Stunner 的光散射:从 DLS 到 RADLS 多角度测量

Stunner 的光散射:从 DLS 到 RADLS 多角度测量

IgG 在不同角度测到的 Z-average 几乎一样,LNP 却随角度明显变化。传统 DLS 在固定角度测一次散射就算粒径,对蛋白这类小颗粒够用,但碰到 LNP、病毒载体这类大颗粒就会因为角度效应而偏。Stunner 的 RADLS(旋转角度动态光散射)逐个角度采集,每个角度同时拿到 DLS 和 SLS 数据,再把各角度的 Z-average 粒径外推到 θ = 0°,得到角度无关的粒径。

Stunner:高速 UV/Vis + RADLS(旋转角度动态光散射),2 µL 同时测浓度和粒径。

光打到颗粒上会散射,但散射的方式取决于颗粒大小

光散射有两种基本模式,区别在于颗粒尺寸和光波长的比较。

Rayleigh 散射发生在颗粒远小于光波长时(通常小于 λ/10)。散射光强度与波长的四次方成反比(I ∝ λ⁻⁴),各个方向散射强度相同(各向同性)。蛋白质单体(几 nm)在 660 nm 激光下就是典型的 Rayleigh 散射体,探测器放在哪个角度,看到的信号都一样。

Rayleigh 散射(各向同性):颗粒远小于波长时,各方向散射强度相等。

Mie 散射发生在颗粒不再远小于光波长时(超出上面 λ/10 的范围)。散射强度和方向的关系变得复杂:前向散射(角度小于 90°)通常比后向散射强得多。LNP、病毒载体、聚集体、大的胶体颗粒都属于 Mie 散射体。这意味着探测器放在不同角度会看到不同的信号强度,单一角度的测量结果可能有偏差。

颗粒够小时,测量角度不影响结果;颗粒变大后,角度就成了必须考虑的变量。RADLS 的多角度测量针对的正是大颗粒。

Mie 散射(各向异性):颗粒不再远小于波长时,前向散射远强于后向散射,不同角度看到的强度不同。

DLS:散射光的「闪烁速度」就是粒径信息

用激光照射溶液中的颗粒,散射光的强度会随时间波动,因为颗粒在做布朗运动,不断改变位置。小颗粒运动快,散射光强度变化快(高频闪烁);大颗粒运动慢,强度变化慢(低频闪烁)。DLS(也叫光子相关光谱,PCS)就是测这个「闪烁速度」来推算粒径。

小颗粒(上)散射光强度变化快,大颗粒(下)变化慢。DLS 通过分析这种波动速率来测粒径。

量化这个闪烁速度要用自相关函数。取某个时刻的散射强度,和几微秒后的强度做比较:间隔很短时两次几乎一样(高相关),间隔拉长后就不再相关(零相关)。把不同间隔的相关性画成图,就是自相关函数曲线。小颗粒的曲线衰减快,大颗粒衰减慢。

两种蛋白的自相关函数:绿色(小颗粒)衰减快,蓝色(大颗粒)衰减慢。衰减速率直接关联扩散系数。

从自相关函数拟合出扩散系数 D,再代入 Stokes-Einstein 方程就得到流体动力学直径 Dh。温度 T 越高、溶剂粘度 η 越低,颗粒扩散越快;颗粒越大,扩散越慢。

Stokes-Einstein 方程。K_B = 玻尔兹曼常数,T = 绝对温度,η = 溶剂粘度,D_h = 流体动力学直径。按直径计,D = K_BT/(3πηD_h);按半径 R_h 计,分母为 6πηR_h。

自相关函数的分析有两种方法。累积量分析(Cumulants)把自相关函数拟合成单指数衰减,一阶项给出 Z-average 粒径,二阶项给出多分散性指数 PDI,这是最常用的"一个样品一个数"的方式。正则化分析(Regularization)则利用同一组 DLS 数据重建完整的粒径分布,能看出样品里有几个群体、各自多大。Stunner 同时用这两种方法,都符合 ISO 22412:2017 标准。

A. 均一样品的 DLS 粒径分布:单峰。B. 含有聚集体的异质样品:多峰,大粒径组分清晰可见。

DLS 对聚集体特别敏感

散射强度和粒径的六次方成正比(I ∝ R⁶)。一个 100 nm 的聚集体产生的散射信号是一个 10 nm 蛋白的 10⁶ 倍。这意味着哪怕聚集体只占样品的极小比例,DLS 也能捕捉到。跑细胞实验或做制剂稳定性研究之前快速扫一下 DLS,可以提前发现已经开始聚集的样品。

SLS:不看波动,只看「亮度」

SLS 和 DLS 用的是同一束激光、同一个探测器,但看的东西不一样。DLS 看散射光强度随时间的波动(多快),SLS 看散射光的平均强度(多亮)。

DLS 分析散射光强度的时间波动(上方双箭头),SLS 取平均强度(下方水平线)。同一组原始数据,两种分析方式。

SLS 的平均散射强度受分子量、颗粒浓度、折射率增量(dn/dc)、回转半径 Rg、颗粒间相互作用力、激光波长和检测角度共同影响。反过来,已知样品的分子量和光学参数,就可以从 SLS 强度反推浓度或滴度。SLS 信号通常用 Rayleigh Ratio(归一化散射强度)表示。

对于 Rayleigh 散射体(蛋白、AAV 等),散射强度不随角度变化,单角度 SLS 就够了,可以直接算浓度或滴度。但对于 Mie 散射体(LNP、大的纳米颗粒),不同角度的 SLS 强度差别很大,需要多角度测量才能得到准确结果。

RADLS:每个角度都同时做 DLS 和 SLS

传统 DLS 设备在一个固定角度(通常 173° 或 90°)做测量。对蛋白这种 Rayleigh 散射体没问题,但对 LNP、聚集体这类 Mie 散射体,固定角度测到的 Z-average 粒径可能偏大或偏小,取决于角度和样品的具体光学特性。RADLS 的做法是从多个角度各测一次 DLS 和 SLS,然后把所有数据合在一起,外推出角度无关的粒径。

RADLS 光路:2 个激光器(各连一根发射光纤)+ 1 根旋转接收光纤连光子计数器。顶部激光测后向散射角 110–162°,底部激光测前向散射角 30–42°。

理论上,在 θ = 0° 测到的粒径才是角度无关的粒径。但 θ = 0° 意味着探测器直接看着激光,物理上做不到。RADLS 的策略是在多个角度(默认 7 个)各测一次 Z-average,然后数学外推到 θ = 0°。

对 IgG(Rayleigh 散射体)来说,不同角度测到的 Z-average 几乎一样,外推不外推差别不大。但对 LNP(Mie 散射体),不同角度的 Z-average 差别明显,外推到 θ = 0° 才能得到准确的粒径。

A. IgG:Z-average vs q² 基本平坦,Rayleigh 散射体,角度不影响结果。B. LNP:Z-average 随 q²(即角度)明显变化,Mie 散射体,需要多角度外推。

SLS 也有同样的逻辑。对于 Mie 散射体,不同角度的散射强度不一样,想从 SLS 准确算浓度或滴度,也需要外推到 θ = 0°。RADLS 在每个角度同时采集 DLS 和 SLS 数据,用一组测量解决两个问题。

Rg/Rh:同样大小的球,空心和实心不一样

DLS 给出的是流体动力学半径 Rh,基于扩散速度,等效于一个相同扩散速率的实心球的半径。SLS 通过 Guinier 图给出的是回转半径 Rg,质量分布相对于质心的均方根距离。

这两个半径的比值能揭示颗粒的内部结构。实心球(比如 BSA)的 Rg/Rh 接近 0.77,空心球(比如脂质体、病毒壳体,质量集中在外层)的 Rg/Rh 接近 1,棒状颗粒(比如纳米管)的 Rg/Rh 大于 1。同样 Rh = 50 nm 的两个颗粒,Rg/Rh 不同说明内部结构完全不同。Stunner 在 RADLS 模式下同时输出 Rg、Rh 和它们的比值。

LNP 的 Guinier 图:Rayleigh Ratio vs q²,斜率给出 R_g。结合 DLS 的 R_h,R_g/R_h 比值揭示颗粒是实心、空心还是棒状。

2 µL 就够:微流控板和光路设计

Stunner 用专有的微流控板承载样品。每块板含 96 个独立的微流控回路,材质是低紫外吸收的环烯烃共聚物(COC)。正常条件下,样品加入后 2 小时内稳定、无蒸发。每个回路有 5 个功能区:进样孔、储液通道、微比色皿、溢流池和通气孔。样品加到进样孔后,靠毛细作用自动引入储液通道。

含 16 个微流控回路的板条,安装在框架上组成 Stunner Plate。

每个回路内置两个固定光程的微比色皿:0.1 mm(UV/Vis,适合高浓度样品,OD 范围 20–275)和 0.7 mm(UV/Vis + RADLS,OD 范围 0.03–30)。0.7 mm 比色皿同时用于 UV/Vis 和光散射测量。板的外形尺寸和标准 96 孔板一样,可以直接上液体处理工作站。

微流控回路特写:进样孔 → 储液通道 → 0.1 mm 比色皿(UV/Vis)→ 0.7 mm 比色皿(UV/Vis + RADLS)→ 溢流池。

自动测量流程:约 1.5 分钟/样品

样品板放进 Stunner 后,每个样品自动完成 8 个步骤。UV/Vis 和 RADLS 在 7 个角度上的完整测量大约 1.5 分钟/样品。

# / 步骤 / 做什么

1:步骤 UV/Vis 空光束;做什么 测氙灯通过空气的光谱,作为每次实验的灯源基线。

2:步骤 UV/Vis 自动定位;做什么 移动板使光路穿过空比色皿中心,测 3 次微调位置,自动优化板的 XY 坐标。

3:步骤 空比色皿 UV/Vis;做什么 测空比色皿的透射光谱,扣除塑料对光谱的贡献。

4:步骤 样品泵入;做什么 泵连接通气孔,将样品从储液通道推入比色皿。实时监测透射光强度变化,检测到比色皿填满后自动停泵。

5:步骤 样品 UV/Vis;做什么 测含样品的比色皿透射光谱。步骤 3–5 对每个用户指定的比色皿重复,软件计算吸收光谱。

6:步骤 RADLS 高度扫描;做什么 RADLS 模块上下移动,找到 0.7 mm 比色皿的垂直中心(Z 坐标),避免顶部/底部/侧壁干扰。

7:步骤 激光对准扫描;做什么 每切换一个角度,发射光纤和接收光纤的交汇点会微移。自对准光学系统在优化高度上做 XY 扫描,找到光束重叠最大的位置。

8:步骤 多角度 DLS + SLS;做什么 在每个角度做 5 次采集 × 1 秒(默认),共 7 个角度(默认)。同时记录散射强度波动(→ DLS)和平均强度(→ SLS)。完成后移到下一个样品。

步骤 6–8 里有一个关键的工程细节:RADLS 模块旋转接收光纤到不同角度时,激光束和接收光纤的交汇点会发生微小偏移。如果不修正,信号强度会因为对准偏差而下降。Stunner 在每个角度都做一次自对准(步骤 7),保证实际测量时光束重叠在最佳位置。角度一致性靠硬件和软件双重保证,所以 Stunner 的多角度数据质量能用来做外推计算。

什么样品需要 RADLS

判据是颗粒尺寸和 λ/10 比。蛋白、AAV 在 λ/10 以下,单一角度的 DLS/SLS 够用;LNP、聚集体或其他大颗粒超出这个范围,要用 RADLS 把粒径和浓度外推到 θ = 0°。想区分颗粒是实心、空心还是棒状,也要用 RADLS 同时拿到 Rg 和 Rh。