利用微流控拉曼扩散有序光谱技术表征纳米粒子的尺寸和组成

《Analytical Methods》：Characterizing nanoparticle size and composition using microfluidic Raman diffusion-ordered spectroscopy

微流控拉曼扩散有序光谱技术可快速同步分析纳米颗粒的尺寸（通过扩散系数）和化学组成（通过拉曼光谱），实验采用300 μm宽通道实现2小时内完成100 nm颗粒检测，并成功区分混合样本中的不同粒径纳米颗粒。

　　微流控技术与拉曼光谱的结合，为纳米颗粒的分析提供了一种全新的方法。这项技术被称为微流控拉曼扩散有序光谱（Raman-DOSY），其核心原理是通过观察纳米颗粒在溶液中的扩散行为，同时获取其化学组成信息。在实验中，研究人员将纳米颗粒溶液注入微流控通道的一侧，另一侧则注入纯溶剂。当流体停止流动后，纳米颗粒会从溶液侧扩散至溶剂侧，其扩散速度由颗粒的扩散系数决定。通过在溶剂侧的检测区域采集随时间变化的拉曼光谱，研究人员能够分析颗粒的扩散行为，从而推断其尺寸，并结合拉曼光谱特征峰，进一步确定其化学结构。这种技术不仅实现了对纳米颗粒尺寸和化学组成的同步检测，还避免了传统方法中对样品进行标记或复杂的预处理步骤，提高了检测的便捷性和非侵入性。

在实验中，研究人员使用了不同尺寸的聚苯乙烯微球（20 nm、50 nm和100 nm）作为标准样品，并在微流控芯片中进行了测试。芯片的通道宽度被设计为300微米，相较于传统的4毫米宽通道，大大缩短了测量所需的时间。例如，对于100纳米的颗粒，传统方法可能需要数天时间，而微流控Raman-DOSY可以在约2小时内完成测量，对于20纳米的颗粒甚至可以在不到20分钟内完成。这种显著的时间优势使得该技术在实际应用中更具吸引力，尤其是在需要快速、高通量分析的场景下。

为了确保拉曼信号的准确性和减少干扰，实验过程中对数据进行了详细的预处理。首先，通过平均前三个光谱数据来创建一个空白光谱，并将其从整个数据集中扣除，以消除溶剂和芯片基底的背景信号。随后，利用Savitzky–Golay滤波器降低高频噪声，提高光谱的清晰度。此外，研究人员还通过Hampel滤波器去除异常值，例如因激光捕获导致的光谱畸变，以及宇宙射线引起的干扰。这些数据预处理步骤不仅提高了拉曼信号的质量，也为后续的扩散系数计算和颗粒尺寸估计提供了可靠的基础。

在数据处理方面，研究人员采用了一种全局拟合的方法，将随时间变化的拉曼光谱与扩散方程进行匹配。通过对拉曼光谱和扩散系数的联合分析，他们能够获得一个二维的DOSY图谱，其中横轴表示拉曼频率，纵轴表示扩散系数，从而同时反映颗粒的化学组成和尺寸信息。对于单一成分的样品，例如22纳米和51纳米的聚苯乙烯微球，他们分别得到了相应的扩散系数，并据此估算出颗粒的直径。结果表明，这些估算值与已知的颗粒尺寸高度一致，误差范围在可接受范围内。

当处理混合样品时，微流控Raman-DOSY表现出良好的区分能力。例如，在20纳米和100纳米的聚苯乙烯微球混合样品中，研究人员发现两种颗粒的扩散行为存在显著差异。较小的颗粒迅速扩散至检测区域，而较大的颗粒则需要更长时间才能到达。通过将拉曼信号与扩散系数结合分析，他们成功地识别出这两种颗粒，并进一步分析了其化学组成。此外，研究人员还发现100纳米的标准样品中存在一个尺寸更小的杂质（约1纳米），其拉曼光谱与聚苯乙烯的特征峰一致，表明该杂质可能是聚苯乙烯的低聚物。这一发现展示了微流控Raman-DOSY在分析复杂样品中的潜力，特别是能够识别样品中可能存在的微量杂质。

与现有的其他分析方法相比，微流控Raman-DOSY具有独特的优点。例如，核磁共振扩散有序光谱（NMR-DOSY）虽然能够有效测量颗粒的扩散系数，但其对大颗粒的信号分辨率较低，并且需要使用氘代溶剂，这在某些应用中可能带来不便。电子显微镜（如扫描电子显微镜SEM）虽然能够提供高分辨率的颗粒尺寸信息，但对小分子或低聚物的检测能力有限，且操作过程较为繁琐。色谱法，如尺寸排阻色谱（SEC）和场流分离（FFF），虽然可以用于测量颗粒的尺寸分布，但通常无法提供化学结构的信息，或者需要结合其他检测手段，如多角度光散射（MALS）或质谱（MS），才能实现对颗粒的全面分析。

微流控Raman-DOSY则能够克服这些方法的局限性，实现对纳米颗粒尺寸和化学结构的同时分析。该技术无需使用特定的标记物或复杂的溶剂处理，仅依赖于拉曼光谱的自然信号，使得其在生物医学、材料科学和环境监测等领域具有广泛的应用前景。此外，由于其测量时间短、操作简便，该技术特别适合用于快速检测和高通量分析。然而，目前该技术仍面临一些挑战，例如拉曼信号的灵敏度较低，限制了其对低浓度样品的检测能力。为了解决这一问题，研究人员建议采用共振拉曼光谱技术，通过调整激发波长以匹配分子的电子跃迁，从而显著增强信号强度。对于那些不具有显著拉曼信号的颗粒（如囊泡或金属氧化物纳米球），可以考虑监测溶剂的拉曼信号变化，通过溶剂的减少来推断颗粒的存在。这种方法虽然在某些情况下可能不如其他光学技术（如紫外-可见或红外光谱）高效，但在特定应用场景下仍具有价值。

未来的研究方向包括优化微流控芯片的设计，以减少信号干扰并提高检测灵敏度。例如，使用玻璃、石英或氟化钙（CaF?）等材料作为窗口，可以有效避免微流控芯片本身对拉曼信号的干扰。此外，改进数据处理算法，借鉴NMR-DOSY中用于复杂样品分析的先进方法，将进一步提升该技术对多组分或宽尺寸分布样品的识别能力。通过这些优化，微流控Raman-DOSY有望成为纳米颗粒分析领域的一项重要工具，不仅适用于实验室研究，还可能被广泛应用于工业生产、环境监测和医疗诊断等实际场景。

综上所述，微流控Raman-DOSY为纳米颗粒的分析提供了一种高效、准确且非侵入性的方法。它能够在较短时间内获取颗粒的尺寸和化学结构信息，适用于多种类型的纳米颗粒，包括聚合物、生物分子和无机材料。尽管该技术仍需进一步优化以提高灵敏度和数据处理能力，但其在多领域中的应用潜力已经得到充分验证。随着技术的不断进步，微流控Raman-DOSY有望成为纳米颗粒研究和工业检测中的关键工具，为科学界和工业界带来更多的创新和突破。