近日，中國科學(xué)院上海藥物研究所于International Journal of Pharmaceutics上發(fā)表題為“納米材料大小和濃度的關(guān)鍵參數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)化納米顆粒跟蹤分析"的文章。該項研究中，作者系統(tǒng)性地評估了包括樣品構(gòu)成，樣品濃度，儀器設(shè)置參數(shù)，相機(jī)設(shè)置參數(shù)，液體流速對于NTA (NanoSight NS300) 測量準(zhǔn)確性的影響。在研究過程中，他們同時選取了顆粒粒徑表征的金標(biāo)準(zhǔn)——透射電子顯微鏡及基于電阻脈沖感應(yīng) (RPS) 原理的NanoCoulter納米庫爾特粒度分析儀進(jìn)行正交實驗，交叉驗證NTA對顆粒粒徑及濃度測量的精度。
圖1樣品濃度對NTA測量結(jié)果的影響。
作者使用了不同大小的聚苯乙烯 (PS) 和二氧化硅 (SiO2)標(biāo)準(zhǔn)顆粒，在不同的粒子濃度下進(jìn)行了測量，并比較了不同濃度下的平均尺寸和濃度偏差。結(jié)果顯示，當(dāng)粒子濃度在108-109 particles/mL之間時，測量結(jié)果最為準(zhǔn)確，線性趨勢最好。此時對應(yīng)視野內(nèi)的顆粒數(shù)為10-100和400-6500個。
圖2. 曝光度對NTA測量結(jié)果的影響
與DLS不同，NTA通過相機(jī)追蹤顆粒的實時的布朗運動進(jìn)行顆粒粒徑計算。因此優(yōu)化相機(jī)設(shè)置參數(shù)可以顯著提高NTA測得的粒徑和濃度的準(zhǔn)確性。作者使用了混合的不同尺寸的PS顆粒，在不同的曝光度 (camera level) 下進(jìn)行了表征。曝光度是表明相機(jī)對顆粒運動敏感程度的參數(shù)。通過調(diào)節(jié)曝光度，可以影響NTA的拍照結(jié)果。結(jié)果顯示，在曝光度為6-9時，100 nm的PS顆粒觀測不佳，而200 nm的PS顆粒清晰可見，當(dāng)曝光度為10-14時，100 nm的PS顆?？梢郧逦乇挥^測到，而200 nm的PS顆粒會過曝，影響結(jié)果。隨后作者進(jìn)一步評估了曝光度對100 nm，120 nm，150 nm，170 nm和200 nm的PS顆粒的粒徑峰值及分布進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，曝光度變化并未顯著影響PS顆粒的粒徑峰值，但是隨著曝光度上升，各組PS顆粒的粒徑平均值上升。因此作者認(rèn)為具體的不同大小的顆粒會與曝光度共同影響粒徑的測量結(jié)果。當(dāng)樣本分散度較大時，NTA相機(jī)難以找到合適的曝光度以保證可以拍到所有顆粒。在撰寫相關(guān)報告的時候，需要將NTA的曝光度等設(shè)定參數(shù)一并提交，以保證數(shù)據(jù)透明性。
之前的研究已經(jīng)表明，溶液粘度會影響NTA測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，但是對于泵速對測量結(jié)果有何影響仍是未知，因此作者使用了不同大小的PS顆粒，在不同的泵速下進(jìn)行了測量，并比較了不同速度下的平均尺寸和濃度偏差。結(jié)果顯示，對于小于200 nm的顆粒，泵速在50 AU (arbitrary unit)以內(nèi)可以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，而對于更大的顆粒，則需要更低的泵速才能保證準(zhǔn)確性。
圖4. NTA、DLS和RPS對多分散樣本的測量影響
隨后基于這些結(jié)果，作者按照該標(biāo)準(zhǔn)操作流程，評估了NTA對于多分散樣品的表征能力。作者制備了1: 1和10: 1（濃度比）的100 nm和150 nm PS顆?；旌衔铮鶕?jù)不同的曝光度，NTA在7-10的范圍內(nèi)對兩個樣品都可以順利測量得出兩個粒徑峰位。隨后，作者進(jìn)一步制備了1: 1: 1的100 nm，150 nm和200 nm及1: 1: 1: 1的100 nm，150 nm，170 nm和200 nm的三混合和四混合樣本，結(jié)果表明NTA無法完成測量，僅能得出一個寬峰。隨后作者進(jìn)一步使用DLS和RPS對上述四個樣本進(jìn)行分析，DLS對于上述四個樣本都無法測量得到精確峰位，僅能得到一個單峰，而基于RPS理論的NanoCoulter通過單顆粒檢測手段，成功地測量出混合物的粒徑，并得出精確峰位。隨后作者進(jìn)一步驗證了RPS的粒徑測量效果，制備了濃度比為1: 1: 1: 1的80 nm，120 nm，160 nm和200 nm的混合物。測量結(jié)果再次證實RPS可以順利地將混合物測出對應(yīng)的峰，并且不同的樣品峰之間區(qū)分明顯，分辨率良好。這種四分布樣品可以更真實的代表實際樣品。
最后，作者選取了兩種外泌體（分別來源于HEK293細(xì)胞和干姜），分別使用NTA，DLS和RPS技術(shù)進(jìn)行粒徑分析。結(jié)果表明在粒徑分析方面，NTA所得到的數(shù)據(jù)與TEM相似，而DLS粒徑值偏大，RPS所得粒徑結(jié)果偏小。在濃度方面，RPS表現(xiàn)出更精確的定量分析能力，這得益于RPS的單顆粒檢測技術(shù)，可以對每一個顆粒實現(xiàn)精確表征。
通過對實際樣品的測量，作者歸納總結(jié)了四種不同的顆粒表征方法的特點（表1）。作者認(rèn)為NTA在顆粒粒徑分析方面具有良好的分辨率和高準(zhǔn)確性，可以區(qū)分2-3種模態(tài)的樣本，但是對于外泌體類的樣本，NTA無法分辨外泌體，囊泡和脂蛋白，同時NTA也無法對不同來源的外泌體進(jìn)行區(qū)分。對于DLS，作者認(rèn)為該方法十分簡便，微量樣本即可完成測量，但是該方法測得的粒徑值與真實情況相比偏差較大，并且該方法無法測量樣品顆粒濃度。TEM方法則可以直接實現(xiàn)樣本顆粒的可視化測量，但是該方法成本高昂，費時費力。對于RPS，作者認(rèn)為該方法可以直接測量顆粒真實粒徑（尤其是未知樣本的顆粒特征情況下），并對多模態(tài)的混合樣本有良好的分辨率。
表1. 四種不同粒徑分析方法的特點匯總
通過該工作，作者系統(tǒng)的評估了包括濃度，儀器閾值，曝光度，泵流速等因素對NTA性能的影響，他們發(fā)現(xiàn)在濃度為108~109，泵流速為50AU時，對于顆粒樣本可以得到較為精確的表征結(jié)果，同時，他們也提出對于儀器閾值及曝光度這兩個參數(shù)，則需要結(jié)合樣本的粒徑具體問題具體分析。同時，他們也發(fā)現(xiàn)NTA對于多分散樣品分析能力不佳，而RPS則可以成功的區(qū)分三峰或四峰樣品，表明RPS對于多分散樣本具有更優(yōu)異的區(qū)分能力。同時作者選用多種表征手段對兩種外泌體進(jìn)行了分析，各個表征手段所得到的粒徑與濃度并不相同，因此作者認(rèn)為在進(jìn)行生物學(xué)顆粒研究時，需要運用正交方法學(xué)對顆粒進(jìn)行多重表征。
參考文獻(xiàn)
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