使用BeNano 180 Zeta检测BSA溶液流变学信息

关键词：蛋白、微流变、粘弹性信息、温度变性

BSA蛋白加热变性示意图

动态光散射微流变是通过动态光散射得到示踪粒子的均方位移MSD来得到溶液流变学信息的技术，可以用来检测中低粘度高分子溶液体系、蛋白溶液、凝胶体系，在这种体系中示踪粒子可以具有明显位移。相对于机械流变技术，微流变的检测过程和数据处理直接快速，可以得到高频下样品的粘弹性信息。

在这个应用报告中，使用丹东百特公司出品的BeNano 180 Zeta 纳米粒度及 Zeta电位分析仪检测了不同BSA样品。BSA溶液在低温条件下分散较好，在加热过程中会发生热变性，生成蛋白质团聚物，从而极大的改变溶液性质。我们通过BeNano微流变技术检测了BSA溶液不同温度下的粘弹性信息。

原理

动态光散射微流变中加入粒径范围在0.3 – 2.0 μm的胶体颗粒作为示踪粒子。这些示踪粒子的运动方式反映了周围环境的流变学性质。对于纯粘性流体样品（牛顿流体），示踪粒子在整个样品环境中自由扩散，颗粒的均方位移MSD随时间线性增加。

其中D为颗粒的扩散系数，通过带入标准Stokes-Einstein方程：

其中R(h)是示踪粒子的半径，便可以得到MSD与粘度之间的关系：

通过拟合MSD随时间的曲线，即可得到牛顿流体的粘度𝜂。然而在一些体系中还包含弹性成分，对于此类体系，我们用广义Stokes-Einstein方程进行描述：

这个方程可以通过MSD计算依赖于频率的弹性/存储模量G’和粘性/损耗模量G”， 并可以计算复数粘度以及蠕变柔量。

设备

采用丹东百特公司的BeNano 180 Zeta 纳米粒度及 Zeta电位分析仪。仪器使用波长671 nm，功率50 mW激光器作为光源，设置在173°的APD检测器进行散射光信号采集。采用单模光纤进行信号传导，以最大程度的提高信噪比。

样品制备和测试条件

• 粒径和散射光强温度扫描

  配置了10mg/mL BSA溶液，通过BeNano内置的温度控制系统将测试温度控制为40℃ - 70℃，以1℃为升温间隔，每一步温度改变至少进行60秒的温度平衡。

• 微流变温度扫描

  在BSA溶液中加入400 nm带负电的聚苯乙烯球作为示踪粒子，在25℃ - 70℃之间以一定温度间隔检测BSA溶液的流变学信息。

测试结果和讨论

首先分别测试了BSA溶液和示踪粒子悬浮液的Zeta电位，BSA溶液Zeta电位为-14.35 mV，400nm示踪粒子Zeta电位为-51 mV。BSA和示踪粒子都携带负电性，这可以避免正负电荷相互作用引发的团聚等不稳定因素。

通过样品的原始散射光信号，我们得到这些样品的相关曲线：

图1. 不同温度下BSA（含示踪粒子）溶液的相关曲线

图2. 不同温度下BSA溶液的MSD曲线

图3. 不同温度下BSA溶液的粘弹性模量曲线

图4. 不同温度下BSA溶液的复数粘度曲线

图5. BSA的粒径与散射光强（上图）和

@2096 rad/s的复数粘度（下图）随温度变化曲线

通过图1-图5可以看出，在25℃-60℃之间，随着温度的升高，相关曲线的衰减变快，这表明了示踪粒子的运动速度随温度升高而加快，这是由于溶液的粘度随着温度上升而下降引起的，同时这个温度区间内溶液的粘弹性模量均随温度升高而降低。同样通过MSD曲线可以看出，在同样的温度范围内，温度越高，MSD值越大示踪粒子速度越快。

而在60℃-70℃之间随着温度的升高，相关曲线的衰减变慢，这表明了示踪粒子的运动速度随温度升高而降低，这是由于BSA在这个温度范围内热变性生成了大分子团聚物，团聚物的产生急剧增加了样品粘度和粘弹性。

对比图5中BSA粒径与光强对于温度的依赖性，可以看通过微流变得到的复数粘度同样在~65摄氏度左右急剧升高。粒径和复数粘度对于温度的依赖性相互对应。

结论

通过检测结果，我们可以看到BeNano 对于一个蛋白质样品的微观流变学检测能力。在一个温度范围内的BSA的微流变信息灵敏且准确的反映了蛋白溶液的温度转变过程。通过微流变测试，在一个短时间测试过程中可以得到样品较高频率下的流变学参数，包括均方位移、复数粘度、粘弹性模量、蠕变柔量等等，为表征液体的流变学特性提供了有利工具。