本文摘要

納米氣泡的粒度表征，受限于其顆粒濃度低、粒徑分布寬等特點(diǎn)，若使用動(dòng)態(tài)光散射（DLS）技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，信號(hào)弱，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。本文將介紹利用納米顆粒跟蹤（NTA）技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可視化的納米氣泡顆粒表征，可以很好的應(yīng)對(duì)納米氣泡的特殊性，取得高分辨的粒度分布結(jié)果，并可以快速捕捉在不同條件下粒徑和濃度的變化，以研究納米氣泡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

01丨背景介紹

納米氣泡因其物理和化學(xué)特性，而廣泛應(yīng)用于水體修復(fù)、工業(yè)清洗、水產(chǎn)養(yǎng)殖、藥物傳遞、污水處理等領(lǐng)域。盡管納米氣泡的制備方法已相對(duì)成熟，但不同氣體、不同的鹽濃度、pH值以及溶劑溫度、壓力、攪拌和流動(dòng)條件等都將影響納米氣泡的粒徑、濃度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而這些性能決定了納米氣泡的實(shí)際應(yīng)用效果。

在表征納米氣泡時(shí)可能會(huì)首先想到動(dòng)態(tài)光散射（DLS）技術(shù)。DLS的優(yōu)勢(shì)在于既可以測(cè)試粒徑也可以測(cè)量電位。但DLS測(cè)試需要?dú)馀轁舛冗_(dá)到1010（particle/ml）左右，且顆粒分布越均勻越好。而納米氣泡的實(shí)際情況是濃度低，只有107~108（particle/ml），且粒徑分布寬。DLS測(cè)試時(shí)信號(hào)弱，數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。這種情況下，采用納米顆粒示蹤（NTA）分析法更為合適。

02丨納米顆粒跟蹤NTA技術(shù)原理和優(yōu)勢(shì)

NTA技術(shù)原理是激光束照射樣品池中的納米顆粒發(fā)出散射光，散射光信號(hào)被高靈敏度相機(jī)識(shí)別并記錄成一段時(shí)間的視頻。視頻中的亮點(diǎn)即為顆粒的散射光點(diǎn)，軟件對(duì)光點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記然后記錄其隨機(jī)的布朗運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)逐個(gè)顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)軌跡獲得顆粒擴(kuò)散速率。

布朗運(yùn)動(dòng)的速度是和顆粒粒徑大小成反比的，小顆粒運(yùn)動(dòng)速度更快，其運(yùn)動(dòng)速度不受待測(cè)物材質(zhì)、密度、遮光度等影響。納米顆粒跟蹤分析（NTA）技術(shù)捕捉單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡從而分析單個(gè)顆粒的擴(kuò)散速率，然后通過(guò)斯托克斯愛因斯坦方程得到顆粒粒徑，不需要預(yù)先校準(zhǔn)，分辨率更高。

此外，由于測(cè)試過(guò)程中，樣本的觀測(cè)體積是已知的（觀測(cè)體積由攝像機(jī)的尺寸決定），所以根據(jù)檢測(cè)到的顆粒數(shù)量就可以獲得樣本顆粒的濃度。

圖1：觀測(cè)體積示意圖，X、Y軸的長(zhǎng)度由攝像機(jī)的尺寸決定

03丨納米氣泡表征案例1——NTA方法分析粒徑及濃度

本案例中，利用納米顆粒跟蹤儀NanoSight實(shí)時(shí)觀察脂質(zhì)體溶液納米氣泡生成過(guò)程中的顆粒粒徑、濃度及其變化，進(jìn)而研究納米氣泡尺寸和穩(wěn)定性對(duì)超聲增強(qiáng)藥物遞送的影響[1]。

通過(guò)NTA的視圖，如圖bi 可以明顯看到納米氣泡在脂質(zhì)體溶液中不可見，而在制備后形成的納米氣泡的散射光點(diǎn)清晰可見（見圖bii），并被NTA軟件準(zhǔn)確捕捉，這一過(guò)程是可視化且可實(shí)時(shí)觀察到的。

圖2：NTA捕捉納米氣泡生成（bi未生成納米氣泡的溶液；bii生成納米氣泡）[1]

此外，NanoSight納米顆粒跟蹤分析儀還分析了不同離心力作用下，納米氣泡粒徑和濃度的變化情況。1000g的離心作用力下，大于95%顆粒小于400nm，而100g和500g離心力作用時(shí)粒徑比1000g時(shí)大，且分布更寬。

圖3：不同離心力作用下，納米氣泡粒徑和濃度的變化情況[1]

在傳統(tǒng)的NTA測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，在獲得上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之前，需要在軟件中設(shè)置相機(jī)亮度以及檢測(cè)閾值，以提高圖像質(zhì)量，這對(duì)于新手用戶來(lái)說(shuō)，會(huì)造成一些困惑。馬爾文帕納科新一代智能化納米顆粒跟蹤分析儀NanoSight Pro，其智能化分析軟件可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

NanoSight Pro 技術(shù)優(yōu)勢(shì)之基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的全面智能化

自動(dòng)聚焦及曝光

智能聚焦與曝光，自動(dòng)設(shè)置最佳條件

實(shí)時(shí)識(shí)別偏離視頻，剔除并更新粒徑分布和濃度信息

對(duì)聚焦平面進(jìn)行記憶，便于后續(xù)快速調(diào)取

圖4：NanoSight Pro軟件自動(dòng)設(shè)置界面

智能預(yù)覽/反饋

智能反饋

在捕獲任何視頻前進(jìn)行預(yù)覽從而智能評(píng)估NTA條件，如顆粒濃度，粒徑尺寸及流速等；

快速預(yù)覽粒徑分布  

對(duì)樣品粒徑尺寸和分布快速了解

圖5：智能預(yù)覽界面

SOP編輯器：智能化建立測(cè)試方法

模塊化方法搭建；

根據(jù)樣品信息設(shè)置多種默認(rèn)信息；

向?qū)皆O(shè)計(jì)，直觀、智能。

圖6：SOP編輯器界面

NS Xplorer：自動(dòng)分析結(jié)果

基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，新一代的軟件通過(guò)AI智能識(shí)別顆粒并分析，不在需要使用者通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置檢測(cè)閾值，消除了主觀和人為誤差，簡(jiǎn)化了分析過(guò)程。且在后臺(tái)數(shù)據(jù)分析的同時(shí)，可以進(jìn)行新樣本的測(cè)試，提高測(cè)試效率。

自動(dòng)識(shí)別并分析顆粒

消除主觀性和人為誤差

簡(jiǎn)化分析過(guò)程

減少動(dòng)手和數(shù)據(jù)處理時(shí)間，提高測(cè)試效率

04丨納米氣泡表征案例2——溫度穩(wěn)定性

納米氣泡的消失方式有 浮力（buoyancy），溶解（dissolution）和聚集（agglomeration）。

NTA可以用來(lái)表征氣泡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。在此案例中，研究了氣泡放置4個(gè)月過(guò)程中的變化情況以及儲(chǔ)存溫度對(duì)納米氣泡的影響[2]。

圖6：0-120天粒徑和濃度變化展示納米氣泡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[2]

圖7：5℃-80℃不同儲(chǔ)存溫度中的納米氣泡的穩(wěn)定性[2]

NanoSight Pro 技術(shù)優(yōu)勢(shì)之連續(xù)升溫進(jìn)一步擴(kuò)展溫度范圍

由于顆粒布朗運(yùn)動(dòng)主要受溫度和粘度的影響，NanoSight Pro在上一代NTA產(chǎn)品的基礎(chǔ)上升級(jí)了變溫測(cè)試模塊，從低于室溫5℃到70℃范圍內(nèi)，僅需使用復(fù)制按鈕創(chuàng)建溫度梯度的簡(jiǎn)單設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)升溫測(cè)試，實(shí)時(shí)控溫，溫度精度高，非常適合納米顆粒熱穩(wěn)定性研究。

圖8：利用復(fù)制按鈕在軟件中創(chuàng)建溫度梯度

結(jié)論

NTA技術(shù)在醫(yī)療、保健、個(gè)人清潔、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、水處理等納米氣泡應(yīng)用領(lǐng)域都可以提供高分辨、實(shí)時(shí)粒度表征，為納米氣泡生產(chǎn)和穩(wěn)定性研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

馬爾文帕納科儀器新一代納米顆粒示蹤分析儀Nanosight Pro升級(jí)了自動(dòng)顆粒識(shí)別、聚焦和智能可變幀頻圖像采集，極大提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量、縮短測(cè)試時(shí)間，同時(shí)，采用AI技術(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)圖像分析，大大消除了人為誤差。根據(jù)納米顆粒跟蹤（NTA）技術(shù)原理可知，這種技術(shù)極其擅長(zhǎng)檢測(cè)和分析納米氣泡這類相對(duì)濃度極低、尺寸分布較寬的納米顆粒，能夠?qū)崟r(shí)、直接可視化懸浮液中納米尺度的顆粒，提供高分辨率的粒徑分布。無(wú)需使用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行光路校準(zhǔn)，開機(jī)即可測(cè)試且樣品制備簡(jiǎn)單。

參考文獻(xiàn)

[1]. Damien V. B. Batchelor,Fern J. Armistead, Nicola Ingram, Sally A. Peyman, James R.McLaughlan, P. Louise Colettta, Stephen D. Evans, The influence of nanobubbles size and stability on ultrasoundenhanced drug delivery, Langmuir. 2022, 38, 13943-13954

[2]. Chan-Hyun. Cho, Hye-Ji. Shin, Baljinder. Singh, Kibeom. Kim, Myoung-Hwan. Park, Assessment ofsub-200-nm nanobubbles with ultra-high stability in water, Applied WaterScience. 2023, 13:149