《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》：Exploring the potential of high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry for the analysis of gold nanoparticles in the single-digit size range
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金纳米颗粒（AuNPs）的快速检测与尺寸分析新方法。采用高分辨率连续光源石墨炉原子吸收光谱法（HR-CS-GFAAS）可灵敏区分2.2-10.1 nm AuNPs，不受涂层及Au(III)干扰，最小可分辨尺寸1.6 nm，理论值0.4 nm。结合HRTEM验证，实现痕量（0.8 pg）AuNPs的定量与多组分分析，为化妆品、医疗等领域提供高效筛查工具。
Dominik Blaimer | Christopher Leist | Ute Kaiser | Kerstin Leopold
乌尔姆大学分析与应用分析化学研究所，德国乌尔姆 89081
摘要
金纳米颗粒（AuNPs）由于其高表面积与体积比而展现出独特的性质，这为它们的应用开辟了广阔的空间，并且需要快速、灵敏且可靠的分析技术来进行监测。近年来，高分辨率连续源石墨炉原子吸收光谱法（HR-CS-GFAAS）已被证明对此任务非常有用。本研究展示了该方法在检测和测量尺寸在个位数范围内的非常小的AuNPs方面的适用性。这一点尤为重要，因为其他技术往往缺乏足够低的尺寸检测限。本文引入了“首次拐点时间”（tip）作为GFAAS的新尺寸参数，在2.2?nm至10.1?nm的测试尺寸范围内具有特别高的灵敏度，且不受Au(III)离子存在的影响。实验上可以证明最小的可区分尺寸差异为1.6?nm，我们预测理论值为0.4?nm。作为确定非常小AuNPs尺寸的参考方法，使用了高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）。此外，通过解卷积瞬态吸光信号还恢复了AuNP悬浮液的双峰混合物的质量比例。对于总金量的定量，达到了0.8?pg的质量定量限，相当于液体样品中20?ng?L?1，且与所引入的金物种无关。总之，所提出的方法作为一种筛选工具，在最小样品制备要求的情况下，展示了其在同时进行非常小AuNPs的物种鉴定、定量和尺寸测量方面的显著潜力。
引言
金属纳米颗粒（MNPs）由于其独特的物理和化学性质及功能，已被广泛应用于各种行业和消费品中[1]。这些性质，包括电子和光学特性以及毒性，本质上与颗粒大小有关[2]。金纳米颗粒（AuNPs）是最常用的MNPs类型之一[3]。它们被用于创新的医疗应用（包括癌症治疗方法[4]和诊断成像[5]），以及作为各种化学反应的催化剂[6]。最近，由于对人类健康潜在风险的担忧，欧盟的相关法规得到了进一步收紧。这导致禁止在化妆品中添加含金纳米颗粒以及其他添加剂[7]。因此，需要快速、灵敏和选择性的分析技术来识别、表征和定量实际样品中的MNPs，以确保质量控制，监测其使用情况，并评估与其使用和处置相关的潜在健康和环境风险。尽管提出了许多方法，但仍然缺乏适用于复杂基质的分析标准方法[8]。
一种常见的MNPs表征方法是使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）结合上游分离技术（如超滤（UF）[9]。这种方法具有选择性和高灵敏度，检测限可达ng L?1级别。然而，它会产生大量废弃物，并且由于部分AuNPs可能附着在过滤网上，因此无法实现总质量平衡[9]。现代分离技术（如非对称场流分级（AF4））能够与ICP-MS在线结合，从而实现定量表征。然而，分析一个样品需要长达一小时的时间，而且技术复杂且成本高昂，这限制了其常规应用[10]。在所谓的单颗粒模式下，ICP-MS可以确定颗粒的数量和尺寸分布以及总金属含量。当与飞行时间质谱仪（spICP-TOF-MS）结合使用时，该方法有潜力同时检测单个MNPs中的多种元素[11]。然而，spICP-MS在检测个位数范围内的NPs时面临挑战，因为这些NPs产生的信号较弱，可能会被溶解元素的背景或仪器噪声掩盖，从而限制了其准确检测。只有在无离子的悬浮液中，并且技术要求较高时，才能检测到小至4.4?±?0.5?nm的AuNPs[12]。
电子显微镜，特别是扫描电子显微镜（SEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM），提供了远超其他方法的空间分辨率。HRTEM可以可靠地区分单个颗粒和聚集体，并解析亚纳米范围内NPs的二维形态[13]。因此，HRTEM可以通过细化尺寸范围低端的颗粒尺寸分布来补充spICP-MS的尺寸测量[14]。然而，该技术需要大量的样品制备工作，并且只能在合理的时间内检查小面积，这限制了其统计功效。因此，HRTEM适合作为补充的尺寸测量方法，但不适合快速监测。
近年来，石墨炉原子吸收光谱法（GFAAS）已被证明是表征MNPs的宝贵工具。Gagné等人[15]首次展示了GFAAS无需复杂分离即可区分银纳米颗粒（AgNP）和银离子的能力。这一评估基于不同物种所需的雾化温度差异。此后，我们的团队引入了新的评估参数，用于GFAAS信号的瞬态分析，以鉴定AgNPs的物种[16]。此后，发表了多项关于GFAAS在金属纳米颗粒物种鉴定及尺寸测量中的应用，包括消费品中的银[17,18]、生物样品和食品中的银[19,20]、化妆品和药品中的锌[21,22]、铁基磁性纳米颗粒[23]、金[24,25,26]等[27]。鉴于能够测定小于10?nm的NPs尺寸的分析方法稀缺，本研究探讨了基于GFAAS的方法在检测和测量个位数范围内AuNPs时的稳健性、局限性和性能。
理论
使用GFAAS区分和测量金属物种本质上取决于其背后的雾化机制及相关动力学过程。当溶液中的金离子被引入石墨管时，会得到具有两个峰的瞬态吸收信号，表明存在两种前体机制。第一个峰对应于分散在石墨管表面的金原子，其高度取决于温度程序等条件
悬浮液和溶液的制备
所有AuNP悬浮液和Au(III)溶液均使用来自德国Sartorius AG公司的超纯水（UPW）在容量玻璃烧瓶中制备。硝酸和盐酸分别由65% HNO3（AnalaR NORMAPUR?，VWR Chemicals，德国）和20% HCl（AnalaR NORMAPUR?，VWR Chemicals，德国）配制而成。其他试剂均无需进一步纯化。使用的柠檬酸稳定的AuNP在水悬浮液中的标称直径为
使用HRTEM的参考测量
目前没有标准参考材料或公认的方法来测定小于10?nm的金纳米颗粒的尺寸。在这里，我们通过HRTEM观察颗粒来评估商业可用水悬浮液中柠檬酸稳定AuNP的尺寸。表2总结了供应商提供的标称直径以及HRTEM测得的平均颗粒直径。图1展示了一个HRTEM图像及其对应的颗粒直径
结论
本研究证明了GFAAS能够高精度地检测、测量和定量个位数范围内的AuNPs。由于缺乏可用的标准参考材料，因此使用了经过Cc/Cs校正的HRTEM（具有亚纳米级分辨率）作为参考方法来确定商业可用悬浮液中AuNPs的尺寸。实验表明，可以测量到平均直径小至2.2?±?0.6?nm的颗粒，并将其与平均直径较大的AuNPs区分开来
CRediT作者贡献声明
Dominik Blaimer：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、软件使用、方法论设计、实验研究、数据分析。Christopher Leist：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据分析。Ute Kaiser：撰写 – 审稿与编辑、监督工作、资源协调。Kerstin Leopold：撰写 – 审稿与编辑、监督工作、资源协调、方法论设计、资金争取、概念构思。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了DeepL SE公司的DeepL Write软件来改进语言表达和可读性。用于峰解卷积的Matlab代码（Matlab R2024a，The MathWorks, Inc.，美国）是在2025年5月版本的Perplexity AI Pro的帮助下开发的。使用这些工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响或偏倚本文报告的工作。
致谢
本工作得到了德国研究基金会（DFG）的支持[资助编号：LE 2457/12-1]。作者感谢Gabriele Es-Samlaoui为TEM网格涂覆石墨烯。作者还感谢Gregor Neusser（乌尔姆大学FIB中心）对AuNPs的SEM表征工作。
