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研究人员解决了微小纳米颗粒的测量问题

研究人员解决了微小纳米颗粒的测量问题

时 间: 2019-12-10

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摘 要:GAITHERSBURG,MD–微小的纳米颗粒在现代生活中扮演着重要的角色,…

GAITHERSBURG, MD – 微小的纳米颗粒在现代生活中扮演着重要的角色,即使大多数消费者并未意识到它们的存在。

 

然而,化学家们在分析纳米级的样品时,却很难测量这些颗粒的大小和数量——它们通常比一张纸的厚度小10万倍。尽管评估纳米颗粒有很多技术上的选择,但专家们尚未就哪种技术为最佳达成共识。

 

在美国国家标准与技术研究院(NIST)和合作机构的一篇新论文中,研究人员得出如下结论,测量纳米颗粒的粒径范围——而不仅仅是平均粒径——对于大多数应用来说是最优的。

 

“这似乎是一个简单的选择”,美国国家标准与技术研究院的Elijah Petersen说,他是这篇发表在《环境科学:纳米》上的论文的第一作者,“但它会对你的评估结果产生很大影响。”

 

与许多测量问题一样,精度是关键,暴露于一定量的一些纳米颗粒可能具有不利影响。例如,药物研究人员常常需要精确定量才能使药物的功效最大化,而环境科学家则需要知道,有多少金、银或钛的纳米颗粒才会对土壤或水中的生物造成潜在的危险。

 

由于测量结果的不一致,在产品中使用比需要更多的纳米颗粒也会浪费制造商的金钱。

 

尽管纳米颗粒听起来可能是个非常新的概念,但它们既不是新发明,也不完全基于高科技的制造工艺。纳米颗粒实际上是一种亚微观粒子,在至少一个维度上的测量要小于100纳米。它们令研究人员兴奋不已,因为许多材料在纳米级别时的作用与在更大级别时不同,而且纳米颗粒可以用来做很多有用的事情。

 

由于光学技术的革新,现代纳米颗粒的研究在20世纪中期迅速发展。能够了解单个粒子并研究它们的行为,扩大了实验的可能性。然而,在实验纳米技术在20世纪90年代起飞之后,研究取得了最大的进展。突然间,可以仔细检查和操纵单个金颗粒和许多其他物质的行为。关于少量物质如何反射光、吸收光或改变行为的发现不胜枚举,导致纳米颗粒被应用到更多的产品之中。

 

自那以后,关于它们的测量方法便一直存在争议。在评估细胞或有机体对纳米颗粒的反应时,一些研究人员更喜欢测量颗粒的数量浓度(有时被科学家称为PNCs)。许多人发现PNCs具有挑战性,因为在确定最终的测量数据时,必须使用额外的公式。另一些人喜欢测量质量或表面积浓度。

 

PNCs在化学中,多用于说明金属的表征。纳米颗粒的情况本来就比溶解的有机或无机物更复杂,与溶解的化学物质不同,纳米颗粒通常具有多种粒径,有时候,在添加到测试材料中时会粘在一起。

 

Petersen说:“一种溶解的化学物质,根据定义,它总是有相同的分子式。然而,纳米颗粒的原子并非只有一个数量,它们有些是9纳米,有些是11纳米,有些可能是18纳米,有些可能是3纳米。”

 

问题是这些粒子中的每一个都可能扮演着重要的角色。虽然简单的纳米颗粒数的预估在某些工业应用中已经足够好,但在医药应用等领域则需要更精确的测量。

 

Petersen说,在大多数情况下,使用颗粒粒径范围来计算PNC是最有帮助的。不管粒径分布使不使用平均值,但它记录了颗粒大小的完整分布,因此可以使用公式来有效地发现样品中有多少颗粒。

 

但无论采用何种方法,研究人员都需要在论文中记录下来,以便与其他研究进行比较。“不要以为使用不同的方法会得到相同的结果,”他说。

 

Petersen补充说,他和他的同事对纳米颗粒上的涂层对测量结果的影响感到惊讶。他指出,有些涂层带有正电荷,会导致结块的产生。

 

Petersen和瑞士联邦实验室的研究人员一起,与3M公司的科学家合作。这些3M公司的科学家以前曾在工业环境中多次测量过纳米颗粒。来自瑞士的研究人员,像许多欧洲其他地方的研究人员一样,渴望了解更多关于测量纳米颗粒的知识,因为在许多监管环境中都需要PNCs。关于在许多应用中哪种测量技术是最好的,或者哪种测量技术更有可能产生最精确的结果,还没有太多的信息。

 

“直到现在,我们甚至不知道我们是否能在实验室之间就粒子数浓度达成一致,”彼得森说,“他们是复杂的,但现在我们开始看到了希望。”

 

 

 

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