本發(fā)明屬于納米-亞微米尺度檢測，涉及一種原位測量非均質納米顆粒粒徑及其包覆層厚度的方法，尤其涉及一種基于光譜濁度原位測量非均質納米顆粒粒徑及其包覆層厚度的方法。

背景技術：

納米尺度檢測技術正成為推動納米科學與技術進步的重要動力之一。新發(fā)展的檢測方法逐步由定性過渡到定量，在納米尺寸范圍內，非均質納米顆粒(比如核殼結構)層厚分布的定量測量往往涉及到繁復的制樣過程和高分辨率的成像分析(如TEM、SEM和AFM)，且成像受環(huán)境的影響較大，實現(xiàn)真實環(huán)境下的原位測量有很大困難。

動態(tài)光散射(DLS)可對溶液中納米顆粒的水合半徑進行原位測量，是發(fā)展相對成熟的檢測方法，但對于非均質的納米顆粒來說，由于顆粒表面的水合溶劑分子的存在及各層材料物性(如折射指數(shù)和密度)的差異，造成粒徑及層厚的測量有較大偏差。復雜體系的測量需要能原位進行，且能有效消除溶劑分子對測量的干擾。

TEM、SEM和AFM等測量方法較為繁復，且無法在溶液狀態(tài)下對顆粒進行直接測量，低溫和冷凍電鏡改變了溶液的性質和狀態(tài)，而DLS無法測量顆粒的非水合尺寸，且所得到的水合尺寸往往和顆粒的真實情況相去甚遠?；诠庾V吸收的濁度法利用米(Mie)散射模型可直接測量顆粒的非水合粒徑，但測量的粒徑范圍通常大于100nm，對小于該尺寸顆粒的測量偏差較大(Benjamin Glasse,Norbert Riefler,and Udo Fritsching.Journal of Spectroscopy.2015 64587910)。此外，Mustafa M.A.Elsayed等嘗試利用瑞利散射模型測算囊泡的尺寸，測量范圍僅限于均質的模型顆粒體系(Mustafa M.A.Elsayed,Gregor Gevc.Springer.2011 28 2204-2222)。現(xiàn)有的光譜濁度法可對簡單的、均質和大尺寸的顆粒體系建立較為準確的粒度分布計算模型(Viktor Guschin,Wolfgang Becker,Norbert Eisenreich,Anja Bendfeld.Chemical Engineering Technology.2012 35317-322)，對于非均質且小尺寸(納米)的顆粒體系，缺少適用且具有很強操作性的測量方法。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有納米尺度檢測技術不適用于非均質且小尺寸(200nm以下顆粒)的問題，本發(fā)明提供了一種基于光譜濁度原位測量非均質納米顆粒粒徑及其包覆層厚度的方法。本發(fā)明所述方法基于光譜濁度法在可見光波長范圍內(Visible)，利用改進的瑞利散射模型(Rayleigh-Gans-Debye approximation，RGD)，對已知質量分數(shù)顆粒的尺寸進行原位測量。本發(fā)明所述方法是一種能在復雜溶液體系下原位測量納米顆粒粒徑的技術，樣品制備簡單，測量方便且成本低。

為達此目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

本發(fā)明提供了一種原位測量非均質納米顆粒粒徑及其包覆層厚度的方法，所述方法包括以下步驟：

(1)將尺寸已知的標準顆粒配制成所需質量濃度的標準溶液，在可見光波長范圍內測定標準溶液的吸光度；

(2)將步驟(1)測得的標準溶液的吸光度與瑞利散射計算強度值進行計算得到光斑參數(shù)S；其中，瑞利散射計算強度值是根據式(1)計算得到。

(3)配制待測樣品溶液，根據待測樣品溶液的材料參數(shù)與步驟(2)中得到光斑參數(shù)S通過瑞利散射模型計算得到待測樣品溶液中納米顆粒的粒徑及其包覆層厚度。

本發(fā)明所述方法適用于測量非均質顆粒粒徑及其包覆層厚度，所述非均質顆粒的粒徑為200nm以下，且所述非均質顆粒為球形顆粒。

其中，所述非均質顆粒的粒徑可為200nm、180nm、160nm、140nm、120nm、100nm、80nm、60nm、40nm、20nm或10nm等以及更小的粒徑，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

本發(fā)明中，理論上步驟(1)所述測定的標準溶液的吸光度等于其散射強度，根據散射強度與溶液濁度的關系：

其中，τ(λ)_m為測量濁度，A為測樣品溶液的吸光度，A＝log(I₀/I)；I為散射光強；I₀為入射光強；b為光程。

可將步驟(1)測定標準溶液的吸光度與瑞利散射計算強度值進行擬合得到光斑參數(shù)S，此光斑常數(shù)S在特定的測試條件下為一常數(shù)，適用于多個體系，測試顆粒粒徑和包覆層厚度時無需再次進行擬合。

步驟(3)中擬合得到待測樣品溶液中納米顆粒的顆粒及其包覆層厚度為在溶液狀態(tài)下的非水合尺寸或者初始尺寸，非水合尺寸是相對于水合尺寸而言，水合尺寸是指在溶液中的顆粒尺寸及其表面水分子吸附層整體粒徑。

以下作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，但不作為本發(fā)明提供的技術方案的限制，通過以下技術方案，可以更好的達到和實現(xiàn)本發(fā)明的技術目的和有益效果。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，步驟(1)所述標準顆粒在可見光區(qū)的濁度通過顆粒的光散射強度或溶液的吸光度來測量。由于在實驗條件下，溶液濁度和顆粒對入射光的散射強度直接相關，且所用顆粒(包括標準顆粒，如SiO₂或PS球等)在可見光區(qū)域無特征吸收，對入射光的散射強度(I)可由其吸光度A＝log(I₀/I)來確定，故所述標準顆粒在可見光區(qū)的濁度可通過溶液的吸光度進行計算。

其中，所述吸光度可由實驗測定，如標準顆粒隨波長和濃度變化的吸收度可由實驗定量確定。此處，所述實驗定量測定的方法是UV-Vis，但并不僅限于本實驗所述測試方法，其他可滿足實驗要求的測試方法同樣適用。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，步驟(1)所述標準顆粒的顆粒粒徑≤200nm，例如200nm、180nm、160nm、140nm、120nm、100nm、80nm、60nm、40nm、20nm或10nm等以及更小的粒徑，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

優(yōu)選地，步驟(1)所述可見光波長范圍為400nm～800nm，例如400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm或800nm等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，步驟(3)所述的待測樣品溶液的材料參數(shù)包括待測樣品溶液的質量濃度、待測樣品的顆粒包裹層相對折射率、待測樣品溶液中溶劑的密度和待測樣品溶液中顆粒的密度。

優(yōu)選地，所述待測樣品溶液的質量濃度為0.00025wt％～0.05wt％，例如0.00025wt％、0.0005wt％、0.001wt％、0.003wt％、0.005wt％、0.007wt％、0.01wt％、0.02wt％、0.03wt％、0.04wt％或0.05wt％等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

本發(fā)明所述測試方法適用于對一定濃度范圍內(0.00025～0.05wt％)的非均質納米顆粒溶液中顆粒的粒徑及其包覆層厚度進行直接測量。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，步驟(3)所述瑞利散射模型包括式(1)和式(2)，所述式(1)如下：

其中，τ(λ)為計算濁度；b為光程；S為光斑常數(shù)；N為待測樣品溶液中被檢測顆粒的個數(shù)，N＝wsbρ_m/Vρ_p；V為顆粒體積；w為待測樣品的質量濃度；ρ_f為待測樣品溶液中溶劑的密度；ρ_p待測樣品溶液中顆粒的密度；n(λ)為水的折射指數(shù)；m(λ)為待測樣品顆粒的相對折射率；θ為散射角；

所述式(2)如下：

其中，τ(λ)_m為測量濁度；A為測樣品溶液的吸光度，A＝log(I₀/I)；I為散射光強；I₀為入射光強；b為光程。

本發(fā)明所述的瑞利散射模型為經過改進的瑞利散射模型，其原理如下：

散射光強與波長的四次方成反比；粒子前半部和后半部的散射光通量相等，按1+cos²θ的關系分布；前向和后向的散射光最強，都比垂直方向強一倍；向前和向后的散射光與入射光偏振狀態(tài)相同，而垂直方向的散射光為全偏振，即其平行分量為零，只存在垂直分量。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，當測量非均質納米顆粒粒徑時，步驟(3)所述通過瑞利散射模型計算得到待測樣品溶液中納米顆粒的粒徑為：

(a)將步驟(2)中得到的光斑參數(shù)S代入式(1)中，根據待測樣品溶液的材料參數(shù)，計算待測樣品溶液在特定波長下的濁度；

此處，所述特定波長使根據測試需要而指定的波長，屬于清楚表述。

(b)測定待測樣品溶液的吸光度A，根據測得待測樣品溶液的吸光度A結合式(2)，測量得到待測樣品溶液在步驟(a)中所述特定波長下的濁度；

其中，待測樣品溶液的吸光度A的測定采用現(xiàn)有技術常規(guī)方法即可，此處不再贅述。

(c)聯(lián)立式(1)和式(2)，可以得到顆粒體積V及直徑D，即得到待測顆粒的粒徑，對于球形顆粒V＝πD³/6。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，當測量非均質納米包覆層厚度時，所述步驟(3)為：

配置待測樣品溶液，將待測樣品溶液分為兩份待測樣品溶液M和待測樣品溶液N，對待測樣品溶液M進行包覆使待測樣品的顆粒包裹上包覆層，分別將包覆后的待測樣品溶液M和未包覆的待測樣品溶液N的材料參數(shù)與步驟(2)中得到光斑參數(shù)S通過瑞利散射模型計算得到待測樣品溶液中納米顆粒的粒徑，并計算出包覆層厚度。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，步驟(3)所述通過瑞利散射模型計算得到待測樣品溶液中納米顆粒的粒徑及其包覆層厚度：

(A)將步驟(2)中得到的光斑參數(shù)S代入式(1)中，分別根據包覆后的待測樣品溶液M和待測樣品溶液N的材料參數(shù)，分別計算包覆后的待測樣品溶液M和待測樣品溶液N在特定波長下的濁度；

(B)測定包覆后的待測樣品溶液M的吸光度A，根據測得的包覆后的待測樣品溶液M的吸光度A結合式(2)，得到包覆后的待測樣品溶液M在步驟(A)中所述特定波長下的濁度，聯(lián)立式(1)和式(2)，可以得到包覆后顆粒體積V₁及直徑D₁；

(C)測定待測樣品溶液N的吸光度A，根據測得的測樣品溶液N的吸光度A結合式(2)，得到待測樣品溶液N在步驟(A)中所述特定波長下的濁度，聯(lián)立式(1)和式(2)，可以得到未包覆顆粒的體積V₂及直徑D₂；

(D)根據步驟(B)得到的包覆后顆粒體積V₁及直徑D₁和步驟(C)得到的未包覆顆粒的體積V₂及直徑D₂利用差減法計算出包覆層的厚度。

此處，所述特定波長使根據測試需要而指定的波長，屬于清楚表述。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明所述方法是基于光譜濁度法在可見光(Visible)波長范圍內，利用改進的瑞利散射模型(RGD)，可對已知質量分數(shù)顆粒的尺寸進行原位測量。本發(fā)明所述方法可在一定的濃度范圍內(0.00025～0.05wt％)對非均勻納米顆粒的粒徑及其包覆層厚度進行直接測量，是一種能在復雜溶液體系下原位測量納米顆粒非水合粒徑的技術，樣品制備簡單，測量方便且成本低，準確率高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1中標準顆粒實測吸光度及計算吸光度隨波長的變化規(guī)律；

圖2為本發(fā)明實施例1中計算所得的標準顆粒的直徑隨波長的變化規(guī)律；

圖3為本發(fā)明實施例1中未包裹BSA的PS顆粒和包裹了BSA的PS顆粒的直徑隨波長的變化規(guī)律圖；

圖4為本發(fā)明實施例2中未包裹BSA的PS顆粒和包裹了BSA的PS顆粒的直徑隨波長的變化規(guī)律圖；

圖5為本發(fā)明實施例1和實施例2測量的兩種包裹顆粒包覆層的厚度對比圖。

具體實施方式

為更好地說明本發(fā)明，便于理解本發(fā)明的技術方案，下面對本發(fā)明進一步詳細說明。但下述的實施例僅僅是本發(fā)明的簡易例子，并不代表或限制本發(fā)明的權利保護范圍，本發(fā)明保護范圍以權利要求書為準。

本發(fā)明具體實施例部分提供了一種原位測量非均質納米顆粒粒徑及其包覆層厚度的方法，所述方法包括以下步驟：

(1)將尺寸已知的標準顆粒配制成所需質量濃度的標準溶液，在可見光波長范圍內測定標準溶液的吸光度；

(2)將步驟(1)測定標準溶液的吸光度與瑞利散射計算強度值進行計算得到光斑參數(shù)S；

(3)配制待測樣品溶液，根據待測樣品溶液的材料參數(shù)與步驟(2)中得到光斑參數(shù)S通過瑞利散射模型計算得到待測樣品溶液中納米顆粒的粒徑及其包覆層厚度。

以下為本發(fā)明典型但非限制性實施例：

實施例1：

本實施例提供了一種原位測量非均質納米顆粒粒徑及其包覆層厚度的方法，用于測量名義尺寸為50nm的聚苯乙烯(PS)顆粒樣品的顆粒粒徑及包覆牛血清蛋白質(BSA)后包覆層的厚度，所述方法包括以下步驟：

(1)將尺寸已知的PS顆粒配制成濃度為0.005wt％的標準溶液，在可見光波長范圍內測定標準溶液的吸光度；

(2)將步驟(1)測定標準溶液的吸光度與瑞利散射計算強度值進行擬合得到光斑參數(shù)S，該光斑參數(shù)適用于多個體系；

其中，所述標準顆粒實測吸光度及計算吸光度隨波長的變化規(guī)律如圖1所示，所述標準顆粒的直徑隨波長的變化規(guī)律如圖2所示；

(3)將聚苯乙烯(PS)顆粒樣品配制成濃度為0.001wt％的溶液，分成兩份，其中一份包裹牛血清蛋白質BSA，分別進行標號為PS50和PS50B，將步驟(2)中得到的光斑參數(shù)S代入式(1)中，

分別根據PS50和PS50B的材料參數(shù)，計算PS50和PS50B在特定波長下的濁度；

分別測定PS50和PS50B的吸光度，結合式(2)，

分別得PS50和PS50B在前述特定波長下的濁度，聯(lián)立式(1)和式(2)，獲得PS裸顆粒粒徑為34±3nm及包裹層厚度為4nm～10nm。

其中，所述未包裹BSA的PS顆粒和包裹了BSA的PS顆粒的直徑隨波長的變化規(guī)律如圖3所示，從圖中可以看出顆粒包裹前后，直徑隨波長的變化而趨于穩(wěn)定值；包裹BSA的PS顆粒的直徑明顯大于未包裹BSA的PS顆粒的直徑。

實施例2：

本實施例提供了一種原位測量非均質納米顆粒粒徑及其包覆層厚度的方法，用于測量名義尺寸為100nm的聚苯乙烯(PS)顆粒樣品的顆粒粒徑及包覆牛血清蛋白質BSA后包覆層的厚度，所述方法包括以下步驟：

(1)將尺寸已知的PS顆粒配制成濃度為0.005wt％的標準溶液，在可見光波長范圍內測定標準溶液的吸光度；

(2)將步驟(1)測定標準溶液的吸光度與瑞利散射計算強度值進行擬合得到光斑參數(shù)S，該光斑參數(shù)適用于多個體系；

(3)將聚苯乙烯(PS)顆粒樣品配制成濃度為0.001wt％的溶液，分成兩份，其中一份包裹牛血清蛋白質BSA，分別進行標號為PS100和PS100B，將步驟(2)中得到的光斑參數(shù)S代入式(1)中，

分別根據PS100和PS100B的材料參數(shù)，計算PS100和PS100B在特定波長下的濁度；

分別測定PS100和PS100B的吸光度，結合式(2)，

分別得PS100和PS100B在前述特定波長下的濁度，聯(lián)立式(1)和式(2)，獲得PS裸顆粒粒徑為65±2nm及包裹層厚度為4nm～8nm。

其中，所述未包裹BSA的PS顆粒和包裹了BSA的PS顆粒的直徑隨波長的變化規(guī)律如圖4所示，從圖中可以看出顆粒包裹前后，直徑隨波長的變化而趨于穩(wěn)定值；包裹BSA的PS顆粒的直徑明顯大于未包裹BSA的PS顆粒的直徑。。

對比實施例1和實施例2中測量的兩種包裹顆粒包覆層厚度，如圖5所示，可以看出PS100B的BSA包覆層厚度小于PS50B的BSA包覆層厚度，即顆粒尺寸越小，其表面BSA包覆層厚度越大。

實施例3：

本實施例提供了一種原位測量非均質納米顆粒粒徑及其包覆層厚度的方法，用于測量名義尺寸為200nm的聚苯乙烯(PS)顆粒樣品的顆粒粒徑及包覆牛血清蛋白后包覆層的厚度，所述方法具體操作過程與實施例1中相同。

本實施例測得的PS顆粒包裹層厚度為4nm～10nm。

實施例4：

本實施例提供了一種原位測量非均質納米顆粒粒徑及其包覆層厚度的方法，用于測量名義尺寸為50nm的聚苯乙烯(PS)顆粒樣品的顆粒粒徑及包覆牛血清蛋白質BSA后包覆層的厚度，所述方法除了步驟(3)中將顆粒樣品配制成濃度為0.00025wt％的溶液外，其他操作過程與實施例1中相同。

本實施例測得的PS顆粒包裹層厚度為3nm～7nm。

實施例5：

本實施例提供了一種原位測量非均質納米顆粒粒徑及其包覆層厚度的方法，用于測量名義尺寸為50nm的聚苯乙烯(PS)顆粒樣品的顆粒粒徑及包覆牛血清蛋白質BSA后包覆層的厚度，所述方法除了步驟(3)中將顆粒樣品配制成濃度為0.05wt％的溶液外，其他操作過程與實施例1中相同。

本實施例測得的PS顆粒包裹層厚度為5nm～10nm。

綜合實施例1-5的結果可以看出，本發(fā)明所述方法是基于光譜濁度法在可見光(Visible)波長范圍內，利用改進的瑞利散射模型(RGD)，可對已知質量分數(shù)顆粒的尺寸進行原位測量。本發(fā)明所述方法可在一定的濃度范圍內(0.00025～0.05wt％)對非均勻納米顆粒的粒徑及其包覆層厚度進行直接測量，是一種能在復雜溶液體系下原位測量納米顆粒非水合(“干”)粒徑的技術，樣品制備簡單，測量方便且成本低。

申請人聲明，本發(fā)明通過上述實施例來說明本發(fā)明的詳細方法，但本發(fā)明并不局限于上述詳細方法，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細方法才能實施。所屬技術領域的技術人員應該明了，對本發(fā)明的任何改進，對本發(fā)明產品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護范圍和公開范圍之內。