UV/Vis 给出样品有多少(浓度),DLS 给出样品有多大、有没有聚集;Stunner 的 DLS 覆盖 0.3–1000 nm。从一束激光到粒径数据,中间要经过散射光强度的波动、自相关函数和扩散系数,最后才是粒径。
DLS(Dynamic Light Scattering,动态光散射)测量溶液中分子或颗粒的流体动力学直径(hydrodynamic diameter, Dh)。Dh 是分子在溶液里实际表现出的大小,包含了水化层。不同类型的样品,Dh 差异很大:蛋白单体 5–15 nm,AAV 衣壳 20–30 nm,LNP 50–200 nm,聚集体可以到几百甚至上千 nm。
粒径之外,DLS 还给出多分散指数(polydispersity index, PdI),衡量样品粒径分布有多宽。PdI 越小,分布越窄,样品越均一。
### PdI 判读参考
- ≤ 0.1:单分散,一个窄峰。Z-average 和 PdI 就足够描述样品
- 0.1–0.2:中等多分散,有少量聚集体或其他组分;粒径分布算法在这个范围工作效果最好
- > 0.2:高度多分散,显著聚集或多种大小的颗粒混在一起
这些是指导值,不作硬性分界。实际判读要结合样品类型和实验目的。
### 1. 布朗运动产生散射光波动
溶液中的分子不停做无规则运动(布朗运动),激光照上去后散射光的强度随时间快速变化。小分子运动快,散射光强度波动也快;大分子运动慢,波动也慢。
### 2. 自相关函数捕捉波动速率
把不同时刻的散射光强度做自相关运算,得到一条从高点衰减到基线的曲线,也就是自相关曲线(correlogram)。衰减越快,分子运动越快,粒径越小。
### 3. 从扩散系数算粒径
拟合自相关曲线得到平移扩散系数 Dt,再用 Stokes-Einstein 方程反推流体动力学直径:Dh = kBT / (3πηDt)。温度 T 和溶剂粘度 η 已知的情况下,扩散系数完全由粒径决定。
### 4. 累积量拟合:Z-average 和 PdI
对自相关曲线做二阶累积量拟合,第一项给出 Z-average 粒径,第二项给出 PdI。样品包含多种大小的颗粒时,Stunner 的专有算法进一步反解自相关函数,计算完整的粒径分布。
理想自相关曲线(correlogram)。最高点接近 1.0,衰减到基线后趋于稳定。衰减越快说明粒径越小。
X 轴是延迟时间(delay),Y 轴是归一化的自相关系数。一条理想的 correlogram 从接近 1.0 的高点出发,呈 S 形衰减到基线。
粒径怎么影响曲线形状?小分子运动快,相邻时刻的散射光强度很快就失去相关性,自相关衰减快,曲线整体左移。大分子运动慢,自相关维持时间更长,曲线右移。
单分散样品产生一条光滑的 S 形曲线。多分散样品的曲线会变形(拉伸、出现台阶),因为不同大小的颗粒各自贡献了不同衰减速率的分量。算法要从这条变形的曲线中反解出粒径分布,样品越复杂,反解难度越大。
### A 值:数据质量指标
Stunner 用 A 值(amplitude at τ→0,即截距)衡量信号与噪声的比值。A 值越高,自相关曲线的起点越接近理论值,数据质量越好。A 值太低通常意味着样品浓度不够或散射信号太弱。
传统 DLS 在一个固定角度测量。Stunner 的 RADLS(Rotating Angle DLS)在 7 个不同角度上各采集一组数据,综合后还原粒径分布。
多角度的优势在于:光散射的强度和角度有关(Mie scattering),不同大小的颗粒在不同角度上散射强度分布不同。单角度只看到一个"截面",可能高估或低估某一类颗粒的占比。7 个角度的数据放在一起,算法能分开不同大小颗粒各自的贡献。多分散样品(比如同时含有单体和聚集体的蛋白溶液)获益最明显。
代价是时间:单角度 DLS 96 个样品约 1 小时,RADLS(7 角度)约 2 小时。
### 怎么选
快速筛选只需要 Z-average 和 PdI,单角度够用。复杂样品、需要可靠的粒径分布、或者结果要放到报告里,用 RADLS。
Stunner 的 Details 界面同时显示三种粒径分布图:强度加权、质量加权和数量加权。同一个样品在三张图上看起来可能完全不同。差别来自观察角度,数据本身并不矛盾。
同一个样品的强度分布(左,绿)和质量分布(右,蓝)。强度分布中 25.4% 的聚集体峰(Pk2, 83.1 nm)在质量分布中只占 0.2%。质量分布里这个峰位于 65.1 nm。
### 强度加权分布(Intensity Distribution)
DLS 直接测到的原始信号。散射强度和分子量的平方成正比(∝ MW²),所以哪怕只有极少量的聚集体,在强度分布上也会形成一个显眼的峰。上图左侧:Pk1 = 9.1 nm 占 74.6%,Pk2 = 83.1 nm 占 25.4%,看起来聚集体不少。适合质控场景,微量聚集也藏不住。
### 质量加权分布(Mass Distribution)
从强度分布除以分子量(每个 size interval 除以对应的 MW 估算值)换算得到。上图右侧:同一个聚集体峰按质量只有 0.2%(Pk1 = 8.9 nm / 99.8%, Pk2 = 65.1 nm / 0.2%)。MW 来自下文的 Rh–MW 估算,所以这是近似的质量占比。
### 数量加权分布(Numbers Distribution)
从强度分布除以 MW² 再乘 Avogadro 常数换算得到,反映各种大小的颗粒有多少个。对大颗粒的压制最强,聚集体峰几乎消失,因为按颗粒数算它确实极少。
检测聚集看强度分布,微量聚集体在这里最明显。了解各组分实际占比看质量分布。判断"大部分颗粒有多大"看数量分布。
粒径分布告诉你样品"有多大",但有时候还想知道"有多重",也就是分子量。Stunner 除了 DLS(动态光散射)还内置了 SLS(Static Light Scattering,静态光散射)。SLS 通过总散射光强度和浓度直接测分子量。DLS 测的是尺寸,不直接给分子量。不过球形分子的流体动力学半径(Rh,即 Dh 的一半)和分子量之间有经验关系,Stunner 用这个关系做估算。
流体动力学半径(Rh)与分子量(MW)的对数关系。回归方程 Est. MW = 2.75 × Rh²·⁴⁹ 基于球形蛋白假设。
上图是用一组标准蛋白建立的回归关系:Insulin(5.8 kDa)、Lysozyme(14.5 kDa)、BSA(66.8 kDa)、Hexokinase(104 kDa)等。在对数坐标下,Rh 和 MW 呈线性关系。拟合方程 Est. MW = 2.75 × Rh2.49 可以从 DLS 测到的 Rh 反推分子量。
这是估算,假设前提是球形。非球形分子(如纤维状蛋白)会偏离回归线。另外,少量聚集体(二聚体、三聚体)的存在会显著拉高表观 Rh,导致 MW 估算值偏大。需要准确分子量的场景,应该用 SLS 数据。
除了一个样品测一次,DLS 还有一个进阶用法:配一组浓度梯度,观察粒径和散射强度随浓度的变化趋势。由此可以推断蛋白分子之间是互相排斥还是互相吸引。这决定了蛋白在高浓度下会不会聚集,影响制剂稳定性和货架期。B₂₂(第二维里系数)和 kD(扩散相互作用参数)就是量化这种分子间相互作用的指标。
测量方法:配一组浓度梯度的同一个蛋白(建议 4–5 个浓度,跨 3–5 倍范围),每个浓度都做 DLS。扩散系数对浓度作图,拟合直线的斜率除以截距(无限稀释时的扩散系数)就是 kD。B₂₂ 则来自散射强度对浓度的拟合。
在高浓度单抗制剂的开发阶段,kD 筛选可以在很早期排除掉不稳定的候选物。每个候选分子只要 4–5 个浓度点,96 个孔位可以并排比较多个分子。
### 下一步
→ 从打开软件到出数据
→ DLS 结果怎么看