應(yīng)用案例

繞地球一周需要多少黃金？

發(fā)表時間：2024-12-17

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摘要：納米金顆粒的應(yīng)用很廣泛，比如醫(yī)藥領(lǐng)域。其平均粒徑和分布對于確定它們在特定應(yīng)用中的性能至關(guān)重要。雖然透射電子顯微鏡（TEM）能夠顯示納米粒子的形狀，但它無法給出具有統(tǒng)計意義的平均粒徑及其分布。動態(tài)光散射（DLS）是一種理想的測量粒徑分布的技術(shù)，本文展示了DLS的實驗結(jié)果，并探討了不同加權(quán)方式下分布的差異。

引言

為了回答標(biāo)題的問題，我們選擇了直徑為5nm的納米金顆粒，并假設(shè)它是單分散的（事實上，本文的一個目的就是探討單分散性的含義）。地球的平均周長為40,000公里，即4 x 10¹⁶納米，所以我們需要8 x 10¹⁵個直徑為5nm的金顆粒。這么多金顆粒的總體積約為5 x 10^-4立方厘米，金的密度是19.3克/立方厘米，因此僅需要大約9.6毫克的金！當(dāng)然，我們的主要目標(biāo)是驗證納米金顆粒的大小是否準(zhǔn)確，并確定其分布是否為單一粒徑。

實驗方法

選用購自nanoComposix Inc 的NanoXact 5nm納米金顆粒，濃度為0.05mg/mL，使用鞣酸作為表面活性劑。樣品說明書顯示樣品為單分散，CV值8-15%，平均粒徑5.0±2 nm。制造商提供的透射電子顯微鏡（TEM）圖片見圖1。

圖 1：nanoComposix Inc. 5nm金納米顆粒TEM圖片

動態(tài)光散射（DLS）測量使用布魯克海文公司NanoBrook Omni進(jìn)行，儀器配備了額定功率40mW、波長為640nm的半導(dǎo)體激光器。樣品池選用50μL的 BI-SM50，測量十次，結(jié)果見表1。

表 1：使用NanoBrook Omni測量nanoComposix 5nm金顆粒的結(jié)果

表1顯示DLS測得的平均水合直徑為 (10.28 ± 1.9%) nm，且重復(fù)性非常好。然而，粒子的標(biāo)稱尺寸為5nm，這是否意味著所有粒子都形成了雙聚體？我們注意到樣品的多分散指數(shù)（PDI）遠(yuǎn)大于0，這表明樣品有一定的分布寬度，因此使用最小二乘法（NNLS）進(jìn)行了多峰擬合。結(jié)果顯示樣品為雙峰分布，其中約25%的散射光來自 (5.18 ± 1.9%) nm的粒子，該粒徑與預(yù)期結(jié)果非常一致；而約75%的散射光則來自 (14.5 ± 4.1%) nm的粒子，這個粒徑值約為預(yù)期尺寸的三倍。當(dāng)把加權(quán)方式從光強加權(quán)轉(zhuǎn)換為數(shù)量加權(quán)后，有趣的事情發(fā)生了--所有結(jié)果為單峰且峰值平均值為 (4.96 ± 1.8%) nm，完全符合預(yù)期！

那么，加權(quán)方式是如何轉(zhuǎn)換的呢？

布魯克海文儀器公司為用戶提供的ParticleSolution軟件可“一鍵”解決：只需選中需要處理的數(shù)據(jù)，然后選擇多峰模型，就可以自由切換光強加權(quán)和數(shù)量加權(quán)下的粒徑分布圖（如圖2），且提供詳細(xì)的原始分布數(shù)據(jù)。

圖2：表1中第9次測試結(jié)果的光強加權(quán)和數(shù)量加權(quán)分布圖

總結(jié)

透射電子顯微鏡（TEM）這種圖像分析對于確定顆粒形狀是可行的，但不適合通過統(tǒng)計分析得到粒徑分布。動態(tài)光散射（DLS）可以觀測到散射體積中千千萬萬個顆粒，避免了單顆粒計數(shù)方法中存在的統(tǒng)計問題。此外，即使是相對較少的多聚體粒子（如該納米金顆粒樣品中的三聚體），在強度加權(quán)的粒徑分布中也能明顯體現(xiàn)出來；但由于數(shù)量很少，數(shù)量加權(quán)結(jié)果顯示的5nm單峰分布與預(yù)期結(jié)果完全吻合。

那么，問題又來了，圍繞地球一周需要多少黃金呢？

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原文鏈接：

https://www.brookhaveninstruments.com/how-many-au-nanoparticles-does-it-take-to-circle-the-earth/