一、技术原理
纳米颗粒跟踪分析技术（Nanoparticle Tracking Analysis, NTA）是一种基于光学显微镜和激光散射的粒度分析技术，通过实时跟踪单个纳米颗粒在液体中的布朗运动，结合斯托克斯-爱因斯坦方程（Stokes-Einstein equation），计算颗粒的流体力学直径和浓度。其核心原理如下：
1.激光散射与布朗运动：
当一束激光照射到含有纳米颗粒的液体样品时，颗粒会散射光线。
颗粒在液体中由于受到周围分子的随机碰撞，会发生布朗运动，其运动速度与颗粒大小成反比（即颗粒越小，运动越剧烈）。
2.颗粒追踪与数据分析：
通过高灵敏度显微镜和高速摄像机（通常帧率为30帧/秒），捕捉颗粒的散射光信号，并记录其运动轨迹。
利用专用软件对视频进行分析，追踪每个颗粒的运动轨迹，计算其扩散系数（D）。
根据斯托克斯-爱因斯坦方程 D=6πηrkBT，推导出颗粒的流体力学半径 r，其中 kB 为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度，η 为液体粘度。
3.浓度计算：
通过统计视野中颗粒的数量，结合样品的稀释倍数和视野体积，计算颗粒的浓度（颗粒数/毫升）。
二、技术优势
1.高分辨率：
NTA能够直接观测和追踪单个颗粒，提供高分辨率的粒度分布信息，尤其适用于多分散体系（即颗粒大小分布较宽的样品）。
相比动态光散射（DLS），NTA在粒度分布的分辨率上具有明显优势，能够区分不同大小的颗粒群体。
2.宽检测范围：
NTA可检测的粒径范围通常为10 nm至2000 nm，覆盖了大多数纳米颗粒的应用领域。
3.浓度测定：
NTA能够直接提供颗粒的浓度信息，而无需依赖其他技术（如流式细胞术或透射电镜）进行定量分析。
4.实时动态监测：
NTA可以实时观测颗粒的运动行为，适用于研究颗粒的聚集、沉降、相互作用等动态过程。
5.样品需求少：
NTA所需的样品量较少（通常为几十微升至几毫升），且样品制备简单，适合对稀有或昂贵样品的分析。
三、应用领域
1.生物医学：
外泌体和细胞外囊泡（EVs）：NTA是外泌体表征的金标准，能够准确测定其粒径分布和浓度，广泛应用于生物标志物发现、疾病诊断和药物递送研究。
病毒和疫苗：NTA可用于病毒颗粒的粒度分析和浓度测定，辅助疫苗研发和生产过程中的质量控制。
蛋白质聚集：研究蛋白质在溶液中的聚集行为，评估蛋白质药物的稳定性和聚集倾向。
2.纳米材料：
纳米颗粒合成与表征：监测纳米颗粒的生长过程，优化合成条件，评估颗粒的均匀性和稳定性。
纳米毒理学：研究纳米颗粒在生物体内的行为和毒性，评估其潜在风险。
3.环境科学：
水体和空气中的纳米颗粒检测：监测环境中的纳米污染物，评估其对生态系统和人类健康的影响。
4.药物递送：
脂质体和聚合物纳米颗粒：表征药物载体的粒径和浓度，优化药物递送系统的性能。
5.食品和化妆品：
纳米乳液和纳米颗粒：分析食品和化妆品中的纳米成分，确保产品质量和安全性。
四、技术展望
1.多参数分析：
未来的NTA技术可能会结合其他分析手段（如荧光检测、拉曼光谱等），实现对颗粒的多参数表征（如粒径、浓度、表面电荷、化学成分等）。
2.高通量分析：
开发高通量的NTA设备，提高分析效率，满足大规模样品筛选的需求。
3.原位和实时监测：
将NTA技术应用于微流控芯片或生物反应器中，实现对颗粒行为的原位和实时监测，为生物过程控制和纳米材料合成提供实时反馈。
4.人工智能与数据分析：
结合人工智能和机器学习算法，提高数据分析的自动化程度和准确性，挖掘颗粒行为背后的生物学或物理化学机制。
5.便携式设备：
开发便携式NTA设备，拓展其在现场检测和即时诊断中的应用。
五、结论
纳米颗粒跟踪分析技术（NTA）作为一种先进的粒度分析工具，凭借其高分辨率、宽检测范围和实时动态监测能力，在生物医学、纳米材料、环境科学等领域展现出广阔的应用前景。随着技术的不断进步，NTA有望在多参数分析、高通量检测和原位监测等方面取得突破，为纳米科学研究和应用提供更强大的支持。
