物理科技生物学-PHYICA

解决测量微小纳横?}里奈米粒子的大问题

纳米技术 2022-01-03 23:58:08

国家标准与技术研究所 科学家们长期以来一直在努力就测量纳米粒子的最佳方法达成共识

信用:N

Hanacek/NIST 微小的纳米粒子在现代生活中发挥着巨大的作用,尽管大多数消费者并不知道它们的存在

它们提供防晒乳液的基本成分,防止袜子里的脚癣菌,并对抗绷带上的微生物

它们增强了受欢迎的糖果的颜色,并使甜甜圈上的糖粉保持粉末状

它们甚至被用于癌症治疗中针对特定类型细胞的先进药物

然而,当化学家分析样品时,测量这些颗粒的大小和数量是一项挑战——这些颗粒通常比一张纸的厚度小10万倍

技术为评估纳米粒子提供了许多选择,但是专家们还没有就哪种技术是最好的达成共识

在国家标准与技术研究所(NIST)和合作机构的一篇新论文中,研究人员得出结论,测量纳米颗粒的尺寸范围——而不仅仅是平均颗粒尺寸——对大多数应用来说是最佳的

“这似乎是一个简单的选择,”NIST的伊莱贾·彼得森说,他是这篇论文的主要作者,这篇论文今天发表在《环境科学:纳米》杂志上

“但这会对你的评估结果产生很大影响

" 和许多测量问题一样,精度是关键

暴露于一定量的某些纳米粒子可能会产生不利影响

药物研究者通常需要精确来最大化药物的功效

环境科学家需要知道,例如,有多少金、银或钛的纳米粒子可能会对土壤或水中的生物造成风险

由于测量不一致,在产品中使用比所需更多的纳米颗粒也会浪费制造商的资金

尽管纳米粒子听起来可能超现代,但它既不是新的,也不仅仅基于高科技制造过程

纳米粒子实际上只是一种亚微观粒子,在其至少一个维度上测量小于100纳米

有可能将成千上万个这样的标记放在大头针的头部

它们令研究人员兴奋,因为许多材料在纳米尺度上的行为与在更大尺度上的行为不同,纳米粒子可以做许多有用的事情

纳米粒子从古美索不达米亚时代就开始使用,当时陶瓷艺术家使用极小的金属碎片来装饰花瓶和其他器皿

在四世纪的罗马,玻璃工匠将金属研磨成微小的颗粒,在不同的光照下改变其制品的颜色

这些技术被遗忘了一段时间,但在17世纪被足智多谋的玻璃制造商重新发现

然后,在19世纪50年代,科学家迈克尔·法拉第广泛研究了使用各种洗涤混合物来改变金颗粒性能的方法

由于光学技术的创新,现代纳米粒子研究在20世纪中期迅速发展

能够看到单个粒子并研究它们的行为扩大了实验的可能性

然而,最大的进步出现在实验性纳米技术于20世纪90年代起飞之后

突然间,单个金粒子和许多其他物质的行为可以被仔细检查和操纵

关于少量物质反射光、吸收光或改变行为的方式的发现数不胜数,这导致了纳米粒子在更多产品中的应用

从那以后,关于它们的测量方法的争论接踵而至

当评估细胞或生物对纳米粒子的反应时,一些研究人员更喜欢测量粒子数浓度(有时被科学家称为粒子数浓度)

许多人发现PNCs具有挑战性,因为在确定最终测量值时必须使用额外的公式

其他人更喜欢测量质量或表面积浓度

PNCs通常用于化学中的金属表征

然而,纳米粒子的情况本质上比溶解的有机或无机物质更复杂,因为与溶解的化学物质不同,纳米粒子可以有很多种尺寸,有时添加到测试材料中时会粘在一起

彼得森说:“如果你有一种溶解的化学物质,根据定义,它总是会有相同的分子式。”

“然而,纳米粒子不仅仅只有一定数量的原子

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

虽然对于一些工业应用来说,简单的颗粒数估计是完全可以的,但是治疗应用需要更稳健的测量

例如,在癌症治疗的情况下,每一个粒子,无论大小,都可能释放出所需的解毒剂

正如任何其他类型的剂量一样,纳米粒子的剂量必须准确,才能安全有效

彼得森说,在大多数情况下,使用颗粒大小的范围来计算颗粒浓度通常是最有帮助的

尺寸分布不使用平均值或平均值,而是记录颗粒尺寸的完整分布,以便公式可以用来有效地发现样品中有多少颗粒

但是无论使用哪种方法,研究者都需要在论文中记录下来,以便与其他研究进行比较

“不要以为不同的方法会给你相同的结果,”他说

彼得森补充说,他和他的同事对纳米颗粒上的涂层会对测量产生多大影响感到惊讶

他指出,有些涂层会带正电荷,导致结块

彼得森与瑞士联邦实验室的研究人员合作,并与3M公司的科学家合作,这些科学家以前曾在工业环境中进行过许多纳米粒子测量

瑞士的研究人员,像欧洲其他大部分国家的研究人员一样,渴望了解更多关于测量纳米粒子的知识,因为在许多监管情况下需要纳米粒子

关于哪些技术在许多应用中是最好的或者更有可能产生最精确的结果,目前还没有太多的信息

“直到现在,我们甚至不知道我们是否能在实验室中找到关于粒子数浓度的一致意见,”彼得森说

“它们很复杂

但是现在我们开始看到这是可以做到的

"

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