什么是布朗运动？它为何重要？
1827年，苏格兰植物学家罗伯特·布朗（Robert Brown）通过显微镜观察了悬浮在水中的花粉粒，发现花粉的运动方式是随机的——微小颗粒的运动速度不会减慢或停止，而是持续不断地运动。这种现象，我们现在称之为布朗运动，并非花粉所独有，在日常生活中随处可见。它并非生物学所特有，而是已经得到数学证明，并源于物理学。大多数人可能都注意到过暗室中灰尘颗粒在光线下飞舞，污染物/烟雾在空气中扩散，以及骨骼中钙的扩散——这些都是布朗运动的例子。
布朗运动是由于周围分子的轰击而产生的随机运动。理解布朗运动非常重要，因为它为我们提供了原子存在的证据。爱因斯坦于 1905 年提出的布朗运动数学模型是他对物理学鲜为人知但又非常重要的贡献之一。它描述了悬浮在液体中的微小可见粒子如何受到周围不可见水分子的轰击或移动，从而发生抖动。该模型详细解释了这种运动，并能够准确预测粒子的不规则随机运动，这些运动可以在显微镜下直接观察到。爱因斯坦的布朗运动理论提供了一种证明分子存在的方法，尽管分子太小而无法直接看到。不久之后，法国物理学家 JB Perrin 进行了一系列实验，证实了爱因斯坦的预测。该理论还有助于理解粒子大小与其运动速度之间的关系。
什么原因导致布朗运动？
虽然利用光学显微镜很容易观察到小粒子的布朗运动，并且在过去200年中对其进行了研究，但驱动布朗运动的机制尚不清楚。我们已知的是，布朗运动是由流体（例如液体和气体）的结构和物理特性引起的。根据J.C.麦克斯韦、L.Boltzmann和R.J.E.克劳修斯提出的动力学理论，所有物质都在运动；原子和分子，尤其是在液体和气体中，处于恒定的振动运动中。这些粒子会沿直线运动，直到发生碰撞改变方向。气体和液体中的粒子不断地运动、碰撞并趋向平衡。
影响布朗运动的因素主要有四个：温度、粒子数量、粒子大小和粘度。粒子或分子越大，分散介质的粘度越大，布朗运动就越慢。较小的粒子会被溶剂分子“踢”得更远，运动速度也更快。此外，高温和粒子数量越多都会增加运动速度。
如何测量布朗运动？
鉴于粒子运动速度或布朗运动与粒子大小相关，已经开发出利用这种关系的各种分析测量技术。
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动态光散射 (DLS)
动态光散射测量布朗运动并将其与粒子大小联系起来。DLS，有时称为光子相关光谱或准弹性光散射 (QELS)，是一种非侵入性的、成熟的技术，用于测量分散在液体中的分子和粒子的大小和大小分布，通常在亚微米区域，延伸至 1nm 以下。动态光散射的典型应用是表征分散或溶解在液体中的粒子、乳液或分子。DLS 分析的常见样品包括胶体二氧化硅、二氧化钛、陶瓷、碳点、脂质纳米颗粒、蛋白质和腺相关病毒 (AAV)。现代系统的灵敏度很高，它还可以用于测量溶液中大分子的大小和浓度，只需使用少量样品 (3µL) 进行少量稀释。
其工作原理是通过光学装置检测散射光强度的波动率。简而言之，用激光照射一个装有悬浮颗粒（呈布朗运动）的比色皿，使光以不同的强度散射。小颗粒的强度波动比大颗粒更快。通过分析强度波动可以计算出布朗运动的速度，从而得到颗粒的尺寸，该尺寸以流体动力学直径 (Hydroxy Diameter) 来测量。
粒子的运动速度或布朗运动的速度由称为平移扩散系数的属性定义。通过 DLS 获得的粒子大小或直径指示粒子在流体中的扩散方式，并且本质上与具有与粒子相同平移扩散系数的球体的直径相关。
利用斯托克斯-爱因斯坦方程，根据平移扩散系数计算出粒子的大小
d(H)= kT/3πηD
在哪里：-
d(H) = 流体动力学直径
D = 平移扩散系数
k = 玻尔兹曼常数
T = 绝对温度
η = 粘度
影响布朗运动速度的因素
许多因素都会影响DLS测量的准确度和精密度，包括温度稳定性和准确度。由于DLS需要了解粘度（液体的粘度与其温度相关），因此需要精确的温度。温度也需要稳定，否则样品中的对流会引起非随机运动，从而影响对粒径的正确解读。
粒子平移扩散系数的测量不仅取决于粒子“核心”的尺寸，还取决于任何会影响扩散速度的表面结构，以及介质中离子的浓度和类型。介质中的离子和总离子浓度可以通过改变双电层厚度（称为德拜长度）来影响粒子的扩散速度。低电导率介质会在粒子周围产生延伸的离子双层，从而降低扩散速度，并导致更大的表观流体动力学直径。相反，高电导率介质会抑制双电层，从而降低测量的流体动力学直径。任何影响扩散速度的粒子表面变化都会相应地改变粒子的表观尺寸。类似地，如果吸附的聚合物层突出到介质中，其扩散速度的降低幅度会比聚合物平铺在表面上时更大。表面和聚合物的性质以及介质的离子浓度都会影响聚合物的构象，进而导致表观尺寸改变几纳米。
当粒子运动并非随机时，DLS 将不适用。因此，DLS 能够可靠测量的最大粒径取决于样品，通常由粒子沉降的开始时间决定。所有粒子都会沉降，沉降速率取决于粒子和悬浮介质的粒径和相对密度。为了成功进行 DLS 测量，沉降速率应远低于扩散速率，因为扩散速率慢会导致测量时间较长。返回搜狐，查看更多