使用Nicomp®系统的金纳米颗粒

1、引言

金纳米颗粒，有时也被称为胶体金，具有独特的性质，可用于多种应用。它们通常是通过使用柠檬酸盐等还原剂在不同条件下对HAuCl4水溶液进行控制还原而合成的。根据大小、形状和物理性质，金纳米颗粒有很多种类型，如图1所示。金纳米颗粒的应用包括药物递送，1紫杉醇等药物的载体，2肿瘤检测，3生物传感器等。

图1 金纳米颗粒的类型(形状分类)

金纳米颗粒的大小是一个关键的物理参数4，需要仔细测量。颗粒大小影响吸光度波长(尺寸增大=波长更长)、表面等离子体共振(SPR)峰值、细胞内摄取、血液半衰期和生物分布特征(尺寸减小=血液半衰期增加)等特性。颗粒的大小和分布宽窄可以作为悬浮稳定性的指标。表面电荷(zeta电位)测量也被用作悬浮稳定性的指示。

分析粒度和zeta电位最常用的技术是动态光散射（DLS）和电泳光散射（ELS）。Nicomp®Z3000系统(图2)可用于测定金纳米颗粒的大小和zeta电位。

图2 Nicomp DLS系统

2、材料

利用Nicomp DLS系统分析了几种金纳米颗粒样品的尺寸和Zeta电位。从Sigma Aldrich购买了三种不同的金纳米颗粒样品，标称尺寸分别为50nm,20nm和5nm。还分析了公称尺寸为30 nm的NIST标准材料8012。这些样品的参考物理性质如表1所示。

表1 样品参考物理性质

DLS的尺寸分析结果为水动力直径的强度平均值。分布的宽度以多分散性指数(PDI)表示。NIST 8012调查报告提供了两个角度的平均水动力直径，173°和90°的后向散射。与从Sigma Aldrich购买的样品不同，还提供了NIST 8012的参考zeta电位值。

3、方法

所有样品在Nicomp型号Z3000(图2)上进行粒度和zeta电位分析。

在这些研究开始之前，对尺寸和zeta电位标准进行了分析，以验证系统性能。对742007样品进行浓度研究，以调查报告的颗粒大小是否随浓度而变化。本研究的结果表明，颗粒大小不受浓度的影响，所以所有的测量都是在原始样品浓度下进行的，没有稀释。对样本741949进行了时间分析研究，从而确定一个适当的测量持续时间，达到如图3所示的时间历史图所示的稳定性。本研究表明，5分钟的分析时间是明显的。

图3 时间历史图直径(nm) vs时间(min)

所有测量的Nicomp尺寸和zeta电位分析设置如图4和5所示。

图4 Nicomp大小设置

图5 Nicomp Zeta电位设置

4、结果-颗粒大小

每个样品的两次分析的典型图形结果如图6至10所示。

图6 50nm Au覆盖两种尺寸的结果

图7 20nm Au覆盖两种尺寸的结果

样品741949(标称尺寸5 nm)与预期结果有偏差。图8显示了在不额外制备样品的情况下对样品进行分析的高斯结果。高斯计算迫使结果变成一个单峰。

图8 5nm Au叠加两种尺寸的高斯结果

Nicomp Z3000系统还可以使用专有的Nicomp算法生成多模态结果。使用Nicomp算法重新计算图8中的结果，得到的多模态尺寸分布如图9所示。

图9 5nm Au覆盖两种尺寸的Nicomp结果

然后将样品管离心8分钟，试图将较大的颗粒分离出测量区。离心后对同一样管进行分析，结果如图10所示。

图10 5nm Au覆盖两种尺寸Nicomp结果，离心

NIST 8012样品在三个角度进行分析;后向散射@ 170°(粉色)，90°(绿色)，前向角度15°(蓝色)。这三个结果如图11所示。

图11 NIST 8012 Au覆盖三种尺寸的结果，170°，90°和15°

这些结果加上zeta势值汇总在表2中。

表2 粒径大小和zeta电位结果

5、结果-Zeta电位

所有样品还使用相分析电泳光散射技术(PALS)分析zeta电位。zeta电位是用于配方和悬浮稳定性研究的表面电荷测量。这些样品的zeta电位如图12至15所示。

图12 50nm Au zeta电位结果

图13 20nm Au zeta电位结果

图14 5nm Au zeta电位结果

图15 NIST 8012 Au zeta电位结果

6、讨论

Sigma Aldrich 50 和 20 nm 标称尺寸样品的结果在预期值范围内。Sigma Aldrich 5 nm 标称尺寸结果最初报告的粒径明显高于预期——表明聚集。考虑到该样品的颜色（图 16 最左侧），这并不奇怪。更深、更蓝的颜色通常表示更大的粒度分布。

离心前的结果（图 9）表明在 14 nm 附近存在初级粒子，在 122 和 417 nm 处存在聚集峰。此结果显示了 Nicomp 算法解决初级粒子和聚集体多峰的能力。离心后报告的平均大小在预期值内。

图 16 从左到右；5、20 和 50 nm Au 样品瓶

从三个不同的角度分析了 NIST 8012 样品；15°、90° 和 170°。与170°相比，90° 的结果偏差更小一点，表明 90° 是比反向散射更好的测量条件——与之前报告的其他结果一致。5前向角方向 (15°) 的测量提高了对较大颗粒的灵敏度，如在图 11. 这些结果表明多角度系统（标准且廉价的 Nicomp 选项）可能更适合某些特定应用。

使用 PALS 技术，zeta 电位结果都具有极高的可重复性。与一次性 zeta 电位样品池相比，Nicomp 样品池可以以更低的成本测量数千个样品。

7、稳定性研究

对 NIST 8012 样品进行了稳定性研究，以研究盐浓度对尺寸和外观的影响。原始尺寸结果如图 11 所示，报告的 90° 尺寸为 30.8 nm。首先将 200 µL NIST 8102 移液到 200 mL 过滤去离子水中。接下来，将 3 M 的 KCl 以 500 µL 的增量添加到稀释的 NIST 8012 悬浮液中，同时观察样品的颜色。

添加 2 mL 的 3 M KCl 后发现颜色发生变化。图 17 从左到右显示了添加 KCL 后的 NIST 8012 样品、池中的原始样品和原始样品瓶。

图 17  添加 KCL 之后，之前，原始瓶子

添加 KCL 后 NIST 8012 的粒度分布如图 18 所示。在 15 分钟的分析时间内，粒度随时间增加。二十四小时后，样品已完全聚集并沉降到比色杯底部，如图 19 所示。

图18 添加 KCl 后三种尺寸的 NIST 8012 Au 叠加结果

图19 NIST 8012 与稳定的聚集体

8、总结

动态光散射可用于金纳米颗粒粒径和 zeta 电位分析。上述实验证明，Nicomp Z3000 具有高分辨率和准确性，可生成接近预期值的结果。Nicomp 算法检测了聚合样本的初级粒子和聚合粒子的多模式混合。