納米技術(shù)被認(rèn)為是可能改變現(xiàn)代世界的下一次技術(shù)革命。也許迄今為止所看到的發(fā)展還沒有達(dá)到這一水平，但政府、大學(xué)和工業(yè)界的綜合投資是巨大的，全球政府投資每年超過90億美元，而且這一數(shù)字還在不斷持續(xù)的增長(zhǎng)。自 2001 年至 2019 年以來，僅美國(guó)政府就投資了超過 270 億美元。據(jù)估計(jì)，全球納米技術(shù)市場(chǎng)每年在100億至500億美元之間，具體取決于其定義和來源。

關(guān)鍵詞:納米科技;納米科技;納米粒度儀

1

納米技術(shù)被認(rèn)為是可能改變現(xiàn)代世界的下一次技術(shù)革命。也許迄今為止所看到的發(fā)展還沒有達(dá)到這一水平，但政府、大學(xué)和工業(yè)界的綜合投資是巨大的，全球政府投資每年超過90億美元，而且這一數(shù)字還在不斷持續(xù)的增長(zhǎng)。自 2001 年至 2019 年以來，僅美國(guó)政府就投資了超過 270 億美元。據(jù)估計(jì)，全球納米技術(shù)市場(chǎng)每年在100億至500億美元之間，具體取決于其定義和來源。

納米技術(shù)多樣化領(lǐng)域的很大一部分是在原子尺度上對(duì)物質(zhì)進(jìn)行操作。美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)倡議將納米技術(shù)定義為，對(duì)一維尺寸至少為 1 至 100 納米 （nm） 的物質(zhì)的操作。納米科技的技術(shù)范圍已經(jīng)在快速地?cái)U(kuò)大，現(xiàn)在包括微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和微電子等領(lǐng)域。但納米顆粒仍然是研究和工業(yè)產(chǎn)品的主要焦點(diǎn)。本文旨在幫助定義納米顆粒、它們的各種用途以及用于其物理表征的分析技術(shù)。

2

一些標(biāo)準(zhǔn)組織和政府機(jī)構(gòu)已經(jīng)提供了納米顆粒的一致定義，包括：

“該術(shù)語是指測(cè)量、操作或包含至少一個(gè)尺寸介于大約 1 到 100 納米 （nm） 之間的材料和/或特征的各種技術(shù)。這種應(yīng)用利用了納米級(jí)組件不同于本體/宏觀系統(tǒng)的特性。

在歐盟新型健康風(fēng)險(xiǎn)科學(xué)委員會(huì)（SCENIHR）在處理與某些納米材料相關(guān)的潛在毒理學(xué)問題時(shí)，制定了更復(fù)雜的定義。圖 1 顯示了基于尺寸表建立三類材料和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的決策圖。

圖1.納米材料的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，分層方法。

此外，一些國(guó)家或地區(qū)（澳大利亞、加拿大、法國(guó)、瑞士、臺(tái)灣、中國(guó)等）發(fā)布了與其他公認(rèn)文件略有不同的具體定義。

在美國(guó)，F(xiàn)DA發(fā)布了關(guān)于納米材料的工業(yè)指南文件。FDA沒有建立納米技術(shù)、納米材料、納米粒度或其他相關(guān)術(shù)語的監(jiān)管定義。它描述了FDA目前在決定FDA監(jiān)管產(chǎn)品是否涉及納米技術(shù)應(yīng)用的想法。

3

如果Z長(zhǎng)和Z短長(zhǎng)度差異很大，則有時(shí)會(huì)使用術(shù)語納米管、納米纖維、納米棒或納米板。

術(shù)語“納米結(jié)構(gòu)材料”用于具有較大外部尺寸的材料中存在的納米級(jí)區(qū)域或表面。

4

重要的納米顆粒物理參數(shù)包括尺寸、形狀、表面特性（包括電荷）、分散態(tài)和結(jié)晶度。廣泛的分析技術(shù)用于量化這些特性。

顯微技術(shù)：Z直接的尺寸和形狀分析技術(shù)是顯微鏡，一系列顯微技術(shù)用于納米顆粒，包括：

? 掃描電子顯微鏡（SEM），圖2

? 透射電子顯微鏡（TEM）

? 掃描隧道顯微鏡 （STM）

? 原子力顯微鏡（AFM）

圖2.帶有刻度的納米顆粒的SEM圖像。

光譜技術(shù)：粒子與電磁輻射之間的相互作用作為波長(zhǎng)的函數(shù)，用于某些類別的納米粒子，以確定尺寸和其他特性。其中一些光譜技術(shù)包括：

? 核磁共振 （NMR）

? UV – 可見光

? 紅外線 （IR）

? 熒光，圖 3

光散射技術(shù)：可以使用幾種光散射方法來測(cè)量粒徑大小，包括：

? 小角中子散射 （SANS）

? 小角X射線

? 激光衍射

? 動(dòng)態(tài)光散射 （DLS）

Z常用的光散射技術(shù)是動(dòng)態(tài)光散射 （DLS）。DLS的基本原理是基于粒子布朗運(yùn)動(dòng)引起的散射的時(shí)間特征。較小的顆粒擴(kuò)散得更快，而較大的顆粒擴(kuò)散得更慢。圖 4 顯示了 DLS 系統(tǒng)的簡(jiǎn)化光學(xué)圖。

圖4.DLS 系統(tǒng)的光學(xué)圖。來源： Entegris

探測(cè)器對(duì)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將這些原始數(shù)據(jù)輸入到相關(guān)器中。測(cè)得的相關(guān)函數(shù)用于確定擴(kuò)散系數(shù) D，然后使用斯托克斯-愛因斯坦方程計(jì)算粒徑：

D = kT/6π ?R

說明

D = 擴(kuò)散系數(shù)

R = 粒子半徑

k = 玻爾茲曼常數(shù)

T = 開爾文溫度

?= 溶劑的剪切粘度

其他技術(shù)：其他常用的納米顆粒表征技術(shù)包括：

? BET 比表面積（SSA），可用于計(jì)算平均粒徑

? 顆粒質(zhì)量的質(zhì)譜（MS）

? 晶體結(jié)構(gòu)的X射線衍射

? 用于粒子電荷的電泳光散射（ELS）

粒子電荷（zeta電位）影響納米顆粒的穩(wěn)定性，是分散體特定表面化學(xué)性質(zhì)的函數(shù)。使用電泳光散射（ELS） 測(cè)量 zeta 電位，方法是對(duì)樣品施加電場(chǎng)，然后測(cè)量顆粒運(yùn)動(dòng)的方向和速度，如圖 5 所示。

圖5.電泳光散射（ELS）技術(shù)。來源： Entegris

移動(dòng)方向指示粒子是帶正電還是帶負(fù)電。粒子的速度表示電荷的大小?？梢允褂孟辔环治龉馍⑸?（PALS） 或頻率分析來測(cè)量粒子速度。PALS 是更新、更靈敏的方法，現(xiàn)在是大多數(shù)樣品的首選方法。

4

納米顆粒因其比傳統(tǒng)材料更獨(dú)特的性能而被用于許多產(chǎn)品中。以下是摻入納米顆粒的幾個(gè)例子。在許多情況下，這創(chuàng)造了一種具有改進(jìn)和更理想特性的新產(chǎn)品。

4

使用納米顆粒的活躍和令人興奮的領(lǐng)域之一是藥物遞送。其中許多這些藥物產(chǎn)品都是為了增強(qiáng)靶向性而開發(fā)的。被動(dòng)靶向方法通過減小尺寸并用聚乙二醇 （PEG） 等涂層覆蓋納米顆粒來增加循環(huán)時(shí)間。主動(dòng)靶向方法改變納米顆粒的表面，以尋找并粘附在身體的特定部位，例如癌癥腫瘤，同時(shí)避開健康組織?？梢蕴砑蛹{米顆粒表面的細(xì)胞特異性配體以特異性結(jié)合互補(bǔ)受體，如圖6所示。

圖6.用于藥物靶向和遞送的表面修飾納米顆粒。

控制用于藥物遞送的納米顆粒的尺寸至關(guān)重要，因此必須使用適當(dāng)?shù)姆治龇椒?，以確保尺寸在所需的規(guī)格范圍內(nèi)。DLS仍然是這些應(yīng)用中Z常用的粒徑測(cè)定技術(shù)。圖 7 顯示了脂質(zhì)基液晶納米顆粒 （LCNPs） 的 DLS 和 SEM 結(jié)果 14。這些是通過將非層狀液晶基質(zhì)的高剪切能分散到水相中而制備的自組裝結(jié)構(gòu)。

圖7.液晶納米顆粒的DLS和SEM結(jié)果。

SEM 和多模態(tài) DLS（左下圖）都證實(shí)了較小 （25 nm） 和較大 （90 nm） 尺寸群體的存在。

5

納米顆粒的制造、控制和使用是納米技術(shù)學(xué)這一更大領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵部分。在學(xué)術(shù)和工業(yè)實(shí)驗(yàn)室都正在加速對(duì)多用途納米粒子的重大研究和開發(fā)?；诩{米顆粒的產(chǎn)品現(xiàn)已在一系列行業(yè)中上市，用于藥物遞送的納米顆粒有望顯著改善健康益處。