纳米银颗粒:特性和应用

作者:Steven J. Oldenburg博士
nanoComposix董事长


 简介

纳米银颗粒具有独特的光学、电学和热学特性,已经被加入从太阳能板到生物化学传感器等各色产品中。比如导电油墨、导电膏和导电填料就是利用了纳米银颗粒高导电性,高稳定性和低烧结温度的特性。其他应用还包括了分子诊断和光电子器材,其中光电子器材就是利用了纳米银颗粒新的光学特性。纳米银颗粒正在被越来越多地应用于抗菌涂料。许多纺织品,键盘,伤口敷料,生物医学设备都包含纳米银颗粒,能够持续地释放银离子抗菌。

20nm直径,60nm 和100nm 纳米银颗粒透射电镜(TEM)图。比例尺50nm.

图1:20nm直径(货号730793),60nm(货号730815)和100nm(货号730777)纳米银颗粒透射电镜(TEM)图。比例尺50nm.

了解纳米银颗粒的大小,形状,表面和聚集态在和目标应用结合后会发生什么样的变化,对于其性能优化至关重要。Aldrich材料科学可提供单分散,不结团的纳米银颗粒,是各类研究,研发,创新应用的理想选择(图1)。每批纳米银颗粒的特性都经过透射电镜(TEM)图,动态光散射(颗粒大小分析),Zeta电位测量和UV/可见光光谱分析的检验,保证了所有订单材料的一致性。

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 纳米银颗粒光学特性

越来越多的产品和传感器利用纳米银颗粒的光学特性作为它们的功能部件。纳米银颗粒能极有效率地吸收和散射光,而且不像许多染料和色素分子,根据颗粒的大小和形状只有一种颜色。纳米银颗粒和光之间的强互作是由于当被特定波长的光激发后,金属表面的导电电子会发生集体震荡(图2,左侧)。这种震荡会导致异常强烈的散射和吸收特性,即表面等离子共振(SPR)。事实上,纳米银颗粒的有效消光截面(散射+吸收)比它的物理截面至少大十倍。强烈的散射截面使得亚100nm纳米颗粒能轻易被普通显微镜观测到。60nm的纳米银颗粒在白光的照射下,在暗场显微镜中,呈现为一个明亮的蓝色点源散射体(图2,右侧)。明亮的蓝色是由于峰值在450nm波长的SPR。球形纳米银颗粒有一个独一无二的特性,通过改变颗粒的大小和颗粒表面的局部折射率,能在400nm(紫光)到530nm(绿光)的范围内调节SPR峰值波长。另外,如果将银纳米颗粒制成杆状或者是扁平状,还能够使SPR峰值波长进入到电磁波谱的红外线范围。

左)表面等离子共振,金属纳米颗粒表面自由电子由于与特定波长的入射光强耦合而发生震荡。(右)暗场显微镜下,60nm纳米银颗粒图

图2:(左)表面等离子共振,金属纳米颗粒表面自由电子由于与特定波长的入射光强耦合而发生震荡。(右)暗场显微镜下,60nm纳米银颗粒图(货号730815

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 纳米银颗粒表征

纳米金属颗粒的大小形状通常通过诸如TEM,扫描电镜(SEM)或是原子力显微镜(AFM)的分析手段来测量。测量聚集状态的颗粒则需要一种能够测量颗粒在溶液中有效粒径的技术,比如动态光散射(DSL)或者是分析盘式离心。不过,由于纳米银颗粒独特的光学特性,许多物理状态信息可以通过分析溶液中纳米银颗粒的光谱性质来获得。图3(左)显示的是通过光谱响应来测量纳米银颗粒的直径。当直径增大时,等离子共振峰值移向更大波长处,波峰也更宽。当直径超过80nm时,第二峰在比主峰更小的波段可见。第二峰的出现是由于四极矩共振比起主峰的偶极共振,有不同的电子震荡模式。对于一个具有特定形状大小的等离子纳米银颗粒来说,主峰波长,主峰波宽和第二共振效应组合起来成为了其独一无二的光谱指纹。另外,UV-可见光光谱提供了监控纳米银颗粒随时间变化的方法。当纳米银颗粒聚集的时候,金属粒子发生电子耦合,这个耦合系统相比起单个粒子有不同的SPR峰值。相比单个纳米颗粒共振,一个纳米颗粒团块,它的等离子共振波峰会红移到更长的波长范围内。在红光/红外光谱范围会出现剧烈增强的波峰,因此团块也就被观测到了。这一效应能在图3(右)看到。图上展示了银纳米颗粒溶液被盐破坏稳定性后的光学响应。利用UV-可见光光谱对纳米银颗粒随时间的变化进行详细监控是一种非常敏感有效的手段,可以确定纳米颗粒聚集是否发生。

(左)直径范围10-100nm间纳米银颗粒消光光谱(散射+吸收),最高浓度为0.02 mg/mL。(右)加入去稳定性的盐溶液后,纳米银颗粒的消光光谱。

图3(左)直径范围10-100nm间纳米银颗粒消光光谱(散射+吸收),最高浓度为0.02 mg/mL。(右)加入去稳定性的盐溶液后,纳米银颗粒的消光光谱。

对于没有聚结而且光谱形状类似于悬浮液的纳米银颗粒溶液,可用UV/可见光消光光谱来定量纳米颗粒浓度。纳米银颗粒溶液浓度可以用朗伯一比尔定律测量,即浓度与光密度(OD,检测光通过溶液的量)相关。由于OD和溶液浓度有线性关系,这个值可以用来定量纳米颗粒溶液浓度。

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 纳米银颗粒表面化学

当纳米银颗粒在溶液中时,分子会和颗粒表面作用形成双电层,使颗粒稳定,防止聚集。Aldrich材料科学提供几种纳米银颗粒,都悬浮于稀释的柠檬酸缓冲液中,柠檬酸会和纳米银颗粒表面发生弱作用。选择这种基于柠檬酸的试剂是因为这种弱束缚试剂既能为纳米银颗粒提供长久的稳定性,也能轻易地被各种其他分子比如硫醇,胺,聚合物,抗体和蛋白所取代。

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 纳米银颗粒应用

由于具有理想的光学,导电和抗菌特性,纳米银颗粒应用于许多技术领域,并且被加入到各种消费品中。

  • 诊断应用:纳米银颗粒被用于生物传感器和多种分析检验。在这些分析中,纳米银颗粒材料可以作为定量检测的生物标记。
  • 抗菌应用:由于具有抗菌性,纳米银颗粒被加入了衣物,鞋具,涂料,伤口敷料,器具,化妆品和塑料制品。
  • 导电性应用:纳米银颗粒被用于导电油墨,与混合物结合,增强热传导和导电性。
  • 光学性应用:纳米银颗粒被用来高效地吸收光,也被用于增强光谱,比如金属增强荧光(MEF)和表面增强拉曼散射(SERS)。

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 纳米毒理学研究中的纳米银颗粒

人们越来越重视纳米材料的物理化学特性与对环境和人体健康的潜在危险之间的关系。由于纳米颗粒的形状,大小和表面积都能被精确控制,它能帮助我们更好地理解纳米颗粒特性和它的毒理学效应之间的关系。单分散,不聚集,物化特性清晰的纳米颗粒为研究者提供了理想的材料,可以用来理解纳米颗粒是如何与生物系统和环境相互作用的。

由于纳米银颗粒在消费品中日益增长地广泛应用,目前已经有大规模的国际协作试图证明纳米银颗粒的安全性并且弄清它抗菌的机理。由于被认为对健康有益,胶性银已经被消费了几十年,但是它对环境影响的详细研究才刚刚起步。初步研究表明它对细胞和微生物的作用主要是由于纳米颗粒表面低水平的银离子释放。银离子释放率受到纳米颗粒大小(小颗粒有更快的释放率),温度(温度越高,溶解越快),暴露于氧气,硫和光线的程度等因素的影响。目前所有的研究表明,纳米银颗粒的毒性比等量的银盐要小得多。

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 纳米银线

纳米银线是一种激动人心的纳米银颗粒,研究表明可以它作为许多尖端科技领域应用的潜在组成部分。

应用包括:

  • 导电性涂层:纳米银线可以用来作为透明导体和柔性电子的导电性涂层。
  • 等离子天线:金属纳米颗粒附着在纳米银线上可以作为天线,增强感知和图像设备的等离子活性。
  • 分子感应:单层的纳米银线已经被用来与拉曼光谱一起构建特定分子感应阵列
  • 纳米复合材料:纳米银线已经被研究作为纳米复合材料的一部分,并且在此类系统中表现出了高介电常数的特性。

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 总结

纳米银颗粒的独特性质使它成为了许多技术,包括生物医药,材料,光学和抗菌应用中理想的材料,同样它也适用于纳米毒理学研究。 Aldrich材料科学提供各种类型的纳米银颗粒,有10nm,20nm,40nm,60nm和100nm直径的,有柠檬酸稳定表面,浓度为0.02 mg/mL。质量浓度和数量浓度的关系可查看表1。

想查看Ag纳米颗粒和纳米颗粒分散体完整列表,请访问我们在线产品目录。

表1:纳米颗粒直径,质量浓度和数量浓度关系
 

纳米颗粒直径 质量浓度 (mg/mL) 数量浓度 (纳米颗粒/mL)
10 nm (货号 730785) 0.02 mg/mL 3.6x1012
20 nm (货号 730793) 0.02 mg/mL 4.5x1011
40 nm (货号 730807) 0.02 mg/mL 5.7x1010
60 nm (货号 730815) 0.02 mg/mL 1.7x1010
100 nm (货号 730777) 0.02 mg/mL 3.6x109