及Nicomp多峰分布對(duì)比圖

      如圖二：此數(shù)據(jù)為檢測(cè)93nm和150nm的標(biāo)粒按照1:2的比例混合后所測(cè)得的數(shù)據(jù),。左邊為高斯分布（Gaussian）結(jié)果，右圖為Nicomp多峰分布算法結(jié)果,，兩者都為光強(qiáng)徑數(shù)據(jù),。從高斯分布可以得到此混合標(biāo)粒的平均粒徑為110nm-120nm之間，卻無(wú)法得到實(shí)際的多組分體系結(jié)構(gòu),。從右側(cè)的Nicomp多峰分布可以得到結(jié)果為雙峰,，即如數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，體系中的粒子主要分布于98.2nm以及190nm附近,，這和實(shí)際情況相符,。

      為滿足不同客戶的實(shí)際檢測(cè)需求，我司的Nicomp 380 N3000會(huì)配備相應(yīng)的配置,，旨在為客戶們?cè)诳刂瞥杀镜幕A(chǔ)上,，得到需求的解決方案，達(dá)到收益大化,。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

模塊化設(shè)計(jì)

      Nicomp 380納米激光粒度儀是全球率先在應(yīng)用動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)上的基礎(chǔ)上加入多模塊方法的先進(jìn)粒度儀,。隨著模塊的升級(jí)和增加,，Nicomp 380的功能體系越來(lái)越強(qiáng)大，可以用于各種復(fù)雜體系的檢測(cè)分析,。

自動(dòng)稀釋模塊

      帶有**的自動(dòng)稀釋模塊消除了人工稀釋高濃度樣品帶來(lái)的誤差,，且不需要人工不斷試錯(cuò)來(lái)獲得合適的測(cè)試濃度，這大大縮短了測(cè)試者寶貴時(shí)間,，且無(wú)需培訓(xùn),，測(cè)試結(jié)果重現(xiàn)性好，誤差率＜1%,。

380/HPLD大功率激光器

      美國(guó)PSS粒度儀公司在開(kāi)發(fā)儀器的過(guò)程中,，考慮到在各種極端實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件中不同的需求，對(duì)不同使用條件和環(huán)境配置了不同功率的激光發(fā)生器,。大功率的激光器可以對(duì)極小的粒子也能搜集到足夠的散射信號(hào),，使得儀器能夠得到極小粒子的粒徑分布。同樣,，大功率激光器在測(cè)試大粒子的時(shí)候同樣也很有幫助,，比如在檢測(cè)右旋糖酐大分子時(shí)，折射率的特性會(huì)引起光散射強(qiáng)度不足,。                                    

      因?yàn)榇蠊β始す馄鞯奶匦?，?huì)彌補(bǔ)散射光強(qiáng)的不足和衰減，測(cè)試極其微小的微乳,、表面活性劑膠束、蛋白質(zhì)以及其他大分子不再是一個(gè)苛刻的難題,。即使沒(méi)有色譜分離,，Nicomp 380納米粒徑分析儀甚至也可以輕易估算出生物高分子的聚集程度。

雪崩二極管 (APD-LDC)超高靈敏度檢測(cè)器

      Nicomp 380納米粒徑分析儀可以裝配各種大功率的激光發(fā)生器和軍品級(jí)別的雪崩二極管檢測(cè)器（相比較傳統(tǒng)的光電倍增管有7-10倍放大增益效果）,。

      APD通常被用于散射發(fā)生不明顯的體系里來(lái)增加信噪比和敏感度,，如蛋白質(zhì)、不溶性膠束,、濃度極低的體系以及大分子基團(tuán),，他們的顆粒的一般濃度為1mg/mL甚至更低，這些顆粒是由對(duì)光的散射不敏感的原子組成,。APD外置了一個(gè)大功率激光發(fā)生器模塊,，在非常短的時(shí)間內(nèi)就能檢測(cè)分析納米級(jí)顆粒的分布情況。

380/MA多角度檢測(cè)器

      粒徑大于100 nm的顆粒在激光的照射下不會(huì)朝著各個(gè)方向散射,。多角度檢測(cè)角器通過(guò)調(diào)節(jié)檢測(cè)角度來(lái)增加粒子對(duì)光的敏感性來(lái)測(cè)試某些特殊級(jí)別粒子,。Nicomp 380可以配備范圍在10°-175，步長(zhǎng)0.7°的多角度測(cè)角器,，從而使得單一90°檢測(cè)角測(cè)試不了的樣品,，通過(guò)調(diào)節(jié)角度進(jìn)行檢測(cè)，改善對(duì)大粒子多分散系粒徑分析的精確度。

工作原理

目錄結(jié)構(gòu)：
         1.前言
         2.動(dòng)態(tài)光散射原理
         3.動(dòng)態(tài)光散射理論：光的干涉
               小知識(shí)：光電倍增管（PMT)

        小知識(shí)：光電二極管（APD)

         5.粒子的擴(kuò)散效應(yīng)
         6.Stoke-Einstein方程式
         7.自相關(guān)函數(shù)原理

前言     

       近十幾年來(lái),，動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)（Dynamic Light scattering, DLS）,，也被稱為準(zhǔn)彈性光散射（quasi-elastic light scattering, QELS）或光子相關(guān)光譜法（photon correlation spectroscopy， PCS）,已經(jīng)被證明是表征液體中分散體系的粒徑分布（PSD）的極有用的分析工具,。DLS技術(shù)的有效檢測(cè)粒徑范圍——從5am（0.005微米）到10幾個(gè)微米,。DLS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯，尤其是當(dāng)檢測(cè)到300nm以下亞微米的粒徑范圍時(shí),，在此區(qū)間,，其他的技術(shù)手段大部分都已經(jīng)失效或者無(wú)法得到準(zhǔn)確的結(jié)果。因此,，基于DLS理論的設(shè)備儀器被廣泛采用用以表征特定體系的粒度分布,，包括合成的高分子聚合物(如乳膠，PVCs等),，水包油和油包水的乳劑,，囊泡，膠團(tuán),，微粒,，生物大分子，顏料,，燃料,，硅土，金屬晶體,，陶瓷和其他的膠體類混懸劑和分散體系,。

動(dòng)態(tài)光散射原理 

       下圖所示為DLS系統(tǒng)的簡(jiǎn)單的示意圖。激光照射到盛有稀釋的顆?；鞈乙旱牟Ａг嚬苤?。此玻璃試管溫度恒定，每一個(gè)粒子被入射光擊發(fā)后向各個(gè)方向散射,。散射光的光強(qiáng)值和粒徑的分子量或體積（在特定濃度下）成比例關(guān)系,，再帶入其他影響參數(shù)比如折射率，這就是經(jīng)典光散射（Classic light scattering)的理論基礎(chǔ),。

圖1：DLS系統(tǒng)示意圖

       動(dòng)態(tài)光散射方法（DLS）從傳統(tǒng)的光散射理論中分離,，不再關(guān)注于光散射的光強(qiáng)值，而關(guān)注于光強(qiáng)隨著時(shí)間的波動(dòng)行為,。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),，我們?cè)谝欢ń嵌龋ㄒ话闶褂?0°角）檢測(cè)分散溶劑中的混懸顆粒的總體散射光信息。由于粒度的擴(kuò)散,，光強(qiáng)值不斷波動(dòng),，理論上存在有非常理想化的波動(dòng)時(shí)間周期,，此波動(dòng)時(shí)間和粒子的擴(kuò)散速度呈反比例關(guān)系。我們通過(guò)光強(qiáng)值的波動(dòng)自相關(guān)函數(shù)的計(jì)算來(lái)獲得隨時(shí)間變化的衰減指數(shù)曲線,。從衰減時(shí)間常量τ,，我們可以獲得粒子的擴(kuò)散速度D。使用Stokes-Einstein 方程式,，我們就可以計(jì)算得出顆粒的半徑（假定其是一個(gè)圓球形狀）,。

動(dòng)態(tài)光散射理論：光的干涉

       為了容易理解什么叫做強(qiáng)度隨時(shí)間波動(dòng)，我們必須先理解相干疊加（coherent addition）或線性疊加（superposition）的概念,進(jìn)一步要知道檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的不同的粒子產(chǎn)生了很多獨(dú)立散射光,，這些獨(dú)立的散射光相干疊加或互相疊加的結(jié)果就是光強(qiáng),。這種物理現(xiàn)場(chǎng)被稱為“干涉”。下圖是光干涉圖樣,。

       每一束獨(dú)立的散射光波到達(dá)檢測(cè)器和入射激光波長(zhǎng)有相位關(guān)系,，這主要取決于懸浮液中顆粒的精確定位。所有的光波在PMT檢測(cè)器的表面的狹縫中混合在一起,，或者叫干涉在一起,，在特定的角度可以檢測(cè)得到“凈”散射光強(qiáng)值，在DLS系統(tǒng)中,，絕大部分都使用90度角,。

小知識(shí)——光電倍增管（PMT) 

       光電倍增管（Photomultiplier，簡(jiǎn)稱PMT）,，是一種對(duì)紫外光,、可見(jiàn)光和近紅外光極其敏感的特殊真空管。它能使進(jìn)入的微弱光信號(hào)增強(qiáng)至原本的108倍,，使光信號(hào)能被測(cè)量,。

光電倍增管示意圖

小知識(shí)——光電二極管（APD)

       光電倍增管是由玻璃封裝的真空裝置，其內(nèi)包含光電陰極 (photocathode),，幾個(gè)二次發(fā)射極 (dynode)和一個(gè)陽(yáng)極。入射光子撞擊光電陰極,，產(chǎn)生光電效應(yīng),，產(chǎn)生的光電子被聚焦到二次發(fā)射極。其后的工作原理如同電子倍增管,，電子被加速到二次發(fā)射極產(chǎn)生多個(gè)二次電子,，通常每個(gè)二次發(fā)射極的電位差在 100 到 200 伏特。二次電子流像瀑布一般,，經(jīng)過(guò)一連串的二次發(fā)射極使得電子倍增,，到達(dá)陽(yáng)極。一般光電倍增管的二次發(fā)射極是分離式的,，而電子倍增管的二次發(fā)射極是連續(xù)式的,。

應(yīng)用

       光電倍增管集高增益,，低干擾，對(duì)高頻信號(hào)有高靈敏度的優(yōu)點(diǎn),，因此被廣泛應(yīng)用于高能物理,、天文等領(lǐng)域的研究工作，與及流體流速計(jì)算,、醫(yī)學(xué)影像和連續(xù)鏡頭的剪輯,。雪崩光電二極管（Avalanche photodiodes，簡(jiǎn)稱APDs）為光電倍增管的替代品,。然而,，后者仍在大部份的應(yīng)用情況下被采用。

動(dòng)態(tài)光散射理論：  粒子的擴(kuò)散效應(yīng)

       懸浮的粒子并不是靜止不動(dòng)的,，相反,，他們以布朗運(yùn)動(dòng)（Brownian motion)的方式無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，布朗運(yùn)動(dòng)主要是由于臨近的溶劑分子沖撞而引起的,。因此,，到達(dá)PMT檢測(cè)區(qū)的每一束散射光隨時(shí)間也呈無(wú)規(guī)則波動(dòng)，這是由于產(chǎn)生散射光的粒子的位置不同而導(dǎo)致的無(wú)規(guī)則波動(dòng),。因?yàn)檫@些光互相干涉在一起,，在檢測(cè)器中檢測(cè)到的光強(qiáng)值就會(huì)隨時(shí)間而不斷波動(dòng)。粒子很小的位移需要在相位上產(chǎn)生很大的變化,，進(jìn)而產(chǎn)生有實(shí)際意義的波動(dòng),，這些波動(dòng)在凈光強(qiáng)值上反應(yīng)出來(lái)。
       DLS測(cè)量粒徑技術(shù)的關(guān)鍵物理概念是基于粒子的波動(dòng)時(shí)間周期是隨著粒子的粒徑大小而變化的,。為了簡(jiǎn)化這個(gè)概念,，我們現(xiàn)在假定粒子是均一大小的，具有相同的擴(kuò)散系數(shù)（diffusion coefficient),。分散體系中的小粒子運(yùn)動(dòng)的快,，將會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)波動(dòng)信號(hào)變化很快；而相反地,，大粒子擴(kuò)散地畢竟慢,，導(dǎo)致了光強(qiáng)值的變化比較慢。
        圖示4使用相同的時(shí)間周期來(lái)觀測(cè)不同大?。ㄐ?，中，大）的粒子產(chǎn)生的散射光強(qiáng)變化,請(qǐng)注意,，橫坐標(biāo)是時(shí)間t,。

我們需要再次強(qiáng)調(diào)，光強(qiáng)的波動(dòng)并不是因?yàn)闄z測(cè)區(qū)域內(nèi)粒子的增減引起的

 而是大量的粒子的位置變動(dòng)（位移）而引起的,。

Stokes Einstein Equation

        DLS技術(shù)的目標(biāo)是從原始數(shù)據(jù)（raw data)中確定粒子的擴(kuò)散系數(shù)“D”,。原始數(shù)據(jù)主要是指光強(qiáng)信號(hào)的波動(dòng),，比如上述圖4中所示。通過(guò)擴(kuò)散系數(shù)D我們可以很容易的計(jì)算出粒子的半徑,，這時(shí)候就是廣為人知的Stokes-Einstein方程式：
D=kT/6πηR    （2）
這里k 指的是玻爾茲曼常數(shù)1.38 x 10-16 erg K-1,；
T是真實(shí)溫度；
η是分散溶劑的額剪切粘度,，比如20℃的水的η=1.002×10-2 泊,；
        從上述公式2中我們可以看到，通常情況下,，粒子的擴(kuò)散系數(shù)D會(huì)隨著溫度T的上升而增加,。溫度進(jìn)而也會(huì)影響溶劑粘度η。例如,，純水的粘度在25℃下會(huì)落到0.890×10-2泊,，和20℃下相比會(huì)有10%的改變。毫無(wú)疑問(wèn),，溶劑的粘度越小,，粒子的無(wú)規(guī)則擴(kuò)散速度會(huì)越大，從而導(dǎo)致光強(qiáng)的波動(dòng)也越快,。因此,，溫度T的變化和粒徑的變化是完全分不開(kāi)的，因?yàn)樗麄兌加绊懙搅藬U(kuò)散系數(shù)D,。正因?yàn)檫@個(gè)原因,，樣本的溫度必須保持恒定，而且必須非常精確,，這樣才能獲得有實(shí)際意義的擴(kuò)散系數(shù)D,。
        從圖4的“噪聲”信號(hào)中無(wú)法直接提取出擴(kuò)散系數(shù)。但是可以清楚地看到,，信號(hào)b比信號(hào)c波動(dòng)地快,，但是比信號(hào)a波動(dòng)地慢，因?yàn)?，信?hào)b地粒徑一定在a和c之間,，這只是很直觀地得到一個(gè)結(jié)論而已。然而,，量化此種散射信號(hào)是一個(gè)很專業(yè)地課題。幸而,，我們有數(shù)學(xué)方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,，這就是自相關(guān)函數(shù)（auto-correlation)。

自相關(guān)函數(shù)原理

       現(xiàn)在讓我們?cè)O(shè)定散射光強(qiáng)的自相關(guān)函數(shù)為IS(t),，在上述圖4中可以看到其隨時(shí)間而波動(dòng),。我們用C(t’)來(lái)標(biāo)識(shí)自相關(guān)函數(shù),。C(t’)可以通過(guò)如下方程式3來(lái)表達(dá)：
C(t&rsquo;)=< Is(t)*Is(t-t&rsquo;) >    (3)
括號(hào)< >表示有很多個(gè)t和對(duì)應(yīng)的Is值。也就是說(shuō),，一次計(jì)算就是運(yùn)行很多Is(t)*Is(t-t&rsquo;) 的加和,，所有都具有相同的間隔時(shí)間段t&rsquo;。
       圖5是典型的Is(t)的波形圖,，通過(guò)這張圖,，我們可以認(rèn)為C(t&rsquo;)和Is(t)之間有簡(jiǎn)單的比例關(guān)系，這張圖的意義在于通過(guò)C(t&rsquo;)函數(shù)可以通過(guò)散射光強(qiáng)Is(t)的波動(dòng)變化&ldquo;萃取&rdquo;出非常有用的信息,。

       自相關(guān)函數(shù)C(t&rsquo;)其實(shí)是表征的不同大小的粒子隨時(shí)間而衰變的規(guī)律,。

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