基于原子力显微镜AFM，分析60银纳米颗粒的尺寸表征

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文|啰嗦翔子

编辑|啰嗦翔子

前言

在生物学应用中，纳米尺寸可以通过解释新的途径或新的分子机制来产生创新结果，除了形状和表面之外，尺寸是它们最重要的方面之一，因为最终的应用取决于它。

同时它们的表面也是一个重要属性，可以决定颗粒的轨迹，比如将纳米颗粒进行更多生物相容性层的化学功能化，这也是最近多用于先进医学应用的研究方法之一。

所以，我们想要通过研究，掌握两种制备银颗粒的简单技术，特别是AgNP-R2合成方法，因为它可以生产直径约为60纳米、尺寸分布狭窄的银纳米颗粒。

AFM结果

我们将其设定在接触模式和振动模式下，同时对制备样品的不同区域进行了多次扫描，随后使用同样的方法制备了一个样品，但通过将其放在温度为50℃的温热基底上加速了干燥过程，导致了纳米颗粒的聚集。

因此，该样品未用于成像或提取轮廓。而是展示了沉积在云母基底上的Ag NPs R2扫描区域的三维地形。

虽然我们注意到剖面的高度不同，但还是保持在了几十纳米的范围内，我们从样品中仔细提取了29个剖面，并且评估了每个剖面的高度。

平均高度（因此平均原子力显微镜直径）为49纳米，标准偏差为14纳米；那么我们可以得出对于AgNP-R2样品，原子力显微镜直径 dAFM = 49 +/− 14 纳米。

通过直径值的箱线图，可以说明原子力显微镜直径值的分布情况，对于AgNP-R1和Ag-77样品，也使用了相同的过程。

DLS粒子大小结果

这里所描述的动态光散射（DLS）程序被用于处理记录在三种银纳米颗粒样品的水悬浮液中的时间相关强度（TS），这些样品分别是AgNP-R1、AgNP-R2和Ag-77，表格描述了使用DLS程序和原子力显微镜程序评估得出的平均直径。

我们应该注意到，动态光散射（DLS）直径与使用原子力显微镜程序评估的物理直径是不同的，实际上，DLS直径是一个球形颗粒的直径，该颗粒以与产生时间相关强度（TS）的颗粒相同的速率扩散。

无论是纳米棒还是不规则形状的纳米颗粒，都会在流体中扩散，当受到相干光束的作用时，它们会产生DLS TS；因此，该程序生成一个DLS直径，应被理解为流体动力学直径。

对于任何类型的颗粒，流体动力学直径都略大于物理直径，因为流体分子可能会通过表面电荷间的静电力附着在纳米颗粒上，而纳米颗粒的表面通常是带负电的，而极性溶剂分子则带有正电部分。

而且完全单分散的尺寸分布是一个理想化的概念，在现实世界中无法找到，但可以更好或更差地近似于实际的颗粒分布尺寸。

我们注意到拟合的洛伦兹线（红线）很好地描述了均匀分布在该线周围的PS数据，而且数据表现出明显的平台，以及明确定义的拐点，这是单分散近似适当的指示。

理解平均直径并不是直径的算术平均值非常重要，因为单个颗粒散射的光强与直径的六次方成正比，干涉景观受到悬浮液中最大颗粒的影响，如果颗粒接近单分散状态，DLS直径实际上是流体动力学直径的平均值。

如果颗粒是多分散的，我们就会发现PS呈现为双对数尺度，并且看起来像是一组洛伦兹线的叠加，而不是单一线条，其DLS直径是最大直径的平均值，而在我们的工作中，情况并非如此，PS可以很好地用单一线条来描述，DLS直径略小于原子力显微镜直径。

原子力显微镜（AFM）直径是对动态光散射（DLS）评估的尺寸的确认，因为剖面数量相对较少。如果我们提取另一组剖面，覆盖其他纳米颗粒，我们会得到一个略有不同的平均直径，但仍与所呈现的数据相当。

我们使用AgNP-R2合成方法合成的两个纳米颗粒，考虑到DLS直径的重要性，可以很直接的得出结论，同时这两种颗粒尺寸技术证实了我们通过这两种化学还原方法合成的纳米颗粒的平均直径。

UV-VIS结果

我们调查了三种银纳米颗粒悬浮液的吸收光谱，其中银纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱受其尺寸的强烈影响，随着银纳米颗粒尺寸的变化，可以发现它们在紫外-可见区域的局部表面等离子共振（LSPR）峰位置和强度会发生变化。

当银纳米颗粒受到入射光的激发时，金属中的导电电子的集体振荡引发LSPR，从而在特定波长处产生强烈的光吸收和散射，而LSPR峰的位置和强度取决于多种因素，包括纳米颗粒的大小和形状。

通常情况下，随着银纳米颗粒的尺寸减小，局部表面等离子共振（LSPR）峰会向较短的波长方向移动（蓝移），这一现象归因于量子限制效应，该效应是由于电子被限制在更小的体积内而产生的。

我们多项研究都验证了随着银纳米颗粒尺寸减小，其紫外-可见吸收光谱中出现的蓝移现象。而且还探讨了关于银纳米颗粒尺寸相关光学性质研究的结果，并观察到随着颗粒尺寸减小，吸收光谱中呈现出系统性的蓝移现象。

同时类似的观察也在中得到了，他们合成了尺寸不同的银纳米颗粒，并观察到随着颗粒尺寸减小，吸收光谱中呈现出一致的蓝移。

纳米颗粒的尺寸、形状和组成之间存在复杂的相互作用，这决定了吸收光谱的形状，而且还有其他因素，如颗粒间相互作用、表面配体和介电环境，也可以影响银纳米颗粒的吸收光谱。

光谱中小于250纳米波长的部分未被呈现，因为它代表了紫外电磁辐射被水分子强烈吸收的部分。

在这次实验当中我们可以注意到Ag-77的吸收光谱在整个范围内都表现出较强的吸收，这可能是由于溶液中存在其他未被生产商披露的物质所致，而且所有三种银纳米颗粒悬浮液在约450纳米附近呈现出宽阔的吸收峰，这与其他文献中报道的吸收峰位置一致。

我们所了解的峰位于略小的波长，这与合成的银纳米颗粒尺寸较小是一致的，通过计算，我们得知60纳米直径的体积椭球体在吸收峰位置上的形状影响，同时轴比越大，峰位置就越朝着较小的波长偏移。

我们还研究了极化方向对峰位置的影响，考虑到这些观察结果，我们可以得出结论，使用原子力显微镜和动态光散射是可以找到约60纳米直径的。

其中，310纳米处的吸收峰是由溶液中存在的Ag+离子引起的，我们注意到，在使用AgNP-R2合成时，Ag+仍未还原，而在使用AgNP-R1时，这些离子已被还原。

FT-IR结果

同时我们进行了傅里叶变换红外（FT-IR）分析，以识别各种功能团及其对银纳米颗粒合成的影响，并且在Ag-77的情况下，进行了FT-IR分析，以将结果与我们团队在实验室中执行的过程进行比较。

从第一个样品AgNP-R1的光谱可以看到一个在3310 cm^-1处的非常大的峰，与还原剂中的游离OH基团有关，该基团用于将Ag+还原为Ag^0。

在1634 cm^-1处，尖锐的峰被分配给C=O基团的振动，而在1245 cm^-1处，可以找到C-O伸缩振动，这两种效应都在D-葡萄糖结构及其与Ag+的相互作用中发生。

用NaOH还原D-葡萄糖，是化学中众所周知的Lobry de Bruyn-van Ekenstein重排反应，因为该反应产生了D-葡萄糖、D-甘露糖和D-果糖的混合物，OH分子和C=O基团的存在也可以通过还原反应中这些异构体的出现来解释。

对于最后一个在605 cm^-1处的峰，有几项研究提出了与基于Ag-Ag相互作用的Ag网络相关的假设，但在我们看来，通过FT-IR分析很难获得和鉴定这种网络，因此该峰可能与分子中平面外的C-H键合有关。

在第二个和第三个样品的光谱中，即AgNP-R2和Ag-77，峰值与基于葡萄糖的合成中所识别的峰值相似，在3300 cm^-1处记录到了O-H伸缩振动，因为它们存在于TSC中。

这就说明，在1628 cm^-1处观察到的尖锐峰与C=O分子振动相关，当还原剂起作用并在银纳米颗粒周围形成强键时，这些振动出现。而最后一个在551 cm^-1处找到的峰与C-H弯曲振动有关，与第一个样品相比，由于葡萄糖结构中这种基团的负荷较高，强度较小。

总结

在这次实验过程中，我们测试了两种银纳米颗粒制备技术，还展示了基于原子力显微镜（AFM）和动态光散射（DLS）的纳米颗粒尺寸表征技术的结果。

之后我们采用了非标准的AFM表征方法，强调了准确尺寸测量的细节，其中包括扫描过程中的探针磨损和适当的数据处理程序。

同时我们还介绍了自定义DLS系统的基本设置，解释了处理步骤，并讨论了DLS尺寸测量的不确定性来源，根据AFM和DLS结果显示，AgNP-R1生成的颗粒具有宽广的尺寸分布，长达1微米。

然而，AgNP-R2生成的银纳米颗粒直径是60纳米，DLS测量结果与AFM测量结果一致，另外紫外-可见吸收光谱证明了LSPR峰的存在，另外我们还发现，AgNP-R2合成中Ag+未被还原，而AgNP-R1中的离子已被还原。

根据以上这些数据，说明我们已经成功掌握了制备银颗粒的简单技术，也说明了AgNP-R2，是可以生产直径为60纳米、尺寸分布狭窄的银纳米颗粒。

参考文献：

【1】《纳米颗粒研究的迷人世界》。

【2】《金属纳米颗粒的合成：制备方法、优缺点和应用概述》。

【3】《基于改性聚醇和热分解方法的尺寸和形状可控的纳米材料》。

【4】《纳米技术在全球食品工业中的应用进展》。

【5】《茉莉花、花和桂皮提取的银纳米颗粒的合成与表征的比较分析，并检测其抗微生物活性》。