纳米颗粒驱动纳米粒度检测技术革新

纳米技术被认为是可能改变现代世界的下一次技术革命。也许迄今为止所看到的发展还没有达到这一水平，但政府、大学和工业界的综合投资是巨大的，全球政府投资每年超过90亿美元，而且这一数字还在不断持续的增长。自 2001 年至 2019 年以来，仅美国政府就投资了超过 270 亿美元。据估计，全球纳米技术市场每年在100亿至500亿美元之间，具体取决于其定义和来源。

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纳米技术被认为是可能改变现代世界的下一次技术革命。也许迄今为止所看到的发展还没有达到这一水平，但政府、大学和工业界的综合投资是巨大的，全球政府投资每年超过90亿美元，而且这一数字还在不断持续的增长。自 2001 年至 2019 年以来，仅美国政府就投资了超过 270 亿美元。据估计，全球纳米技术市场每年在100亿至500亿美元之间，具体取决于其定义和来源。

纳米技术多样化领域的很大一部分是在原子尺度上对物质进行操作。美国国家纳米技术倡议将纳米技术定义为，对一维尺寸至少为 1 至 100 纳米 （nm） 的物质的操作。纳米科技的技术范围已经在快速地扩大，现在包括微机电系统（MEMS）和微电子等领域。但纳米颗粒仍然是研究和工业产品的主要焦点。本文旨在帮助定义纳米颗粒、它们的各种用途以及用于其物理表征的分析技术。

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一些标准组织和政府机构已经提供了纳米颗粒的一致定义，包括：

“该术语是指测量、操作或包含至少一个尺寸介于大约 1 到 100 纳米 （nm） 之间的材料和/或特征的各种技术。这种应用利用了纳米级组件不同于本体/宏观系统的特性。

在欧盟新型健康风险科学委员会（SCENIHR）在处理与某些纳米材料相关的潜在毒理学问题时，制定了更复杂的定义。图 1 显示了基于尺寸表建立三类材料和风险评估的决策图。

图1.纳米材料的风险评估，分层方法。

此外，一些国家或地区（澳大利亚、加拿大、法国、瑞士、台湾、中国等）发布了与其他公认文件略有不同的具体定义。

在美国，FDA发布了关于纳米材料的工业指南文件。FDA没有建立纳米技术、纳米材料、纳米粒度或其他相关术语的监管定义。它描述了FDA目前在决定FDA监管产品是否涉及纳米技术应用的想法。

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如果最长和最短长度差异很大，则有时会使用术语纳米管、纳米纤维、纳米棒或纳米板。

术语“纳米结构材料”用于具有较大外部尺寸的材料中存在的纳米级区域或表面。

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重要的纳米颗粒物理参数包括尺寸、形状、表面特性（包括电荷）、分散态和结晶度。广泛的分析技术用于量化这些特性。

显微技术：最直接的尺寸和形状分析技术是显微镜，一系列显微技术用于纳米颗粒，包括：

? 扫描电子显微镜（SEM），图2

? 透射电子显微镜（TEM）

? 扫描隧道显微镜 （STM）

? 原子力显微镜（AFM）

图2.带有刻度的纳米颗粒的SEM图像。

光谱技术：粒子与电磁辐射之间的相互作用作为波长的函数，用于某些类别的纳米粒子，以确定尺寸和其他特性。其中一些光谱技术包括：

? 核磁共振 （NMR）

? UV – 可见光

? 红外线 （IR）

? 荧光，图 3

光散射技术：可以使用几种光散射方法来测量粒径大小，包括：

? 小角中子散射 （SANS）

? 小角X射线

? 激光衍射

? 动态光散射 （DLS）

最常用的光散射技术是动态光散射 （DLS）。DLS的基本原理是基于粒子布朗运动引起的散射的时间特征。较小的颗粒扩散得更快，而较大的颗粒扩散得更慢。图 4 显示了 DLS 系统的简化光学图。

图4.DLS 系统的光学图。来源： Entegris

探测器对光子进行计数，并将这些原始数据输入到相关器中。测得的相关函数用于确定扩散系数 D，然后使用斯托克斯-爱因斯坦方程计算粒径：

D = kT/6π ?R

说明

D = 扩散系数

R = 粒子半径

k = 玻尔兹曼常数

T = 开尔文温度

?= 溶剂的剪切粘度

其他技术：其他常用的纳米颗粒表征技术包括：

? BET 比表面积（SSA），可用于计算平均粒径

? 颗粒质量的质谱（MS）

? 晶体结构的X射线衍射

? 用于粒子电荷的电泳光散射（ELS）

粒子电荷（zeta电位）影响纳米颗粒的稳定性，是分散体特定表面化学性质的函数。使用电泳光散射（ELS） 测量 zeta 电位，方法是对样品施加电场，然后测量颗粒运动的方向和速度，如图 5 所示。

图5.电泳光散射（ELS）技术。来源： Entegris

移动方向指示粒子是带正电还是带负电。粒子的速度表示电荷的大小。可以使用相位分析光散射 （PALS） 或频率分析来测量粒子速度。PALS 是更新、更灵敏的方法，现在是大多数样品的首选方法。

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纳米颗粒因其比传统材料更独特的性能而被用于许多产品中。以下是掺入纳米颗粒的几个例子。在许多情况下，这创造了一种具有改进和更理想特性的新产品。

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使用纳米颗粒的活跃和令人兴奋的领域之一是药物递送。其中许多这些药物产品都是为了增强靶向性而开发的。被动靶向方法通过减小尺寸并用聚乙二醇 （PEG） 等涂层覆盖纳米颗粒来增加循环时间。主动靶向方法改变纳米颗粒的表面，以寻找并粘附在身体的特定部位，例如癌症肿瘤，同时避开健康组织。可以添加纳米颗粒表面的细胞特异性配体以特异性结合互补受体，如图6所示。

图6.用于药物靶向和递送的表面修饰纳米颗粒。

控制用于药物递送的纳米颗粒的尺寸至关重要，因此必须使用适当的分析方法，以确保尺寸在所需的规格范围内。DLS仍然是这些应用中最常用的粒径测定技术。图 7 显示了脂质基液晶纳米颗粒 （LCNPs） 的 DLS 和 SEM 结果 14。这些是通过将非层状液晶基质的高剪切能分散到水相中而制备的自组装结构。

图7.液晶纳米颗粒的DLS和SEM结果。

SEM 和多模态 DLS（左下图）都证实了较小 （25 nm） 和较大 （90 nm） 尺寸群体的存在。

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纳米颗粒的制造、控制和使用是纳米技术学这一更大领域的一个关键部分。在学术和工业实验室都正在加速对多用途纳米粒子的重大研究和开发。基于纳米颗粒的产品现已在一系列行业中上市，用于药物递送的纳米颗粒有望显著改善健康益处。