诊断实验室中的基因检测，面临哪些新挑战

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料。由于它的尺寸很小，会产生很多特殊的效应，比如小尺寸效应、隧道效应以及大的比表面积效应等，因此使得纳米材料表现出不同的物理化学特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，因而现在纳米材料被广泛应用于医药、化工、冶金、电子、机械、轻工、建筑及环保等行业。但由于其颗粒非常小，因此颗粒大小的检测也就成为了挑战，国际上对于超细颗粒的粒度测试一般有三种方法，即电子显微镜、动态光散射以及激光衍射。

1. 电子显微镜

电子显微镜技术的应用是建立在光学显微镜的基础之上的，它是利用电子束照射在颗粒上，然后通过电子透镜放大得到的图片。电镜的优点是结果直观，能够直接“观察”到所测颗粒，而且分辨率极高，但由于其放大倍数较高，因此采集的颗粒有限，取样代表性风险较高，同时高能的电子束可能破坏某些样品比如蛋白、颜料的结构。

2. 动态光散射技术

在溶液中悬浮的颗粒由于无规则运动会发生布朗运动。一般颗粒越小，运动速度越快，动态光散射技术利用悬浮颗粒在溶剂体系中做布朗运动的原理，通过检测颗粒的扩散速度，从而利用斯托克斯-爱因斯坦方程计算出颗粒的大小和粒度分布。

该技术优点是测试下限较低，对于极小的窄分布颗粒测试效果较好，同时所需样品较少，可以在悬液状态下直接测试样品并给出分布，测试速度较快。但由于该技术基于颗粒的布朗运动，一旦有大的颗粒在体系中，这些大的颗粒可能就会发生沉降从而导致测试结果错误，同时该技术是基于统计的光强变化来做数据处理，对于宽分布的样品测试结果有风险。

动态光散射技术

3．激光衍射技术

激光衍射技术主要利用的是光照射到颗粒后产生的衍射现象，不同大小的颗粒将会在空间形成不同的衍射条纹，一般来说，颗粒越小散射角越大，因此通过放置一系列检测器，检测不同角度的光散射强度，从而通过米氏理论反演计算出颗粒的粒度分布，如下图：

该技术的优点是测试范围宽，速度较快，取样代表性好，尤其是对于宽分布样品有比较好的测试效果。而恰恰很多纳米颗粒由于粒径很小，很容易产生二次团聚结构，这样就会形成小颗粒和团聚体大颗粒共存的情况，这恰恰是激光衍射技术擅长的地方。但其缺点是小颗粒散射光强非常弱，信噪比较低，同时颗粒越小，对其折射率等光学参数准确性要求越高，这就会给小颗粒测试带来风险。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料。由于它的尺寸很小，会产生很多特殊的效应，比如小尺寸效应、隧道效应以及大的比表面积效应等，因此使得纳米材料表现出不同的物理化学特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，因而现在纳米材料被广泛应用于医药、化工、冶金、电子、机械、轻工、建筑及环保等行业。但由于其颗粒非常小，因此颗粒大小的检测也就成为了挑战，国际上对于超细颗粒的粒度测试一般有三种方法，即电子显微镜、动态光散射以及激光衍射。

1. 电子显微镜

电子显微镜技术的应用是建立在光学显微镜的基础之上的，它是利用电子束照射在颗粒上，然后通过电子透镜放大得到的图片。电镜的优点是结果直观，能够直接“观察”到所测颗粒，而且分辨率极高，但由于其放大倍数较高，因此采集的颗粒有限，取样代表性风险较高，同时高能的电子束可能破坏某些样品比如蛋白、颜料的结构。

2. 动态光散射技术

在溶液中悬浮的颗粒由于无规则运动会发生布朗运动。一般颗粒越小，运动速度越快，动态光散射技术利用悬浮颗粒在溶剂体系中做布朗运动的原理，通过检测颗粒的扩散速度，从而利用斯托克斯-爱因斯坦方程计算出颗粒的大小和粒度分布。

该技术优点是测试下限较低，对于极小的窄分布颗粒测试效果较好，同时所需样品较少，可以在悬液状态下直接测试样品并给出分布，测试速度较快。但由于该技术基于颗粒的布朗运动，一旦有大的颗粒在体系中，这些大的颗粒可能就会发生沉降从而导致测试结果错误，同时该技术是基于统计的光强变化来做数据处理，对于宽分布的样品测试结果有风险。

动态光散射技术

3．激光衍射技术

激光衍射技术主要利用的是光照射到颗粒后产生的衍射现象，不同大小的颗粒将会在空间形成不同的衍射条纹，一般来说，颗粒越小散射角越大，因此通过放置一系列检测器，检测不同角度的光散射强度，从而通过米氏理论反演计算出颗粒的粒度分布，如下图：

该技术的优点是测试范围宽，速度较快，取样代表性好，尤其是对于宽分布样品有比较好的测试效果。而恰恰很多纳米颗粒由于粒径很小，很容易产生二次团聚结构，这样就会形成小颗粒和团聚体大颗粒共存的情况，这恰恰是激光衍射技术擅长的地方。但其缺点是小颗粒散射光强非常弱，信噪比较低，同时颗粒越小，对其折射率等光学参数准确性要求越高，这就会给小颗粒测试带来风险。

      当前，恰逢“大环保”、“大健康”新局势的开启，这些带给健康环保相关行业的剧烈变革是不言而喻的。

      在这场变革下未来相关行业发展趋势将迎来哪些变化?变化之中又反映出哪些新需求?面对这些需求科学仪器行业能为用户做些什么？……以上种种都是需要我们和用户朋友们一起坐下来，好好聊一聊的。

刚刚过去的5月8日，是充满收获的一天。这一天，2019海能技术交流会石家庄站在大家的热情讨论中落下帷幕，干货满满，收获的不只是经验。

      此次会议，我们邀请到了河北省分析仪器技术学会田宝勇主任，田主任从行业发展趋势、未来新挑战等方面对当前分析检测行业做出了深入的分析，引发了大家的热情讨论。

      海能应用工程师团队则为到场的用户朋友们分享了相关仪器性能参数及解决方案。除常规检测方案外，此次会议，我们把ZD放在了当前用户朋友们更为关注的环保及食品药品安全领域，与大家展开探讨，收获颇丰。

      真机体验环节，大家在现场体验区体验了K1160全自动凯氏定氮仪、D100杜马斯定氮仪、SOA100 二氧化硫残留量测定仪、Tank plus高通量微波消解仪、T960全自动电位滴定仪、P850 Pro全自动旋光仪等多款仪器，并针对仪器性能及应用与各产品负责人及到场的应用工程师进行了详细的交流。

      “追求用户的ji致体验”从来都不是一句标语，我们时时刻刻在做的就是将这个宗旨贯彻到为用户服务的每一个环节。未来，海能会顺应时代与局势发展，及时响应用户新需求，与用户共同迎接新挑战。科研道路上，海能愿做您值得信任的伙伴。

有机颜料分为天然与合成的两大类，现在常用的是合成有机颜料。合成有机颜料具有品种多，色彩齐全，颜色鲜艳，着色力强等特点，分为单偶氮、双偶氮、色淀、酞菁颜料等几大类，广泛地应用于油墨、油漆、涂料、合成纤维的原浆着色，以及纺织物的印花、塑料、橡胶、皮革的着色等。

合成的颜料原料不能达到颜料的性能要求，必须实施颜料化处理，就是改变合成颜料颗粒的粒径大小、形状与粒度分布，以达到与着色介质具有良好的匹配性或相容性，从而达到颜料性能要求，因此测试有机颜料的颗粒大小及其粒度分布是一项必须且非常重要的工作。

有机颜料的颗粒具有特殊性，在扫描电镜高能电子束照射下，颗粒都可能被“融化”甚至被破坏，并且所述颜料颗粒都为亚微米甚至纳米级，因此非接触式的测试方法——动态光散射和激光衍射法成为有机颜料粒度测试的主要手段。下面以酞青颜料为例来说明有机颜料的粒度测试过程。现有A和B两种酞青颜料产品，从性能来看B为不合格品，表现为B中有较大的颗粒，为了进一步验证，我们采用动态光散射测试结果如下：

可以看到，A、B两个样品的粒度都是亚微米级的，中值粒径在200纳米左右，粒径结果非常接近，并没有展现出明显差异。为了进一步考察，我们采用高性能激光粒度仪进行验证，结果如下：

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从上面的结果可以看到，激光衍射测试下A和B在小颗粒端非常接近，但在大颗粒端则展现出不同的状态，B中在微米级别有少量大颗粒。为了进一步考察，我们对两个悬液进行光学显微镜成像：

由于光学显微镜对于1微米以下的颗粒无法成像，所以在样品A的光学显微图像中看不到颗粒，说明其中没有粗颗粒。样品B的显微图像中就能看到一些颗粒，说明样品B确实有一定量的大颗粒，跟激光粒度仪的结果是一致的。

从上述两个样品的三种粒度分析方法能看出一些差别，这正是对超细颗粒粒度测试的挑战所在。动态光散射取样量少，光斑直径小，因此其取样代表性风险较高，导致少量大颗粒取不到。激光粒度仪取样量多，又有循环分散系统，大颗粒不容易沉降，因此能检测出来。显微图像是一种直接的粒度测量方法，可以用来作为其他方法的验证。

综上所述，对超细颗粒粒度测试时，可通过不同方法的对照验证来得出符合实际的粒度结果。

无机颜料一般为有色金属的氧化物，或一些不溶性的金属盐。相对于有机颜料，它具有性质稳定、耐高温、耐溶剂、耐候、遮盖力强等特点，因此被广泛地应用于工业各个领域。无机颜料颗粒表面活性高，极易团聚，对粒度测试带来了挑战。

无机颜料团聚的原因归纳起来有以下几个方面：（1）分子间的化学键（氢键）作用；（2）纳米颗粒的量子隧道效应、电荷转移和界面原子的相互耦合，这是纳米颗粒易团聚的主要原因；（3）超细颗粒的大比表面，使之易吸附空气水分导致粘连与团聚；（4）有些超细颗粒由于水解作用，表面呈较强的碱性，通过羧基和配位水分子缩合形成硬团聚，等等。由于上述原因，激光粒度仪检测超细无机颜料粒度往往会遇到很大挑战。

比如上述图片就是二氧化钛粉体的场发射扫描电镜图片。可以看到它的晶体比较均匀，颗粒直径在20-30nm或更小。但当我们把镜头拉远，则看到完全不同的下面的场景：

可以看出，该二氧化钛颗粒是由大量“原始”颗粒聚集而成，而前面图片一只是在方框内的局部放大照片而已。

随着测试镜头进一步拉远，我们可以发现，实际上二氧化钛存在大量“团聚体”结构，而且这些团聚体可能才是我们二氧化钛真实存在的状态，而激光粒度仪检测的正是这些团聚的颗粒，结果如下。

这也就是有些超细无机颜料用激光粒度仪所测的粒度结果，与电镜所看到的颗粒大小相差巨大的原因。电镜看微观粒子的形态和原始单晶很有效，激光粒度仪则是测到“团聚”颗粒的粒度分布。

由于超细无机颜料颗粒的团聚体具有一定的刚性，超声波分散、搅拌剪切和分散剂等常规的分散手段无法彻底分散，因此粒度仪所测的粒度结果可作为常规指标进行工艺控制，要了解原始颗粒的大小和形状，还要通过场发射扫描电镜来判断。