隨著納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，納米材料在生物醫(yī)藥、催化、電子器件、環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，并逐漸滲透到我們的日常生活中。納米顆粒通常在10-1000 nm之間，使得它們表現(xiàn)出與傳統(tǒng)宏觀材料截然不同的物理、化學(xué)及生物學(xué)特性。這些特性使得納米顆粒在藥物遞送、診斷、治療等生物醫(yī)藥領(lǐng)域中具有極大的應(yīng)用價(jià)值。因此，納米顆粒的表征成為了納米材料研究中的重要環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確的粒徑、數(shù)量、濃度、形態(tài)、表面特性以及電學(xué)性質(zhì)的分析，不僅有助于深入理解其構(gòu)效關(guān)系，也為開發(fā)新型納米技術(shù)和優(yōu)化現(xiàn)有應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。根據(jù)原理及算法的不同，不同的納米顆粒粒度表征方法會(huì)向用戶提供多種數(shù)據(jù)結(jié)果，本文將詳細(xì)介紹在納米顆粒的表征實(shí)驗(yàn)中較為重要的數(shù)據(jù)及參數(shù)含義。
有關(guān)顆粒粒徑的關(guān)鍵參數(shù)
平均粒徑 (Mean Size) ：
平均粒徑是指樣品中所有顆粒粒徑分布的平均，代表了樣本的一般大小。通常采用算術(shù)平均值進(jìn)行計(jì)算，即所有檢測(cè)顆粒粒徑之和除以顆粒的總數(shù)。它是顆粒分布的一個(gè)重要特征參數(shù)，但在多分散體系中，容易受到顆粒和檢測(cè)方法量程 (LOD) 的影響，因此只能作為粗略估計(jì)來參考。
公式：
其中，
為每個(gè)顆粒的粒徑，n為顆粒數(shù)目。
粒徑標(biāo)準(zhǔn)差 (StdDev Size) ：
粒徑標(biāo)準(zhǔn)差 (Standard Deviation, STD) 是對(duì)顆粒尺寸分布的離散程度進(jìn)行量化的一個(gè)指標(biāo)，表示粒徑偏離其平均值的程度。標(biāo)準(zhǔn)差越大，意味著顆粒尺寸的變化越大，樣品的多分散性越強(qiáng)。標(biāo)準(zhǔn)差通常是根據(jù)顆粒的粒徑分布計(jì)算而來的，能夠反映粒徑分布的均勻性。
公式：
其中，是單個(gè)顆粒的粒徑，
為顆粒的平均粒徑。
集中粒徑 (Mode Size) ：
集中粒徑是樣本的粒徑分布中出現(xiàn)頻率最高的粒徑值。它代表了顆粒分布中最常見的粒徑大小。與平均粒徑相比，集中粒徑更能反映樣品中最主要的顆粒群體。在高度單分散的樣品中，集中粒徑與平均粒徑通常非常接近。
中位粒徑 (Median Size) ：
中位粒徑（D50，也稱粒徑中位值）， 是指在顆粒分布中，恰好一半顆粒的粒徑大于此值，另一半小于此值的粒徑。它是粒徑分布的中心值，能夠較好地反映粒徑分布的典型特征，尤其適用于非對(duì)稱或多峰分布的樣品。D50的物理意義：即大于或小于該直徑的顆粒的體積（個(gè)數(shù)）各占顆?？傮w積（總數(shù)）的50%。
D90 ：
D90表示顆粒尺寸分布中，90%的顆粒體積（數(shù)量）小于此粒徑。尤其是在多分散體系中，D90與D10值相對(duì)，代表顆粒分布的較大一部分，通常與顆粒的最大尺寸 (Max Size) 相關(guān)。也常寫做Dv0.9或Dv09。
D10 ：
D10表示顆粒尺寸分布中，10%的顆粒體積（數(shù)量）小于此粒徑。與D90值相對(duì)，D10代表顆粒分布的較小一部分，通常與顆粒的最小尺寸 (Min Size) 相關(guān)。也常寫做Dv0.1或Dv01。此外，還可以用D03和D97等來表示顆粒的分布情況。D03或Dv03表示小于該直徑的顆粒占顆?？傮w積（數(shù)量）的3%，依此類推。
跨距 (Span) ：
跨距 (Span) 是用來量化顆粒尺寸分布寬度的一個(gè)參數(shù)，反映了顆粒尺寸的分散程度。它是通過D90、D50和D10來計(jì)算的，通常在描述粒徑分布不均勻的情況下使用。跨距值越大，表示粒徑分布越寬，樣品越不均勻。
公式：
其中，D90、D10和D50分別為90%、10%和50%的顆粒數(shù)量小于此粒徑。
分散系數(shù) (Dispersion Coefficient) ：
分散系數(shù)是用于定量描述多分散或分布不均勻的顆粒樣本中每一組分的分散程度，更適用于表示多分布樣本中各個(gè)組分的分布情況。分散系數(shù)常與粒徑標(biāo)準(zhǔn)差一起使用，能夠更好地表征顆粒的分散效果。算法說明：獲得樣本的實(shí)際分布后；如樣本為多個(gè)峰混合樣本，則分析出多組分布。針對(duì)每一組分布分別計(jì)算STD值（粒徑標(biāo)準(zhǔn)差）與該組分平均粒徑的比值，取各組中最大的比值即為分散系數(shù)的取值。分散系數(shù)亦可與參數(shù)span聯(lián)合使用，分散系數(shù)更精細(xì)的分析樣本分散性，尤其在多分布的情況下，分散系數(shù)能更加精確的表征樣本的分散情況，不受多分布的影響；使用時(shí)可同時(shí)選用分散系數(shù)和span值進(jìn)行綜合評(píng)估樣本情況。而在單分布情況下，分散系數(shù)與span僅為不同的表征形式，選用其一作為參照即可。
有關(guān)顆粒數(shù)濃度的關(guān)鍵參數(shù)
稀釋倍數(shù) (Dilution Factor) ：
稀釋倍數(shù)是指樣品在測(cè)試前稀釋時(shí)，原始樣品與稀釋后溶液體積的比例關(guān)系。它用于確保測(cè)試儀器在其適當(dāng)?shù)臋z測(cè)范圍內(nèi)工作，同時(shí)避免由于濃度過高導(dǎo)致顆粒重疊或多重效應(yīng)的干擾。在納米顆粒表征中，稀釋倍數(shù)是計(jì)算原始樣品濃度的關(guān)鍵參數(shù)之一。需要注意的是，稀釋過程中可能引入誤差，因此需使用精確的移液工具，并充分混勻樣品以保證稀釋的均勻性。
測(cè)試顆粒數(shù)量 (Particle Number) ：
顆粒數(shù)量在此特指一次測(cè)試中被檢測(cè)到的納米顆?？倲?shù)，通常是通過儀器直接記錄并用于統(tǒng)計(jì)分析的樣本量。這一參數(shù)反映了在測(cè)試過程中實(shí)際被測(cè)樣本中參與測(cè)量的顆粒數(shù)量，是計(jì)算顆粒濃度的重要依據(jù)。顆粒數(shù)量的高低對(duì)下游數(shù)據(jù)分析至關(guān)重要：低濃度樣本：顆粒數(shù)量不足可能導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)學(xué)誤差；高濃度樣本：顆粒數(shù)量過多可能造成顆粒重疊或檢測(cè)效率降低。在實(shí)際應(yīng)用中，顆粒數(shù)量通常通過以下方法計(jì)算或測(cè)量：
- 電阻脈沖感應(yīng)法 (RPS)：?jiǎn)晤w粒被逐一檢測(cè)并計(jì)數(shù)，因此顆粒數(shù)量直接來源于測(cè)試記錄；
- 動(dòng)態(tài)光散射法 (DLS)：間接估算顆粒濃度；
- 顯微成像法：通過圖像分析計(jì)數(shù)顆粒數(shù)量；
- 在其他測(cè)試方法中，顆粒數(shù)量也可通過儀器計(jì)算得出，結(jié)合樣本體積即可確定濃度。
測(cè)試濃度 (Concentration) ：
測(cè)試濃度（即上樣濃度）是指稀釋后的樣品在測(cè)試時(shí)的實(shí)際濃度。它是通過將納米顆粒分散在溶劑中，并經(jīng)過適當(dāng)?shù)南♂屘幚砗?，用于儀器檢測(cè)的濃度，是實(shí)驗(yàn)中直接測(cè)量的濃度值，通常以顆粒數(shù)量（如particle/mL）或質(zhì)量（如mg/mL）為單位進(jìn)行表示。測(cè)試濃度的范圍反映了儀器測(cè)量的靈敏度和準(zhǔn)確性，過高的濃度可能導(dǎo)致顆粒重疊或阻塞，而過低的濃度則可能導(dǎo)致信噪比不足。
公式：
其中，Ctest表示測(cè)試濃度，Nparticles是測(cè)試顆粒的數(shù)量，Vsample是實(shí)際測(cè)試樣品的體積。
濃度檢測(cè)的考慮因素：
原始濃度 (Original Concentration) ：
原始濃度是指納米顆粒在制備或純化完成后未經(jīng)稀釋的樣品中的初始濃度，通常是最終分析的目標(biāo)值。它是樣本在實(shí)際應(yīng)用或研究中的基準(zhǔn)濃度，反映了制備過程中納米顆粒的總量和分布狀態(tài)，可以幫助研究人員了解納米顆粒的制備工藝、產(chǎn)率以及在實(shí)際應(yīng)用中的濃度范圍。原始濃度的準(zhǔn)確測(cè)定在許多領(lǐng)域具有重要意義，例如藥物遞送系統(tǒng)中的劑量控制、診斷試劑的靈敏度評(píng)估等。通過結(jié)合稀釋倍數(shù)和測(cè)試濃度，可以準(zhǔn)確地計(jì)算原始樣品中的納米顆粒數(shù)濃度。
公式：
其中，Coriginal表示原始濃度， Ctest表示測(cè)試濃度，n表示稀釋倍數(shù)。
有關(guān)顆粒表面電荷的關(guān)鍵參數(shù)
Zeta電位 (Zeta Potential) ：
Zeta電位是指納米顆粒表面雙電層的滑移剪切面 (Shear Layer) 處電位差，是表征顆粒表面電荷特性的重要參數(shù)。它反映了顆粒在液體介質(zhì)中的電荷狀態(tài)，直接影響顆粒的穩(wěn)定性、分散性以及相互作用行為。Zeta電位通常以毫伏 (mV) 單位表示，其絕對(duì)值越高，顆粒的靜電斥力越強(qiáng)，懸浮液的穩(wěn)定性也越高。Zeta電位的變化可能源于顆粒表面的化學(xué)修飾、溶液的pH值、離子強(qiáng)度等環(huán)境條件，因此是納米顆粒功能化和環(huán)境響應(yīng)性能研究的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)的Zeta電位測(cè)試方法通?；诠鈱W(xué)或電泳測(cè)量，提供的是樣品整體的平均Zeta電位。然而，這些方法難以反映樣品中不同顆粒的個(gè)體特性，尤其是在異質(zhì)性較高的混合樣品中。單顆粒Zeta電位檢測(cè)通過逐一測(cè)量每個(gè)顆粒的表面電荷特性，可以提供更多關(guān)鍵信息：
- 顆粒間的電荷差異：揭示樣品的電荷分布異質(zhì)性，為研究顆粒修飾、表面改性等提供更精確的數(shù)據(jù)。基于RPS技術(shù)的單顆粒電位分析還可以提供顆粒電位與粒徑的相互關(guān)系。
- 樣品的電荷均一性：幫助評(píng)估樣品制備過程的穩(wěn)定性和一致性。
- 異質(zhì)性顆粒混合物的分辨：在復(fù)雜體系中，如生物樣本，能夠區(qū)分不同顆粒的表面電荷特性，有助于研究顆粒間的相互作用。
單顆粒Zeta電位檢測(cè)尤其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)，如藥物遞送顆粒的質(zhì)量控制、細(xì)胞外囊泡 (EVs) 表面電荷的精確表征等。
平均Zeta電位 (Mean Zeta Potential) ：
平均Zeta電位是指樣品中所有（或所有被檢測(cè)到的）顆粒的Zeta電位值的算術(shù)平均值，常用的描述樣品整體表面電荷特性的參數(shù)之一。平均Zeta電位可以快速提供樣品的整體電荷狀態(tài)，用于評(píng)估樣品的穩(wěn)定性和分散性能。
公式：
其中，
為每個(gè)顆粒的Zeta電位，n為顆粒數(shù)目。需要注意的是，平均Zeta電位可能掩蓋樣品中顆粒表面電荷的分布特征，因此在均一性較差的樣品中，應(yīng)結(jié)合其他參數(shù)（如中位Zeta電位和Zeta電位分布）進(jìn)行綜合分析。
中位Zeta電位 (Median Zeta Potential) ：
中位Zeta電位 (Z50) ，是指樣品中50%的顆粒Zeta電位值低于該值，另50%的顆粒Zeta電位值高于該值，類似于粒徑表征中的中位粒徑 (D50) 。中位Zeta電位是反映樣品電荷分布中心的一種統(tǒng)計(jì)參數(shù)，能夠在一定程度上減小少數(shù)異常值對(duì)數(shù)據(jù)整體描述的影響。與平均Zeta電位相比，中位Zeta電位對(duì)表面電荷分布非對(duì)稱性的樣品更具代表性，尤其適用于描述復(fù)雜或異質(zhì)性較高的樣品。
Z90和Z10：
Z90：指樣品中90%的顆粒的Zeta電位低于該值，用于表征顆粒表面電荷的上限分布。Z10：指樣品中10%的顆粒的Zeta電位低于該值，用于表征顆粒表面電荷的下限分布。Z90和Z10的結(jié)合可用于描述樣品的Zeta電位分布范圍和均勻性。同理于粒徑分布分析，可以進(jìn)一步通過計(jì)算Zeta電位的跨距，可從而量化顆粒表面電荷分布的離散程度。
納米顆粒的表征是納米材料研究與應(yīng)用中的核心環(huán)節(jié)，通過對(duì)粒徑、濃度、表面電荷等關(guān)鍵參數(shù)的精確測(cè)量和解析，可以全面揭示納米顆粒的物理化學(xué)特性及其與外界環(huán)境的相互作用。這些參數(shù)不僅是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，更是解構(gòu)納米藥物及納米材料構(gòu)效關(guān)系的窗口。通過表征技術(shù)的不斷創(chuàng)新與標(biāo)準(zhǔn)化，納米科學(xué)正在生物醫(yī)藥、催化、電子器件等領(lǐng)域帶來更多突破性發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。這一切的核心，是用科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒?，將納米顆粒從看不見的微觀世界，轉(zhuǎn)化為可測(cè)量、可理解、可控制的宏觀數(shù)據(jù)，從而推動(dòng)納米技術(shù)與實(shí)際需求的無縫銜接，推動(dòng)納米技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，開啟更廣闊的創(chuàng)新前景。
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