聚苯乙烯微球檢測技術指南

聚苯乙烯微球作為標準物質、藥物載體、流變改性劑和生物檢測基材等，其粒徑、分布、濃度與表面特性至關重要。本指南詳述其核心檢測方法，確保數據準確可靠。

一、檢測原理

1. 動態光散射：

   • 原理： 測量溶液中微粒布朗運動引起的激光散射光強波動。通過自相關函數分析光強隨時間變化，計算擴散系數(D)，利用斯托克斯-愛因斯坦方程計算流體力學直徑(Dh)。
   • Dh = kT / (3πηD)
     (k: 玻爾茲曼常數; T: 絕對溫度; η: 溶劑粘度)
   • 輸出： 流體力學直徑、粒徑分布（多分散指數PDI）、Zeta電位（需專用模式）。
   • 優勢： 快速、無損、測量溶液狀態粒徑。
   • 局限： 對聚集敏感，不適用于高濃度或多組分復雜體系。

2. 掃描電子顯微鏡：

   • 原理： 高能電子束掃描樣品表面，激發出二次電子等信號，經探測器轉化為表面形貌圖像。
   • 樣品制備： 微球分散于基底（如硅片），常需導電涂層（金、鉑）。
   • 輸出： 高分辨率形貌圖像、統計粒徑（需測量足夠數量粒子）、表面結構信息。
   • 優勢： 直觀、分辨率高（可達納米級）、提供真實幾何尺寸與形貌。
   • 局限： 樣品需干燥、導電處理，測量統計量大，非溶液態。

3. 靜態光散射/激光衍射：

   • 原理： 測量不同角度下激光通過分散體系的散射光強度分布，基于Mie散射理論反演粒徑分布。
   • 適用范圍： 較寬粒徑范圍（亞微米至數百微米）。
   • 輸出： 體積或數量加權粒徑分布（D10, D50, D90）。
   • 優勢： 測量范圍寬、速度快。
   • 局限： 對形狀假設敏感，低濃度或近透明粒子信噪比低。

4. 顯微計數法：

   • 原理： 光學顯微鏡或熒光顯微鏡下直接觀察并計數微球，結合圖像分析軟件統計粒徑與濃度。
   • 樣品制備： 稀釋并分散于載玻片。
   • 輸出： 數量濃度、粒徑分布（基于投影面積直徑）、形貌觀察。
   • 優勢： 直接、直觀、可區分聚集，可結合熒光。
   • 局限： 人工操作繁瑣，統計量要求高，下限受光學分辨率限制（~0.2 μm）。

二、實驗步驟 (示例：DLS + SEM)

1. 樣品制備：

   • 分散： 取適量微球濃縮液，用合適溶劑（常用超純水或緩沖鹽溶液）稀釋至儀器推薦濃度（通常使計數率在適宜范圍）。渦旋振蕩 >30秒，或輕微超聲浴處理（避免過熱或破碎，通常 <1分鐘，功率<50W）。
   • 過濾： 用低蛋白吸附性濾膜過濾溶劑，去除環境顆粒污染。
   • 脫氣： （可選）短暫離心或靜置去除氣泡。

2. 動態光散射測量：

   • 開啟儀器，預熱穩定。
   • 設置測量溫度（通常25°C），平衡樣品槽溫度。
   • 清潔樣品池，注入過濾好的樣品溶液，避免氣泡。
   • 設置測量參數（散射角度173°常見，測量時長10-30秒/次）。
   • 運行測量至少3次，確保結果一致性（粒徑偏差<2%，PDI穩定）。
   • 記錄流體力學直徑Dh、PDI、Zeta電位（若測量）。

3. 掃描電子顯微鏡樣品制備與測量：

   • 基底準備： 清潔硅片（丙酮、乙醇、等離子清洗）。
   • 樣品沉積： 將高度稀釋的微球液滴（~5 μL）滴于硅片，靜置吸附數分鐘。
   • 漂洗/干燥： 用溶劑（如水）輕輕漂洗去除鹽分，氮氣吹干或臨界點干燥（避免聚集）。
   • 導電處理： 噴鍍薄層（~5-10 nm）金或鉑鈀合金。
   • SEM觀察： 選擇合適的加速電壓（5-15 kV）、工作距離、探測器。在不同區域拍照，確保樣本代表性（>100個粒子統計）。

4. 數據處理：

   • DLS： 使用儀器軟件分析相關曲線，報告Z-average Dh、PDI、分布圖。
   • SEM： 圖像分析軟件手動或自動測量粒子直徑，統計平均粒徑、標準差、分布直方圖。

三、結果分析

1. 粒徑與分布：
   • DLS： Z-average Dh 反映平均流體力學尺寸；PDI < 0.05 單分散極好，0.05-0.08 單分散良好，>0.7 分布很寬。分布圖（強度/體積/數量加權）需謹慎解讀其峰形與比例。
   • SEM： 直接測量幾何直徑，計算數均直徑(Dn)、體積平均直徑(Dv)，分散度(σ/Dn)。對比DLS結果（Dh通常略大于SEM直徑，尤其軟材料）。
2. 形貌： SEM圖像直觀顯示微球球形度、表面光滑度、是否存在凹陷或聚集。
3. 濃度： 顯微計數法直接獲得數量濃度（個/mL）。DLS濃度估算依賴于模型假設，準確性較低。
4. Zeta電位： 表征表面電荷密度與膠體穩定性絕對值 >30 mV 通常穩定性較好。
5. 綜合分析： 綜合多種技術數據，全面評估微球批次質量（如：平均粒徑是否符合標稱，分布是否足夠窄，有無聚集跡象，表面是否光滑，Zeta電位是否合理）。

四、常見問題與解決方案

關鍵質量控制點：

• 標準化操作： 嚴格遵循標準操作程序。
• 環境控制： 潔凈環境，控制溫度。
• 溶劑與耗材： 使用高純度溶劑、低吸附性濾膜/容器。
• 儀器校準： 定期用標準粒子校準所有儀器。
• 結果驗證： 使用已知粒徑分布的標準物質驗證方法可靠性。

通過理解檢測原理、嚴格執行標準化操作、結合多種技術互相驗證，并有效解決常見問題，可實現對聚苯乙烯微球關鍵參數的準確、可靠表征，為其質量控制和應用研究提供堅實基礎。