胶体纳米粒子的同步动态光散射、吸光度和光致发光测量研究。应用于CsPbBr3纳米晶体的胶体稳定性及聚集动力学分析

《Small Methods》：Simultaneous Dynamic Light Scattering, Absorbance and Photoluminescence Measurements of Colloidal Nanoparticles. Application to Colloidal Stability and Aggregation Kinetics of CsPbBr3 Nanocrystals

纳米晶体悬浮液的动态光散射（DLS）、吸光度（ABS）和光致发光（PL）同步测量仪器开发及其稳定性研究。该仪器通过商业组件整合，实现三种参数的同时快速测量（<100秒），突破传统分步实验的局限性。以CsPbBr3纳米晶体为例，发现稀释后OAc/OAm配体逐渐解吸，导致纳米晶体形成微米级无序聚集体（τ≈100秒），随后部分聚集体通过共晶作用融合为有序大颗粒，整个过程PL光谱保持稳定，而ABS和DLS数据揭示了聚集动力学。研究证实多技术联用可实时监测纳米材料稳定性，为规模化应用提供关键表征手段。

　　在当今的材料科学领域，纳米材料因其独特的物理和化学特性而受到广泛关注，尤其是在光电子器件、光催化和生物成像等前沿技术中扮演着重要角色。其中，半导体纳米晶体（NCs）因其可调谐的光学和电子性能，成为一种极具潜力的新型材料。为了更深入地理解这些材料的性质及其在不同条件下的行为，科学家们开发了多种实验方法。然而，传统方法在测量效率和数据一致性方面存在一定的局限性，这促使研究者探索更高效、更准确的测量手段。本文介绍了一种创新的仪器设计，它能够同时进行动态光散射（DLS）、吸收光谱（ABS）和光致发光（PL）测量，这在研究纳米材料的稳定性方面具有重要意义。

这种仪器设计的核心理念是利用商用组件，构建一个集成化的实验平台，以同时获取纳米晶体的多种关键参数。传统上，这些测量通常需要在不同的实验条件下进行，且在不同的时间点使用不同的设备，这不仅增加了实验的复杂性，也引入了数据不一致的风险。而本文中所描述的仪器则能够在同一实验条件下对同一样品进行多参数的同步测量，从而避免了由于实验条件变化而导致的误差。此外，该仪器还具备时间分辨的测量能力，可以实时监测纳米晶体在长时间内的稳定性变化，这为研究纳米材料的动态行为提供了前所未有的可能性。

这种新型仪器的开发主要基于对现有技术的综合分析。例如，动态光散射技术可以提供纳米晶体的尺寸信息，但其在低浓度或小尺寸样品中的信噪比较低，限制了其应用范围。吸收光谱和光致发光光谱虽然能够提供纳米晶体的光学性质，但它们无法直接测量尺寸变化，因此通常需要借助其他技术（如透射电子显微镜（TEM））来辅助分析。然而，TEM测量虽然能够提供高分辨率的尺寸信息，但其操作复杂，统计可靠性较低，并且对样品的处理过程有较高的要求。此外，某些纳米材料在高真空环境中可能会发生结构变化，这进一步限制了TEM的应用。因此，研究人员需要一种既高效又可靠的多技术集成平台，以全面、准确地表征纳米晶体的物理化学性质。

本文提出的仪器不仅具备同步测量的能力，还通过合理的光学设计和数据处理流程，提高了实验的灵活性和效率。例如，仪器使用了多种激光光源，包括绿色、蓝色和红色激光，以适应不同样品的测量需求。同时，为了减少测量误差，仪器采用了多种信号采集和处理方式，包括使用单模光纤进行光散射测量，以及采用多模光纤进行吸收和光致发光光谱采集。这些设计使得仪器能够在保持高精度的同时，显著缩短了测量时间，为研究纳米材料的动态行为提供了有力支持。

在实验过程中，研究人员对一种特定的纳米晶体——油酸/油胺包覆的CsPbBr?纳米晶体（LHP NCs）进行了详细的分析。这些纳米晶体在某些条件下会表现出不稳定性，其主要原因是表面配体的逐渐脱附。这一现象在稀释或长时间存储过程中尤为显著，导致纳米晶体之间产生不规则的聚集，甚至形成微米级别的结构。通过同步测量DLS、ABS和PL数据，研究人员能够更准确地识别这些变化，并且揭示纳米晶体在不同时间尺度下的行为特征。

在DLS测量中，研究人员观察到，随着纳米晶体的聚集，散射信号逐渐增强，而荧光信号则保持相对稳定。这种现象表明，纳米晶体的聚集过程主要依赖于其表面配体的脱附，而纳米晶体本身的光学性质并未发生显著变化。同时，通过分析ABS数据，研究人员能够识别出纳米晶体尺寸的变化，这为纳米晶体的尺寸估算提供了另一种途径。此外，PL数据的分析进一步揭示了纳米晶体在聚集过程中的行为，表明其光致发光特性在短时间内变化不大，但随着聚集过程的进行，其光谱特性可能会发生细微变化，这可能与纳米晶体之间的相互作用有关。

在时间分辨测量中，研究人员发现，纳米晶体的聚集过程可以分为两个阶段。在第一阶段，纳米晶体的聚集导致散射信号的增加，而这一阶段的持续时间取决于稀释程度和环境条件。在第二阶段，随着聚集体的进一步生长，它们开始沉降，从而导致散射信号的减少。这一过程的时间尺度远大于传统的DLS测量时间，因此需要一种能够在较长时间内保持高分辨率的测量工具。本文中描述的仪器正是基于这一需求，能够在较短时间内完成多参数的同步测量，同时保证数据的准确性。

通过将DLS、ABS和PL数据与传统的TEM分析结果进行对比，研究人员发现，该仪器提供的测量数据与TEM数据具有良好的一致性，这表明其能够有效地表征纳米晶体的尺寸和稳定性。此外，该仪器还能够揭示一些传统方法难以捕捉到的细节，例如纳米晶体在聚集过程中的动力学行为和结构变化。这种综合分析方法为纳米材料的稳定性研究提供了新的视角，有助于理解纳米晶体在不同条件下的行为，并为优化合成和加工工艺提供依据。

为了进一步验证该仪器的可靠性，研究人员将其与商用设备进行对比，结果显示两者在测量精度和数据一致性方面相当。这表明，该仪器不仅适用于研究纳米材料的稳定性，还可以用于其他类型的纳米材料分析，如金属纳米颗粒和半导体量子点等。此外，该仪器的模块化设计和可扩展性也为其在更广泛的纳米材料研究中提供了应用潜力。

综上所述，本文提出的仪器在纳米材料研究中具有重要的应用价值。它不仅能够同步测量DLS、ABS和PL数据，还能够在较短时间内完成分析，这对于研究纳米材料的动态行为和稳定性具有重要意义。同时，该仪器的模块化设计和可扩展性也为其在更广泛的纳米材料研究中提供了应用潜力。未来，随着技术的进一步发展，该仪器可能被集成到其他先进的光谱和散射技术中，以提供更全面的纳米材料表征能力。