即時奈米粒徑分析技術介紹與實例分享

有可能即時偵測與控制Lipsome的奈米粒徑大小嗎?

作者利泓科技技術專員 呂昌諺
日期2022-11-23

您將在本篇電子報了解到:

  1. 傳統奈米粒徑分析的限制是什麼?
  2. 空間解析─動態光散射如何即時分析奈米粒子流體?
  3. mRNA微胞奈米粒徑即時分析實例

傳統奈米粒徑分析的限制

  過去奈米粒徑的分析常見的有動態光散射(DLS)與掃描電子顯微鏡(SEM)等方式,前者根據奈米粒子粒徑與布朗運動速度呈反比相關的特性,即粒徑越小,奈米粒子的布朗運動越快,搭配Stokes–Einstein方程式可求得奈米粒子的粒徑大小。後者則是直接觀察到奈米粒徑的大小,但主要限制是只能觀察一小部分的奈米粒徑,統計上的代表性比較不足,所以我們習慣採用動態光散射的方式。

  在隨時控制品質而需要即時分析的製程中,傳統的動態光散射因為必須在靜態的溶液中分析,同時在濁度較高的樣品條件下,會產生多重散射影響量測的準確度,此外為了達到具代表性的粒徑分布結果,通常會需要花費至少數分鐘的分析時間,已經無法滿足即時分析製程狀態的需求。

空間解析─動態光散射分析原理

  在本篇文章中我們向您提供改良版的DLS方法,稱之為空間解析─動態光散射分析方法(SR-DLS),SR-DLS使用廣域的近紅外光源,搭配製造光程差的干涉儀,使得每一次的分析都可以取得上千筆的數據,在10秒內取得奈米粒徑的粒徑分布,同時在遭遇高濁度樣品的時候,又可以去除多重散射的訊號,在軟硬體的整合下,SR-DLS可以對流動中的製程產品進行即時的分析,這對於掌握製程的狀態是非常重要的優勢。
 
  下圖中DLS與SR-DLS的比較中,DLS必須跟蹤單一奈米粒子,紀錄隨時間減少的相關性,計算取得單一粒子的粒徑,因為如果要取得樣品的奈米粒徑分布,這個步驟要重複相當多次,在SR-DLS中,因為空間解析的效果,軟體可以同時記錄上千筆相關性的資訊,一併進行處理,所以可以快速地取得奈米粒徑分布。

mRNA微胞奈米粒徑分析結果

  SR-DLS除了快速分析之外,最重要的是可以直接與產線管路結合,即時分析流動中的奈米粒徑,因為奈米粒徑主要是根據粒子的移動,所以溶液的流速會直接影響到量測的數值,因此SR-DLS在計算中加入了流速的校正,使得在流動中的樣品,依然可以取得準確的奈米粒徑數值。

即時分析mRNA微胞(liposome)奈米粒徑分布

  在過去幾年期間,如何穩定快速的生產疫苗變成全球密切關切的議題,而在mRNA疫苗的生產中,控制微胞(Liposome)的大小成為重要的關鍵參數,作為mRNA的載體微胞,粒徑如果過大,會使得細胞無法吸收,如果太小則無法攜帶足夠的藥物產生需要的療效。在過去只有傳統DLS作為品質管控的方法時,在時效性上可能會來不及修正錯誤的製程參數而使得品質不符規格。
 
  從下圖中的案例中,微胞在HPH的乳化製程中藉由壓力來控制粒徑尺寸,將SR-DLS安裝於循環系統的某一個環節上,隨著壓力的增加,SR-DLS可以即時取得微胞的奈米粒徑分布的變化逐漸從350奈米下降至250奈米,同時也可以觀察到多分散性指數也跟著下降,顯示粒徑分布趨於集中,而且從中央的實際架設圖中,可以看到樣品的外觀是屬於容易造成多重散射的乳白色溶液。這樣子的分析效果在過去都會受限於分析方法的不足,而延緩了製程優化的速度,也同時減慢了疫苗開發的時程。

SR-DLS即時奈米粒徑分布技術特點

NanoFlowSizer產品簡介
  • 每次分析不到10秒
  • 較傳統DLS更能接受高濁度樣品分析
  • 可以接受靜態或流動態的樣品分析
  • 符合ISO 22412
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