一、布朗運動

1827 年，英國植物學家羅伯特?布朗（Robert Brown）在顯微鏡下觀察浸入水中的植物花粉時，發現花粉微粒呈現出不規則的運動狀態，這一現象被命名為 “布朗運動” 。布朗運動的本質是懸浮在液體或氣體中的微粒受到周圍分子的隨機撞擊，由于這些撞擊的方向和力度不同，導致微粒呈現出無規則的運動軌跡。

顆粒的布朗運動特性與粒徑密切相關，遵循 Stokes-Einstein 方程：

其中D為擴散系數，k為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，η為介質黏度，r為顆粒半徑。從該方程可以看出，在相同的溫度和介質條件下，顆粒半徑r越小，擴散系數D越大，即顆粒的布朗運動越劇烈。

動態光散射（DLS）技術正是基于這一原理，通過測量顆粒布朗運動引起的散射光強的波動，來獲取顆粒的擴散系數，進而根據 Stokes-Einstein 方程計算出顆粒的粒徑。DLS 技術測量的是大量顆粒的統計平均結果，反映的是顆粒群體的特性 。

而納米顆粒跟蹤分析（NTA）技術則另辟蹊徑，它直接對單個納米顆粒的布朗運動軌跡進行實時追蹤。通過顯微鏡和高速攝像機，記錄下每個顆粒在一段時間內的位置變化，根據顆粒的運動速度和位移信息，利用二維 Stokes-Einstein 方程計算出單個顆粒的粒徑。NTA 技術能夠提供每個顆粒的粒徑信息，以及粒徑分布的詳細情況，實現了對納米顆粒的單顆粒水平的分析。

布朗運動作為納米顆粒的固有屬性，為 DLS 和 NTA 技術提供了堅實的物理基礎，使得科學家們能夠從不同角度深入研究納米顆粒的特性。

二、動態光散射技術（DLS）：基于光強波動的群體統計分析

2.1 技術原理與核心參數

動態光散射（DLS），也稱作光子相關光譜或準彈性光散射，是一種物理表征手段，用來測量溶液或懸浮液中的粒徑分布，也可以用來測量如高分子濃溶液等復雜流體的行為。其基本原理是基于顆粒的布朗運動。當一束激光照射到含有納米顆粒的溶液時，顆粒會散射光線 。由于顆粒在溶液中做無規則的布朗運動，散射光的強度會隨時間發生波動。

動態光散射儀器由光學系統、樣品池與溫控裝置、信號檢測與處理系統構成，實現納米顆粒粒徑及相關參數精準測量。光學系統中，激光光源是核心，包括氣體、固體激光器和激光二極管等。光學聚焦與準直組件通過透鏡和反射鏡聚焦、準直光束，提升光與樣品作用效率。散射光收集與分光元件收集特定角度散射光，并按波長分離，助力多組分體系分析。樣品池與溫控裝置方面，樣品池材質有玻璃、石英等，玻璃光學性能好，石英適用于特殊環境，其形狀和尺寸依實驗需求選擇。溫控裝置采用高精度恒溫器，將溫度波動控制在極小范圍，確保測量準確。檢測器方面，常用的光電探測器一般有光電倍增管（PMT）和雪崩光電二極管（APD），分別適用于不同場景。

DLS 通過高速探測器捕捉散射光強的時間波動，生成光強自相關函數g2(τ)。根據 Siegert 關系，光強自相關函數與電場自相關函數g1(τ)相關聯。而電場自相關函數又與顆粒的擴散系數D直接相關，通過測量g1(τ)的衰減速率，可以得到擴散系數D。最后，結合Stokes-Einstein方程，就可以反演得到顆粒的流體力學直徑。

在 DLS 測量中，有兩個核心參數：

1. Zeta 平均粒徑（Z-average）：它是光強加權平均粒徑，是 DLS 技術中得到的最重要、最穩定的數據，適用于單分散體系的快速分析，能夠快速給出一個具有代表性的粒徑值 。例如，在單分散的聚苯乙烯納米球樣品的測量中，Zeta 平均粒徑能準確反映納米球的真實粒徑。

2.多分散指數（PDI）：用于表征顆粒尺寸的均勻性。當 PDI＜0.05 時，體系接近理想的單分散狀態；當 PDI＞0.7 時，體系的尺寸分布非常寬，此時 DLS 對多峰分布的解析能力會顯著下降，測量結果的準確性和可靠性會受到較大影響。

2.2 技術優勢與應用場景

1. 高通量過程控制：

DLS 能夠在數分鐘內完成中高濃度樣品的檢測，這一特性使其在工業生產的過程控制中發揮著重要作用。例如，在鋰電池正極材料的合成過程中，實時監控 NMC 三元顆粒的粒徑和 PDI，對于優化材料性能至關重要。通過 DLS 的快速檢測，可以及時調整合成工藝參數，確保顆粒的尺寸均勻性，提高電池的充放電性能和循環穩定性。在化妝品乳液的生產中，DLS 可用于篩查乳液的均勻性，避免因納米 TiO?團聚導致的 “搓泥” 現象，保證產品質量。

2. 生物大分子穩定性評估：

在生物制藥領域，DLS 可通過監測抗體藥物（如阿達木單抗）儲存過程中 PDI 的變化，評估藥物的穩定性。當 PDI＞0.3 時，可預警抗體藥物的聚集風險，此時結合 Zeta 電位測量，調節緩沖液配方，能夠有效防止藥物聚集，確保制劑的穩定性和有效性 。

2.3 技術局限性

DLS 技術雖然應用廣泛，但也存在一定的局限性。在高濃度樣品測量中，由于顆粒濃度較高，散射光在光路中被其他粒子再次散射后進入檢測器的幾率大大增加，易受多重散射干擾，導致粒徑高估。 此外，DLS 技術假設顆粒為球形，對于非球形顆粒（如棒狀納米晶），其測量結果可能存在較大偏差。對于復雜的多峰體系，DLS 的解析能力有限，此時往往需要借助多角度動態光散射（MADLS）技術進行校正和分析，但這也增加了測量的復雜性和成本。

三、納米顆粒跟蹤分析技術（NTA）：單顆粒軌跡的精準捕捉

3.1 技術原理與核心優勢

納米顆粒跟蹤分析（NTA）技術是一種用于表征納米顆粒的先進技術，它利用光散射和布朗運動的特性，對懸浮液中的納米顆粒進行全方位表征 。NTA 技術的基本原理是基于納米顆粒在液體中的布朗運動。當一束激光照射到含有納米顆粒的溶液時，納米顆粒會散射光線，形成散射光斑 。通過光學顯微鏡和高速攝像機，可以實時觀察和跟蹤這些散射光斑的運動軌跡，從而獲得每個納米顆粒的布朗運動信息。

典型的NTA儀器主要由激光光源、顯微鏡、樣品池、相機及數據分析軟件組成（圖2）。激光光源提供穩定且聚焦良好的光束；顯微鏡用于觀察顆粒散射光，其光學性能影響顆粒可視化效果；樣品池容積約250µl、深度500µm，帶有Luer接口，方便通過注射器進樣，且能確保樣品在分析前20秒達到熱平衡；相機（CCD或CMOS相機）捕捉顆粒散射光圖像，其靈敏度與幀率對數據采集質量關鍵；數據分析軟件則負責處理視頻數據，實現顆粒追蹤、參數計算與結果呈現。

NTA 技術的核心優勢在于其能夠實現單顆粒分辨率，直接觀察和分析單個納米顆粒的行為 。與 DLS 技術不同，NTA 技術不需要對大量顆粒進行統計平均，因此能夠避免光強加權導致的小顆粒信號掩蓋問題，更準確地反映納米顆粒的真實粒徑分布 。此外，NTA 技術還可以直接測量顆粒的濃度，無需依賴光強模型，這使得它在測量低濃度樣品時具有更高的準確性 。

在 NTA 技術中，顆粒的粒徑是通過二維 Stokes-Einstein 方程計算得到的。該方程考慮了顆粒在二維平面上的運動，能夠更準確地描述納米顆粒的布朗運動 。通過對顆粒運動軌跡的分析，可以得到顆粒的擴散系數，進而根據 Stokes-Einstein 方程計算出顆粒的粒徑 。NTA 技術的濃度測量則是通過對顆粒計數實現的，它能夠直接給出單位體積內的顆粒數量，從而得到顆粒的濃度 。

3.2 技術應用與典型案例

1. 外泌體亞型鑒定：外泌體是一種由細胞分泌的納米級囊泡，具有重要的生物學功能。不同細胞來源的外泌體在粒徑、表面標志物等方面存在差異，因此準確鑒定外泌體的亞型對于疾病診斷和治療具有重要意義 。在前列腺癌外泌體分析中，NTA 技術能夠檢測到主峰 134 nm 的外泌體，這一結果較 DLS 技術通常偏大 50-100 nm 的結果更貼近透射電鏡（TEM）的觀測值 。結合熒光標記技術，如使用 CD9/CD81 等外泌體特異性標志物進行熒光標記，NTA 技術可以區分不同亞群的囊泡，為前列腺癌的診斷和治療提供更準確的信息 。

2．病毒疫苗質量控制：病毒疫苗的質量控制對于疫苗的安全性和有效性至關重要。在 HPV 疫苗生產中，NTA 技術可以用于監測病毒樣顆粒（VLP）的粒徑和濃度，確保 VLP 的粒徑在 55-65 nm 范圍內的占比＞90% 。這一嚴格的粒徑控制能夠保障疫苗的免疫原性一致性，避免因粒徑偏離導致的抗體產生效率下降，從而提高疫苗的質量和效果 。

3.3 技術瓶頸

NTA 技術雖然具有許多優勢，但也存在一些技術瓶頸。首先，對于低散射顆粒，如蛋白質等，NTA 技術的檢測靈敏度較低，通常需要依賴熒光標記來增強信號 。其次，NTA 技術的測量結果對實驗條件較為敏感，相機曝光度、泵流速等參數的變化都可能影響測量結果的準確性 。因此，在使用 NTA 技術時，需要嚴格標準化實驗條件，以減少人為操作誤差，確保測量結果的可靠性 。

四、技術對比：從原理到應用的多維度解析

為了更清晰地展示動態光散射（DLS）和納米顆粒跟蹤分析（NTA）技術的差異，我們從測量原理、粒徑測量范圍、濃度適用范圍、粒徑分布解析能力、可視化能力和濃度測量方式這六個維度進行詳細對比。

結語

動態光散射與納米顆粒跟蹤分析技術，雖同源于布朗運動的微觀啟示，卻因測量邏輯的分野形成互補格局：前者以效率見長，主導規模化分析；后者以精準為優，破解復雜體系難題。在納米科技向單顆粒層面深入的當下，二者的協同創新正重塑材料科學、生物醫藥等領域的表征范式，為納米顆粒的設計、制備與應用提供更精細的科學依據。