[发明专利]粒子的光学检测及分析

说明书

技术领域

本发明涉及粒子的光学检测及分析，具体涉及包括纳米粒子的次微米粒子，即通常主要尺寸小于100μm(通常小于50μm)的粒子。 

背景技术

纳米粒子分析是工业领域的广泛范围内普遍存在的要求。产品性能及稳定性经常取决于将粒子悬浮物制造成不存在污染物或聚合物的精细公差。此类分析中最重要的是粒子大小及大小分布测量，对于此许多技术已颇具规模并且已在常规质量控制以及研发环境中普遍使用。取决于产品的性质以及所寻求的粒子特征，采用了一系列分析方法中的一个或多个，其中包括电子显微镜、动态光散射(DLS)、夫琅和费(Fraunhofer)散射、单粒子检测技术、光学显微镜等。然而，对于纳米级的粒子，只经常使用这些示例中的前两个。虽然广泛使用，两者都有缺点，包括资本和运行成本、分析周转时间、以及在动态光散射的情况下分解粒子大小分布曲线的有限能力。 

动态光散射(DLS)

如光子关联光谱学(PCS)的动态光散射技术分析数千粒子的一个大总体，其中仅获得了z平均粒子直径(即，强度加权的粒子平均直径)以及指示粒子大小分布宽度的多分散性系数(Pecora,R.,(Ed)(1985)动态光散射，光子关联光谱学应用，施普林格出版社(Plenum Press)，美国纽约)。该技术通常实践于包括液体中纳米粒子悬浮物的样本中，该液体由适当聚焦的约100微米直径的相干、单色激光束照明，从其中散射出的光由光子计数光电倍 增器检测。借助针孔及缝隙的组合或单模光纤，该检测器被配置成用于观察从该样本散射到远场中的光的一个单一相干区或点。该相干区内的光强通过干扰作用波动，原因是纳米粒子的随机布朗运动及强度波动的特征时标由数字相关器分析。强度波动的平均变化率可以用粒子扩散系数(D_t)表示，从其中可以估算激光束的路径中球体等效水动力粒子直径。可以此种方式确定小至2-3nm的粒子最大尺寸(例如，直径)。然而，由于所有粒子在DLS中是同时测量的，情况通常是较小数量的高度散射的较大粒子(例如，污染物或聚合物)可以支配信号并且有效地掩盖可能存在的大多数较小粒子的存在。在一些有限的环境中，可以通过各种去卷积算法的应用来从所获得的结果中提取粒子大小分布结构(例如，双峰分布)，但是此种方法仅在两个总体本身不过于多分散或粒子大小上不过于紧凑时才可靠。事实上，直径差别小于3的比率的粒子不能正常分解。这表示应用中的严重限制，其中要求关于粒子大小分布的精确信息，但是这些样本包含较大的粒子(例如，污染物或聚合物)，这些粒子使结果显著偏移并且可以部分地或完全地掩饰较小粒子的存在。同样地，包含广泛范围粒子大小的固有复杂的多分散的及异质的样本产生经常严重歪曲成存在的较大粒子的分布。最后，作为总体技术，没有关于任何特定粒子大小或大小等级的数量的直接信息可以从DLS中恢复。 

纳米粒子跟踪分析(NTA)

纳米粒子跟踪分析是一种最近研发出的用于液体中纳米粒子的直接和实时可视化及分析的方法。参见例如WO03/093801。基于激光照明的显微镜技术，纳米粒子的布朗运动由一个电荷耦合器件(CCD)照相机实时分析，每个粒子被一个专用粒子跟踪图像分析程序同时地但单独地进行可视化以及跟踪。由于每个粒子被单独地可视化和分析，得到的粒子大小及粒子大小分布 的估算不受到强度加权的、z-平均分布的限制，这是大小制度中粒子筛选常规总体方法的基准，例如如上描述的动态光散射(DLS)。NTA同时测量粒子大小及粒子散射强度的能力允许异质粒子混合物能够被分解，并且重要地是粒子浓度能够被直接估算，NTA获得的粒子大小分布曲线为直接数字/频率分布。 

NTA已成为行内术语，被相关领域技术人员认可。有超过250篇提及使用NTA收集的数据的科学论文及演示文稿。此外，该术语还被例如ASTM国际组织(以前的美国材料试验协会)、环境保护局(EPA)、食品及药物管理局(FDA)及NIH使用。 

NTA能够分析的粒子大小范围取决于粒子类型。考虑到每个粒子必须散射足够的光以使其能够如上面所描述的被检测及跟踪，较低的粒子大小限制由粒子大小及粒子折射率定义。对于具有非常高折射率的粒子(如胶体金)，粒子大小的精确确定可以实现在最大尺寸低至约10nm的粒子上。对于较低折射率粒子(如生物起源地的那些)，最小可检测粒子大小可以在25-50nm的范围内。相应地，NTA受到其检测低于一个特定粒子大小的粒子的能力的限制。