AFION自驱动实验室：光化学合成具有精准光学特性的等离子体纳米粒子的智能平台

本研究报道了一种名为AFION的自驱动实验室平台，通过整合微流控反应器、在线光谱表征和机器学习算法，实现了等离子体纳米粒子（NPs）的无种子光化学合成。研究人员针对纳米粒子的形状、形貌和组成进行多目标优化，成功合成了包括金纳米棒（AuNRs）、金银合金纳米球（AuAg NSs）、核壳结构纳米球（Au/Ag NSs）和金四足体（Au tetrapods）在内的八种纳米材料。该平台仅需不到30次实验即可确定最优合成条件，为纳米材料的按需合成提供了高效解决方案。

　　

在纳米科技领域，等离子体纳米粒子因其独特的光学性质在生物传感、成像和药物递送等方面展现出巨大潜力。然而，传统纳米粒子合成方法面临诸多挑战：反应条件优化依赖耗时费力的试错过程，难以精确控制纳米粒子的形状、尺寸和组成；光化学合成虽然条件温和可控，但对光照强度和时间的敏感性增加了合成难度；更重要的是，缺乏高效平台实现多种纳米粒子的按需合成。这些瓶颈严重制约了纳米材料的开发和应用。

为解决这些问题，多伦多大学（University of Toronto）的研究人员开发了名为AFION（Autonomous Fluidic Identification and Optimization Nanochemistry）的自驱动实验室平台。该平台通过整合微流控技术、在线光谱表征和机器学习算法，实现了等离子体纳米粒子的无种子光化学合成与优化。研究成果发表在《Nature Communications》上，为纳米材料的智能化合成提供了新范式。

研究采用了三项关键技术：1）振荡式微流控反应器，通过精确控制试剂混合和紫外光照实现高效合成；2）在线紫外-可见-近红外光谱实时表征纳米粒子的表面等离子体共振（SPR）特性；3）基于Gryffin算法的贝叶斯优化和Chimera标量化函数的多目标优化策略，实现了对纳米粒子多个光学特性的层级优化。

【合成金纳米棒】通过设定四个层级目标：纵向SPR与横向SPR面积比（R≥3.0）、纵向SPR波长（λ_LSPR=880 nm或750 nm）、半峰宽（FWHM）最小化和强度比（I_LSPR/I₄₀₀）最大化，成功合成了高长径比（4.1）和低长径比（3.0）的AuNRs。透射电镜（TEM）显示纳米棒纯度超过93%，尺寸分布均匀。

【合成金银合金纳米球】以SPR波长（λ_SPR=465 nm或485 nm）、FWHM最小化和SPR峰强度最大化为目标，获得了金摩尔分数（χ_Au）分别为0.54和0.80的两种合金纳米球。EDS元素分布分析证实了Au和Ag的均匀分布。

【合成核壳结构纳米球】通过光谱解卷积分离Au核（λ_SPR,C=510 nm）和Ag壳（λ_SPR,S=415 nm）的SPR信号，优化得到核壳结构明确的纳米球。EDS线扫描验证了核壳形态，Au核直径约10 nm，Ag壳厚度约2 nm。

【探索金四足体合成】首次实现了无种子光化学合成金四足体，TEM显示四足体对角线长度约89 nm，与目标值（93 nm）接近。与随机搜索相比，机器学习辅助的优化策略显著提高了合成效率。

这项研究的意义在于：1）建立了首个整合微流控、光谱表征和机器学习的自驱动纳米化学平台，实现了多种等离子体纳米粒子的按需合成；2）突破了无种子光化学合成复杂形状纳米粒子的技术瓶颈；3）通过数据驱动分析揭示了反应参数与纳米粒子特性的内在关联，为理解合成机制提供了新视角；4）将CTAB用量降低至传统方法的1/10，减少了毒性并简化了纯化过程。AFION平台的模块化设计为拓展其他纳米材料合成奠定了基础，其高效优化策略也为复杂化学系统的研究提供了新思路。