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精準表征賦能智能材料開發——DLS與ELS在表位印跡納米凝膠研究中的應用實例

閱讀：92 發布時間：2026-8-14

動態光散射（DLS）和電泳光散射（ELS）是納米材料表征的常用手段。DLS通過分析顆粒布朗運動獲得水力學尺寸及其分布，ELS則通過測量電泳遷移率計算Zeta電位，反映表面電荷狀態。兩項技術聯用，可在短時間內提供納米顆粒的尺寸、分布、表面電荷等核心參數。

以發表于 Biosensors and Bioelectronics 的一篇論文為例，該研究聚焦于甲肝病毒（HAV）的快速檢測——傳統PCR和ELISA方法雖靈敏可靠，但依賴專業實驗室和操作人員，難以滿足現場篩查需求。分子印跡聚合物作為人工合成受體，兼具成本低、穩定性高、可批量制備等優勢。作者探索以HAV衣殼蛋白表面的短肽片段（表位）為模板，制備溫敏印跡納米凝膠并與QCM傳感器結合，實現免標記病毒檢測。研究選取了兩個序列不同的表位（Epitope-2和Epitope-3）分別制備納米凝膠，系統比較其物理化學性質和識別性能——這便引入了對DLS和ELS的核心需求。

一、DLS揭示尺寸差異及其對結合行為的影響

DLS提供的尺寸數據不僅是常規的物理參數，更是理解納米材料結合熱力學和動力學行為的關鍵線索。為確認納米凝膠的合成狀態并比較兩種配方的物理差異，研究者在38°C（即后續病毒檢測的工作溫度）下對兩種納米凝膠進行了DLS表征。

Fig1. （A）Epitope-2和（B）Epitope-3印跡納米凝膠的流體動力學粒徑分布。

結果如Fig. 1所示，Epitope-2印跡納米凝膠的水力學直徑為 52.8 ± 0.5 nm，而Epitope-3印跡納米凝膠為 101.4 ± 1.6 nm。兩組數據的標準差均很小，表明固相合成法制備的納米凝膠尺寸分布較窄、均一性良好。兩種尺寸的差異可追溯至單體配方的不同：Epitope-2體系額外添加了N-苯基丙烯酰胺（PAA，5 mol%），同時將NIPAM比例降至80 mol%，改變了交聯密度和鏈段柔性，使塌縮態粒徑明顯小于未添加PAA的Epitope-3體系（85 mol% NIPAM）。

更有意思的是，這一尺寸差異直接關聯到后續熒光結合實驗中的不同表現。在等質量濃度下，粒徑更大的Epitope-3納米凝膠顆粒數密度更低，單位體積內可提供的印跡空腔總量較少，因此當質量濃度超過100 μg/mL時表位肽的結合便趨于飽和；而粒徑較小的Epitope-2體系因顆粒數密度更高，在相同質量濃度范圍內仍呈線性上升。

二、ELS測定Zeta電位：驗證表面化學一致性

在確認尺寸差異后，研究者進一步利用ELS評估兩種納米凝膠的表面電荷狀態，以判斷配方中單體比例的變化是否影響了表面化學性質。

測量在38°C下進行，結果顯示Epitope-2 MIP-NGs的Zeta電位為 14.8 ± 1.4 mV，Epitope-3 MIP-NGs為 13.1 ± 2.8 mV（Fig. 2），兩者幾乎一致。這一結果與配方設計吻合——兩種納米凝膠均含有5 mol%的功能單體AB（帶正電荷基團），ELS數據驗證了表面化學環境的可比較性。

Fig2. (A) Epitope-2 MIP-NGs和Epitope-3 MIP-NGs在38°C、1 mM NaCl溶液中的Zeta電位測量結果(n=3)。

這一數據的價值在于：它排除了表面電荷差異作為結合親和力不同之干擾因素的可能性。后續SPR測試中，Epitope-3體系（KD = 5.07×10?13 M）的親和力遠優于Epitope-2體系（KD = 2.49×10?11 M），這一差異可以更可靠地歸因于表位結構本身和印跡空腔質量的差別，而非表面電荷的干擾。此外，正Zeta電位也提示納米凝膠可通過靜電吸引增強與目標病毒的結合，為理解識別機制提供了佐證。

三、DLS與ELS貫穿材料性能評估與批間質控

DLS和ELS提供的基礎物理參數，為理解該材料在傳感檢測中的多項性能優勢提供了關鍵支撐，同時也成為批間質量監控的核心工具。

高親和力與特異性識別的物理解釋。 Epitope-3印跡納米凝膠在SPR測試中KD值達 5.07×10?13 M，對HAV的響應信號分別是對BSA、EAV和HSV的 3.4倍、3.7倍和4.3倍。DLS顯示的均一尺寸分布保證了納米凝膠在傳感器表面的均勻排布，ELS確認的正電荷表面則有助于通過靜電吸引增強對目標病毒的捕獲效率——兩者共同為高親和力識別提供了物理化學基礎。
溫敏再生行為的尺寸依賴。 PNIPAM骨架賦予納米凝膠溫敏“開關"特性。DLS在該材料體系中的關鍵作用在于：只有在38°C（塌縮態）下測得的尺寸，才能真正代表納米凝膠在實際工作條件下的有效尺寸和空腔暴露狀態。研究者正是基于DLS在38°C下確認的塌縮態尺寸，才得以合理解釋后續4°C溶脹釋放、38°C重新捕獲的可逆再生行為。電沉積傳感器經冷緩沖液再生后可恢復約76%的初始響應，這一再生效率與納米凝膠在兩種溫度下明確的尺寸變化密切相關。
復雜基質中保持性能的結構基礎。在1%人血清中，傳感器回收率為80.62%~107.85%，檢測限與緩沖液中基本持平（電沉積平臺：緩沖液1.05 pM，血清1.26 pM）。DLS和ELS在此的意義在于：兩者在合成后即確認了納米凝膠的尺寸均一性和表面電荷穩定性，這兩項指標正是材料在復雜生物基質中抵抗非特異性蛋白吸附、保持印跡空腔識別功能的結構前提。
批間質控的核心工具。在納米材料的實際應用中，批次間一致性是決定材料能否從實驗室走向實際應用的關鍵指標。研究者對四個獨立合成批次進行了平行表征（Fig.3），DLS測得的水力學尺寸、ELS測得的Zeta電位以及納米凝膠產率在四個批次間均保持高度一致。這一數據不僅證明了固相合成法的良好可控性，更展示了DLS和ELS作為質控工具的實際價值——通過尺寸和表面電荷兩個最核心的物性指標，快速、非破壞性地判斷每批產品是否合格。

Fig3.基于流體動力學尺寸、Zeta電位和產率評估MIP-NG的批次間可重復性

此外，QCM集成后無需標記或信號放大，單個濃度點結合時間15分鐘，操作流程顯著簡化。而DLS和ELS作為前期的表征與質控工具，確保了每一批納米凝膠在投入QCM測試前均達到一致的物理化學標準，從而保障了最終檢測結果的可靠性。

四、技術特點與應用優勢

本研究所采用的DLS和ELS測量方法，體現了以下在實踐中值得關注的特點：

原位狀態測量：直接在38°C的工作溫度下測定，獲得的是納米凝膠在實際應用構象下的尺寸，使表征數據與使用性能直接對應。
樣品消耗極少：僅需1 mL洗脫液即可完成完整測量，對于珍貴樣品尤為友好。
快速獲取多參數：DLS和ELS可在同一儀器上連續完成，單次測量僅數分鐘，大幅提高表征效率。
數據統計可靠：研究中采用6次（DLS）和3次（ELS）重復測量，保證了數據的統計可靠性。
批間質控的有效工具：通過尺寸和Zeta電位的批間比對，可快速判斷合成重現性，為質量監控提供了客觀量化指標。

五、結語

在Sehit等人的研究中，DLS和ELS所提供的粒徑、分布和Zeta電位信息，不僅驗證了納米凝膠的成功合成，還揭示了不同配方體系的物理差異及其對結合性能的影響，同時證明了合成路徑的可靠重現性。這些數據貫穿于材料篩選、性能解讀和質控評估的全過程，展現出DLS與ELS在智能納米材料研發中的實際應用價值。

對于從事納米載體、分子印跡材料或生物傳感界面研究的科研人員而言，合理運用DLS與ELS進行系統表征，有助于建立材料物性與功能之間的關聯，從而為理性設計和工藝優化提供可靠依據。貝拓科學DLS100納米粒度及ZETA電位分析儀同樣基于動態光散射與電泳光散射原理，粒度測量范圍0.7 nm–10 μm，ZETA電位范圍-500 mV~+500 mV，溫控精度0.1℃，符合ISO 22412、GB/T 29022等多項標準，可為納米凝膠、脂質體、蛋白質等體系的粒徑與Zeta電位測定提供可靠解決方案。

文中有刪減，更多詳細信息請閱讀原文：

Sehit, E., Marquant, R., Haupt, K., & Altintas, Z. (2026). Epitope-imprinted nanogels for high-performance mass-based detection of pathogenic viruses. *Biosensors and Bioelectronics*, *312*, 118966.

精準表征賦能智能材料開發——DLS與ELS在表位印跡納米凝膠研究中的應用實例

一、DLS揭示尺寸差異及其對結合行為的影響

二、ELS測定Zeta電位：驗證表面化學一致性

三、DLS與ELS貫穿材料性能評估與批間質控

四、技術特點與應用優勢

五、結語

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精準表征賦能智能材料開發——DLS與ELS在表位印跡納米凝膠研究中的應用實例

一、DLS揭示尺寸差異及其對結合行為的影響

二、ELS測定Zeta電位：驗證表面化學一致性

三、DLS與ELS貫穿材料性能評估與批間質控

四、技術特點與應用優勢

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三、DLS與ELS貫穿材料性能評估與批間質控

四、技術特點與應用優勢

五、結語