纳米粒子表征的挑战以及如何用光散射工具包克服它们gydF4y2Ba

工程纳米粒子(ENPs)在各种工yabo214业和商业产品上引起了人们的兴趣，如食品、化妆品和药品。块体材料的物理性质不会随其大小而改变，但纳米粒子的大小往往控制其亚博网站下载物理和化学性质。yabo214gydF4y2Ba

纳米粒子的大小需要精确和全面的表征yabo214，以便控制它们的性质，了解它们在新的应用领域的潜力。形状、聚集和zeta电位是纳米粒子开发、配方、优化、质量控制和毒理学的其他重要参数。yabo214这些参数可以使用各种分析技术确定，每种技术都有自己的优点和缺点。gydF4y2Ba

基于光散射的纳米颗粒表征工具，如动态(DLS)、多角度(MALS)和电泳(ELS)，可以确定形状或构象、大小和大小分布，以及絮凝或聚集的倾向。gydF4y2Ba

改进和支持光散射的辅助方法有场流分馏(FFF)和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)，前者在分析前根据纳米颗粒的大小将其分离，后者用于元素组成分析。yabo214gydF4y2Ba

纳米粒子表征的挑战gydF4y2Ba

在纳米粒子工程中，遇到的一个关键挑战是纳米粒子的特性对看似相似的粒子之间细微变化的敏感性。yabo214因此，需要对名义上等价过程产生的enp进行全面表征，以发现它们是否实际上相同。gydF4y2Ba

纳米粒子的性质可以随着时间的变化而变化，因为它yabo214们可能与环境不平衡。周围介质的微小差异可以导致颗粒聚集，大小变化，并与环境反应，吸收或氧化污染物。gydF4y2Ba

了解这些特性的时间依赖性对于生产和产品稳定性，以及存储、环境和健康影响至关重要。gydF4y2Ba

控制enp使用的法规尚未完全确定。美国环境保护署(EPA)的现行指导要求gydF4y2Ba“……新(纳米粒子)化学物质的制造商在生产化学品或将其投入商业之前向原子能机构提供具体信息以供审查。”gydF4y2Ba

建议采用综合的方法进行分析，特别是相对于影响ENP行为的关键特征(如生物体的吸收或扩散速度)的粒径。gydF4y2Ba

光散射工具包gydF4y2Ba

光散射有不同的形式，每一种都有助于对纳米粒子的性质有不同的了解。yabo214DLS是分析纳米颗粒时最常见的光散射形式。yabo214MALS和ELS是更复杂的形式。gydF4y2Ba

DLSgydF4y2Ba

DLS是一种快速、低分辨率的扩散系数测量方法，因此流体力学尺寸(gydF4y2BargydF4y2Ba_hgydF4y2Ba)的悬浮或溶液中的纳yabo214米颗粒。gydF4y2Ba

使用测量到的扩散系数，可以在几秒到几分钟内估计粒径和粗粒径分布，半径在0.2 nm以下到数千nm之间，通常不需要稀释或额外的样品处理步骤，只需要移液到微孔板或比皿中。gydF4y2Ba

DLS适用于所有形式的ENPs，不论其材料和光学特性，如有机、电介质、半导体和金属。gydF4y2Ba

图1所示。gydF4y2Ba从批量(未分馏)动态光散射(DLS)测量半导体纳米粒子的尺寸分布，显示出双峰居群。yabo214散射强度与半径的6次幂近似成正比，所以145.9 nm处的峰的散射强度比26 nm处的峰大得多，但在质量含量上却小得多。gydF4y2Ba

荧光纳米粒子是一个挑战，可以通过安yabo214装窄带荧光阻挡过滤器或改变激光波长来解决。传统的DLS是在单样品试管中进行的gydF4y2BaDynaProgydF4y2Ba^®gydF4y2BaNanoStargydF4y2Ba^®gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

相反，一个更复杂的系统可以在微孔板上自动测量几十或数百个样品，极大地提高了ENP表征的生产力和吞吐量。gydF4y2Ba

Wyatt技术的DynaPro平板阅读器II可以在标准微孔板中进行原位DLS测量，可容纳96、384甚至1536个样品，并可以在一天内分析数百或数千个样品，以筛选各种溶液条件的最佳稳定性和其他性能。另一个应用是优化声磨法制备药物纳米颗粒的工艺条件。yabo214gydF4y2Ba

malgydF4y2Ba

MALS决定了大小和半径的均方根的不同度量gydF4y2BargydF4y2Ba_ggydF4y2Ba(从10到500 nm)的ENPs，利用它们的各向异性(即角度依赖)散射行为。gydF4y2Ba

与DLS不同，未分馏的MALS测量不能建立粒径分布，但可以建立溶液中粒子总体总体的z平均粒径。yabo214然而，MALS是在流动系统中进行测量的理想工具，如现场流动分馏(FFF)系统，通过FFF确定高分辨率的尺寸分布。gydF4y2Ba

的结合gydF4y2BargydF4y2Ba_hgydF4y2Ba和gydF4y2BargydF4y2Ba_ggydF4y2Ba提供形状因子ρ =gydF4y2BargydF4y2Ba_ggydF4y2Ba/gydF4y2BargydF4y2Ba_hgydF4y2Ba，它可以很好地预测形状和构象，例如，ENP的椭圆度或壳层与填充球体的区别。对于像碳纳米管这样的大颗yabo214粒，角强度分布揭示了棒状的长度和形状。gydF4y2Ba

威特的黎明gydF4y2Ba^®gydF4y2BaHELEOS二世gydF4y2Ba^®gydF4y2Ba可以集成嵌入式Wyattqels™DLS检测模块，以实现ρ分析等改进的功能。它是最通用和广泛使用的MALS检测器，用于借助FFF的ENP表征。gydF4y2Ba

图2。gydF4y2Ba用多角度光散射(MALS)方法确定了碳纳米管散射强度的角分布，并适用于两种形状模型。左:最适合球模型。正确:最适合杆模型。虽然球体模型不符合数据，但杆模型符合，表明半长330纳米。gydF4y2Ba

目gydF4y2Ba

ELS用于确定悬浮在流体中的ENP上的电荷，通常表现为zeta电位。该技术涉及使用激光多普勒技术测量暴露在外部电场中的纳米粒子的漂移和电泳迁移率。gydF4y2Ba

DLS探测器是大多数ELS仪器的标准组件，用于测量尺寸和迁移率，并根据迁移率、尺寸和溶液电导率计算ζ电位。与大多数胶体体系一样，ENPs的zeta电位是其抗絮凝或聚集稳定性的良好指标，也是可能对电荷产生影响的表面修饰的预测指标。gydF4y2Ba

怀亚特的莫比乌斯gydF4y2Ba^®gydF4y2Ba仪器gydF4y2Ba通过与自动取样器连接，可用于尺寸和ζ电位的自动测量。这种组合可以自动执行数十种测量，使ELS和DLS同时测量，以研究电场应用引起的潜在样品降解。gydF4y2Ba

通过使用DLS观察颗粒大小分布的变化，配方者可以在动态温度范围、pH值或配方过程的关键方面评估总蛋白聚集。gydF4y2Ba

例如，使用dynapo Plate Reader II来测量两种单克隆抗体(mAb)制剂在冻干前后的颗粒大小分布，其中有蔗糖和没有蔗糖。重构后的冻干样品与预冻干溶液浓度相同。gydF4y2Ba

图3。gydF4y2Ba左:电泳光散射(ELS)通常在类似比色皿的电池中进行，但当需要许多样品的自动化时，基于流动电池的同时具有ELS和动态光散射能力的仪器可以连接到自动进样器。下图显示了在极性交替的磁场下漂移与时间的关系，以及拟合的迁移结果。gydF4y2Ba

高分辨率的关键:现场流体分馏gydF4y2Ba

批处理(未分馏)测量最多只能提供低分辨率的尺寸分布。为了获得高分辨率的分布，需要在光散射探测器的上游采用一种基于尺寸的灵敏分离方法。gydF4y2Ba

各种类型的FFF方法已经发展为分离简单到复杂的胶体样品混合物。非对称流场-流动分馏(AF4)是FFF技术的一种成熟形式，它仅利用液体力将1 - 1000nm大小的样品在悬浮液或明渠溶液中分离。分馏后，可以使用一系列在线检测器分析洗脱材料的元素组成、尺寸和其他性质。gydF4y2Ba

在AF4中，样品的分馏完全依赖于流体力学的大小，这是由于在流动通道内的漂移、外加场和扩散的相互竞争作用而发生的。AF4“场”是一个交叉流场，通道的底面是一个半透膜。gydF4y2Ba

溶剂流过膜，导致粒子在膜附近聚集。yabo214然而，由于扩散，颗粒被从膜输yabo214送到通道中。gydF4y2Ba

如果一个粒子的尺寸较小，那么它就扩散得更远。粒yabo214子分离通道的流时平行于膜,因为层流概要文件进一步从膜时受到更高的速度(图4)。错流渠道流的比例可以调整平衡分馏过程的整体分辨率和尺寸范围。gydF4y2Ba

图4。gydF4y2Ba在横流和槽流洗脱样品时，AF4平槽内的分馏过程。gydF4y2Ba

主要来说，大小和AF4洗脱时间可以校准，但与MALS和/或DLS探测器集成的结果相比，这不是一个可靠的测量结果。未分馏的DLS最多能区分大小变化3 - 5倍的颗粒，而AF4-MALS和AF4-DLSyabo214能够准确地描述大小变化仅几个百分点的颗粒，并有助于确定形状。gydF4y2Ba

与电子显微镜等成像方法不同，AF4-MALS/DLS不能得到非常详细的形状和形态，但可以提供静态有效的样品来测量可靠的尺寸分布。gydF4y2Ba

图5显示了聚乙二醇金纳米颗粒悬浮(AuNP)的色谱图。yabo214怀亚特的AF4系统gydF4y2BaEclipse Dualtec™gydF4y2Ba用于分离单个AuNPs，名义上为10、20、30、40和60 nm，并使用DLS (DAWN HELEOS II with WyattQELS)在线表征。gydF4y2Ba

每个馏分都被清晰地分解并成功分离。利用AF4、MALS和DLS对AuNPs进行分离和表征是目前研究的热点。gydF4y2Ba

图5。gydF4y2Ba水溶液中金纳米粒子的FFF和DLS分离与表征。yabo214gydF4y2Ba

光散射是表征纳米粒子的一种有效方法。yabo214然而，在极低浓度的小颗粒时，它的可靠性有限，可能需要额外的颗粒分级方法来证实。yabo214gydF4y2Ba

单粒子感应耦合质谱(SPICP-MS)是另一种用于确定银或金等金属纳米颗粒大小及其组成的方法。yabo214AF4 + SPICP-MS已被用于研究食品中纳米颗粒的大小和化学组成，以及从河流和湖泊等自然来源收集的纳米颗粒组分相关的金属类型。yabo214gydF4y2Ba

AF4-LS-ICP-MS的合并效用在评估食品包装应用领域的纳米颗粒的尺寸和组成方面是特别强大的。yabo214银纳米粒子已经证明是有效yabo214的抗微生物添加剂，因此现在使用这些纳米颗粒添加到其衬垫中的一些食品包装容器以防止食物腐败。gydF4y2Ba

使用AF4-LS-ICP-MS，食品科学家可以对食品进行取样，以确定纳米颗粒是否仍留在内衬中或已经到达包装在容器中的食品。yabo214gydF4y2Ba

AF4与ELS结合gydF4y2Ba

怀亚特最近在其实验室展示了一种新的表征方案，通过AF4分离和ELS来测量纳米粒子电泳迁移率，具有更高的分辨率。AF4-ELS设备包括Möbius ELS/DLS仪器、Eclipse Dualtec AF4系统和一个gydF4y2BaOptilab霸王龙gydF4y2Ba折射率探测器(怀亚特技术)确定浓度。gydF4y2Ba

AF4分离+流动ELS和DLS对聚苯乙烯乳胶纳米颗粒标准品及颗粒浓度的测量结果如图6所示。粒径为50 nm的标准溶液的不均匀性明显，且粒径与迁移率呈反比关系。AF4-ELS具有有效表征非均相纳米颗粒样品的潜力。gydF4y2Ba

图6。gydF4y2BaAF4分离聚苯乙烯乳胶纳米颗粒标准品的电泳迁移率和尺寸测定。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

光散射工具包提供了一个重要的分析工具，纳米颗粒的表征，结合了前所未有的自动化水平，分辨率和灵敏度。在未分馏模式下，分别为DLS、MALS和ELS。gydF4y2Ba

FFF技术是非常有利的分馏耦合在线检测，包括DLS和MALS分析，以确定尺寸和构象。gydF4y2Ba

当加入额外的下游检测(如ELS或ICP-MS)或光谱检测器(如UV/Vis/NIR吸收或荧光)时，可以获得关于样品的额外数据。这种多功能的仪器套件对从事纳米粒子表征工作的工程师和研究人员非常重要。gydF4y2Ba

这些信息已经从Wyatt Technology提供的材料中获得、审查和改编。亚博网站下载gydF4y2Ba

有关此来源的更多信息，请访问gydF4y2Ba怀亚特科技gydF4y2Ba．gydF4y2Ba