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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：Z3000 

工作原理：

粒度分布：動態(tài)光散射（Dynamic Light Scattering, DLS）

ZETA電位：多普勒電泳光散射原理（Doppler Electrophoretic Light Scattering, DELS）

檢測范圍： 

粒徑范圍 0.3nm-10.0μm

ZETA電位 +/- 500mV

Nicomp 380 Z3000系列納米激光粒度儀是在原有的經(jīng)典型號380ZLS&S基礎(chǔ)上升級配套而來,，采用動態(tài)光散射（Dynamic Light Scattering, DLS）原理檢測分析顆粒的粒度分布，同機采用多普勒電泳光散射原理（Doppler Electrophoretic Light Scattering, DELS）檢測ZETA電位,。粒徑檢測范圍 0.3nm – 10μm,，ZETA電位檢測范圍為+/- 500mV。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,，對于多組分,、粒徑分布不均勻分散體系的分析具有獨特優(yōu)勢。ZETA電位模塊使用雙列直插式方形樣品池和鈀電極,，一個電極可以使用成千上萬次,。另外，采用可變電場適應(yīng)不同的樣品檢測需求,。既保證檢測精度,，亦幫用戶大大節(jié)省檢測成本。

技術(shù)優(yōu)勢

1,、APD&PMT雙檢測器,；

2、多角度檢測（multi angle）模塊,；

3,、可搭配不同功率光源；

4,、雙列直插式電極和樣品池,，可反復(fù)使用成千上萬次；

5,、鈀電極,；

6、精確度高,，*接近樣品真實值,；

7、復(fù)合型算法：

 高斯（Gaussion）單峰算法與**的Nicomp多峰算法自由切換

 相位分析法（PALS)和頻譜分析法（FALS）自由切換

8,、快速檢測，可以追溯歷史數(shù)據(jù),；

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

10,、符合USP,CP等個多藥典要求,；

11、無需校準,；

12,、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)計便于維護和升級；

（1）可自動稀釋模塊**,；

（2）搭配多角度檢測器,；

（3）自動進樣系統(tǒng)（選配）；

380/MA多角度檢測器

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

Nicomp多峰分布概念

      基線調(diào)整自動補償功能和高分辨率多峰算法是Nicomp 380系列儀器所獨有的兩個主要特點,，Nicomp創(chuàng)始人Dave Nicole很早就認識到傳統(tǒng)的動態(tài)光散射理論僅給出高斯模式的粒度分布，這和實踐生產(chǎn)生活中不相符,，因為現(xiàn)實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,，這些特點都制約了納米粒度儀在實際生產(chǎn)生活中的使用。其開創(chuàng)性的開創(chuàng)了Nicomp多峰分布理論,，大大提高了動態(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親測其血液所得的真實案例。其檢測項目為：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，其血液中三個組分的平均粒徑分別顯示在7.0nm,；29.3nm和217.5nm,。由此可見，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

       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Nicomp多峰分布模式體現(xiàn)樣品的真實情況,。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,，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多峰分布對比圖

      如圖二：此數(shù)據(jù)為檢測93nm和150nm的標粒按照1:2的比例混合后所測得的數(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，兩者都為光強徑數(shù)據(jù),。從高斯分布可以得到此混合標粒的平均粒徑為110nm-120nm之間,，卻無法得到實際的多組分體系結(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,，這和實際情況相符。

      為滿足不同客戶的實際檢測需求,，我司的Nicomp 380 N3000會配備相應(yīng)的配置,，旨在為客戶們在控制成本的基礎(chǔ)上，得到需求的解決方案,，達到收益**化,。

產(chǎn)品優(yōu)勢

模塊化設(shè)計

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

自動稀釋模塊

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

380/HPLD大功率激光器

      美國PSS粒度儀公司在開發(fā)儀器的過程中,，考慮到在各種極端實驗測試條件中不同的需求,，對不同使用條件和環(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極小的粒子也能搜集到足夠的散射信號,，使得儀器能夠得到極小粒子的粒徑分布,。同樣，大功率激光器在測試大粒子的時候同樣也很有幫助,，比如在檢測右旋糖酐大分子時,，折射率的特性會引起光散射強度不足。                                    

      因為大功率激光器的特性,，會彌補散射光強的不足和衰減,，測試極其微小的微乳、表面活性劑膠束,、蛋白質(zhì)以及其他大分子不再是一個苛刻的難題,。即使沒有色譜分離，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)高靈敏度檢測器

      Nicomp 380納米粒徑分析儀可以裝配各種大功率的激光發(fā)生器和軍品級別的雪崩二極管檢測器（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，他們的顆粒的一般濃度為1mg/mL甚至更低,，這些顆粒是由對光的散射不敏感的原子組成,。APD外置了一個大功率激光發(fā)生器模塊，在非常短的時間內(nèi)就能檢測分析納米級顆粒的分布情況,。

380/MA多角度檢測器

      粒徑大于100 nm的顆粒在激光的照射下不會朝著各個方向散射,。多角度檢測角器通過調(diào)節(jié)檢測角度來增加粒子對光的敏感性來測試某些特殊級別粒子。Nicomp 380可以配備范圍在10°-175,，步長0.7°的多角度測角器,，從而使得單一90°檢測角測試不了的樣品，通過調(diào)節(jié)角度進行檢測,，改善對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. 動態(tài)光散射粒度儀原理

3. 動態(tài)光散射理論：光的干涉

4. 粒子的擴散效應(yīng)

5. Stoke-Einstein方程式

6. 自相關(guān)函數(shù)原理

7. ZETA電勢電位原理

前言     

       近十幾年來,，動態(tài)光散射技術(shù)（Dynamic Light scattering, DLS）,，也被稱為準彈性光散射（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)的有效檢測粒徑范圍——從5am（0.005微米）到10幾個微米,。DLS技術(shù)的優(yōu)勢相當明顯,，尤其是當檢測到300nm以下亞微米的粒徑范圍時,，在此區(qū)間,，其他的技術(shù)手段大部分都已經(jīng)失效或者無法得到準確的結(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,，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,。

動態(tài)光散射原理 

       下圖所示為DLS系統(tǒng)的簡單的示意圖,。激光照射到盛有稀釋的顆粒混懸液的玻璃試管中,。此玻璃試管溫度恒定,，每一個粒子被入射光擊發(fā)后向各個方向散射,。散射光的光強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

**的動態(tài)光散射方法（DLS）從傳統(tǒng)的光散射理論中分離,，不再關(guān)注于光散射的光強值，而關(guān)注于光強隨著時間的波動行為,。簡單來說,，我們在一定角度（一般使用90°角）檢測分散溶劑中的混懸顆粒的總體散射光信息,。由于粒度的擴散,，光強值不斷波動,，理論上存在有非常理想化的波動時間周期，此波動時間和粒子的擴散速度呈反比例關(guān)系,。我們通過光強值的波動自相關(guān)函數(shù)的計算來獲得隨時間變化的衰減指數(shù)曲線,。從衰減時間常量τ，我們可以獲得粒子的擴散速度D,。使用Stokes-Einstein 方程式,，我們*終可以計算得出顆粒的半徑（假定其是一個圓球形狀）。

動態(tài)光散射理論：光的干涉

       為了容易理解什么叫做強度隨時間波動,，我們必須先理解相干疊加（coherent addition）或線性疊加（superposition）的概念,進一步要知道檢測區(qū)域內(nèi)的不同的粒子產(chǎn)生了很多獨立散射光,，這些獨立的散射光相干疊加或互相疊加的*終結(jié)果就是光強。這種物理現(xiàn)場被稱為“干涉”,。下圖是光干涉圖樣,。

       每一束獨立的散射光波到達檢測器和入射激光波長有相位關(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檢測器的表面的狹縫中混合在一起,，或者叫干涉在一起，*終在特定的角度可以檢測得到“凈”散射光強值,，在DLS系統(tǒng)中,，絕大部分都使用90度角。

小知識——光電倍增管（PMT) 

       光電倍增管（Photomultiplier,，簡稱PMT）,，是一種對紫外光,、可見光和近紅外光極其敏感的特殊真空管。它能使進入的微弱光信號增強至原本的108倍,，使光信號能被測量,。

光電倍增管示意圖

小知識——光電倍增管（PMT)

MT)

光電倍增管（Photomultiplier，簡稱PMT）,，是一種對紫外光,、可見光和近紅外光極其敏感的特殊真空管。它能使進入的微弱光信號增強至原本的108倍,，使光信號能被測量,。

光電倍增管示意圖

工作原理

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),，幾個二次發(fā)射極 (dynode)和一個陽極,。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)生多個二次電子,，通常每個二次發(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)過一連串的二次發(fā)射極使得電子倍增,，*后到達陽極,。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，對高頻信號有高靈敏度的優(yōu)點,，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。

動態(tài)光散射理論：  粒子的擴散效應(yīng)

       懸浮的粒子并不是靜止不動的,，相反,，他們以布朗運動（Brownian motion)的方式無規(guī)則的運動，布朗運動主要是由于臨近的溶劑分子沖撞而引起的,。因此,，到達PMT檢測區(qū)的每一束散射光隨時間也呈無規(guī)則波動,，這是由于產(chǎn)生散射光的粒子的位置不同而導(dǎo)致的無規(guī)則波動。因為這些光互相干涉在一起,，在檢測器中檢測到的光強值就會隨時間而不斷波動,。粒子很小的位移需要在相位上產(chǎn)生很大的變化，進而產(chǎn)生有實際意義的波動,，*終這些波動在凈光強值上反應(yīng)出來,。
       DLS測量粒徑技術(shù)的關(guān)鍵物理概念是基于粒子的波動時間周期是隨著粒子的粒徑大小而變化的。為了簡化這個概念,，我們現(xiàn)在假定粒子是均一大小的,，具有相同的擴散系數(shù)（diffusion coefficient)。分散體系中的小粒子運動的快,，將會導(dǎo)致光強波動信號變化很快,；而相反地，大粒子擴散地畢竟慢,，導(dǎo)致了光強值的變化比較慢,。
        圖示4使用相同的時間周期來觀測不同大小（小,，中,，大）的粒子產(chǎn)生的散射光強變化,請注意，橫坐標是時間t,。

我們需要再次強調(diào),，光強的波動并不是因為檢測區(qū)域內(nèi)粒子的增減引起的

 而是大量的粒子的位置變動（位移）而引起的。

Stokes Einstein Equation

        DLS技術(shù)的目標是從原始數(shù)據(jù)（raw data)中確定粒子的擴散系數(shù)“D”,。原始數(shù)據(jù)主要是指光強信號的波動，比如上述圖4中所示,。通過擴散系數(shù)D我們可以很容易的計算出粒子的半徑,，這時候就是廣為人知的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**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,，粒子的擴散系數(shù)D會隨著溫度T的上升而增加。溫度進而也會影響溶劑粘度η,。例如,，純水的粘度在25℃下會落到0.890×10-2泊，和20℃下相比會有10%的改變,。毫無疑問,，溶劑的粘度越小,，粒子的無規(guī)則擴散速度會越大，從而導(dǎo)致光強的波動也越快,。因此,，溫度T的變化和粒徑的變化是完全分不開的，因為他們都影響到了擴散系數(shù)D,。正因為這個原因,，樣本的溫度必須保持恒定，而且必須非常精確,，這樣才能獲得有實際意義的擴散系數(shù)D,。
        從圖4的“噪聲”信號中無法直接提取出擴散系數(shù)。但是可以清楚地看到,，信號b比信號c波動地快,，但是比信號a波動地慢，因為,，信號b地粒徑一定在a和c之間,，這只是很直觀地得到一個結(jié)論而已。然而,，量化此種散射信號是一個很專業(yè)地課題,。幸而，我們有數(shù)學(xué)方法來解決這個問題,，這就是自相關(guān)函數(shù)（auto-correlation),。

自相關(guān)函數(shù)原理

       現(xiàn)在讓我們設(shè)定散射光強的自相關(guān)函數(shù)為IS(t)，在上述圖4中可以看到其隨時間而波動,。我們用C(t’)來標識自相關(guān)函數(shù),。C(t’)可以通過如下方程式3來表達：
C(t’)=< Is(t)*Is(t-t’) >    (3)
括號< >表示有很多個t和對應(yīng)的Is值。也就是說,，一次計算就是運行很多Is(t)*Is(t-t’) 的加和,，所有都具有相同的間隔時間段t’。
       圖5是典型的Is(t)的波形圖,，通過這張圖,，我們可以認為C(t’)和Is(t)之間有簡單的比例關(guān)系，這張圖的意義在于通過C(t’)函數(shù)可以通過散射光強Is(t)的波動變化“萃取”出非常有用的信息,。

       自相關(guān)函數(shù)C(t’)其實是表征的不同大小的粒子隨時間而衰變的規(guī)律,。

Zeta電勢電位原理

1.1 什么是ZETA電勢電位

1.2 STERN雙電子層

1.3 DLS散射系統(tǒng)是如何測ZETA電位的？

什么是ZETA電勢電位

Zeta電位（Zeta potential）是指剪切面(Shear Plane)的電位,，又叫電動電位或電動電勢（ζ-電位或ζ-電勢）,，是表征膠體分散系穩(wěn)定性的重要指標。

我們知道膠體系統(tǒng)中有兩個相，分散相和連續(xù)相,，分散相在納米和亞微米之間,。因為微粒的粒徑很小，因此它比表面積大從而有一些增強屬性使其穩(wěn)定懸浮,。但是如果微粒開始絮凝,，微粒的粒徑改變，性能也可能發(fā)生變化,，如果不加以控制,，絮凝體也可能進一步團聚形成沉淀，接著就會相位分離,。當我們建立穩(wěn)定分散體系時,，我們需要維持微粒的穩(wěn)定與分散，其中一個方法就是增強微粒表面電荷,，然后這些微粒將帶偶極矩互相之間產(chǎn)生排斥,，隨著微粒電荷的增加，微粒團聚而形成絮凝的幾率降低,。讓微粒分散,，帶正電荷還是帶負電荷并不重要，重要的是電荷的**值,。我們研究微粒表面電荷的方法就是Zeta電勢電位,。

STERN雙電子層

圖 1膠團模型

膠核表面擁有一層離子，稱為電位離子,，電位離子通過靜電作用,，把溶液中電荷相反的離子吸引到膠核周圍，被吸引的離子稱為反離子,，越靠近膠核表面的地方反離子越密集,，相反，越遠的地方反離子越稀疏,，他們的電荷總量與電位離子相等并且符號相反,。因此，整個膠團是處于電中性狀態(tài),，而膠核表面電勢是**的，根據(jù)定義Zeta電位即為膠核表面電勢,。

圖 2 STERN雙電子層模型

STERN雙電子層即為膠核表面以及擴散層共同形成的電子層模型,，值得注意的是擴散層中帶電離子是分布在連續(xù)相中，因此其與分散介質(zhì)息息相關(guān)（例如：通過水分散的體系,，擴散層離子濃度以及擴散層寬度與水有很大關(guān)聯(lián)）,，所以擴散層都沒有明確的邊界。

DLS散射系統(tǒng)如何測ZETA電位

目前測量ZETA電位的方法主要有電泳法、電滲法,、流動電位法以及超聲波法,。Nicomp Z3000采用的是主流的電泳法測試ZETA。

圖 3 儀器內(nèi)部光路圖

圖3是Nicomp 380 Z3000設(shè)備內(nèi)部的光路圖,，激光通過一個分光器分成兩組光路,，一組通過反射鏡直接進入檢測器，另一組經(jīng)過一個可調(diào)節(jié)的濾光片后,，再經(jīng)由微粒散射進入到相關(guān)檢測器中,。觀察兩組相干光的頻率變化或者相位變化，從而計算得出ZETA電勢電位,。

從微觀角度來理解ZETA電位的計算,，微粒由于帶電量或是帶點符號不同，其在電場作用下的運動狀態(tài)也會不同,，這種運動狀態(tài)我們用電泳淌度μ（帶電離子在單位場強下的平均電泳遷移速率）來表征,，我們通過檢測器觀察到的兩組相干光的頻率或是相位變化，結(jié)合電場強度,，相干光波長等參數(shù)通過簡單的數(shù)學(xué)建模計算得出粒子的電泳淌度μ,，*終ZETA電位通過公式：

換算得出。η為分散劑的剪切粘度,，ε為分散劑的介電常數(shù),。

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配件

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