面向多方法学研究的表面功能化纳米候选参考与测试材料的研制

《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》：Making surface-functionalized nanoscale candidate reference and test materials for interlaboratory comparisons involving multi-method studies

　　

可靠的工程纳米材料（NMs）和纳米赋能先进材料（NAMs）表征需要经过验证的分析方法，以测量尺寸、尺寸分布、形貌、化学组成和表面化学等关键性质。建立此类方法并验证仪器性能和测量能力，需要有证参考物质/参考物质（CRMs/RMs）、代表性测试材料（RTMs）、参考数据（RD）和实验室间比对（ILCs）。尽管已有若干纳米尺度尺寸标准，但在表面官能团（FGs）、配体和涂层对纳米材料功能性和安全性具有关键作用的情况下，仍缺乏表面化学定义明确的RMs/RTMs。本文报道了两种表面修饰的纳米尺度候选RTM——SiO₂-50-NH₂和SiO₂-80-NH₂的研制与表征，它们由无孔二氧化硅纳米颗粒组成，总氨基FG含量分别为205.7?±?4.8和103.2?±?3.0 nmol mg^?1。研究人员采用先前建立的多方法表征策略评估了材料选择、分装、均匀性和稳定性。所用分析技术包括动态光散射（DLS）、纳米颗粒跟踪分析（NTA）、ζ电位测量、电子显微镜（EM）、自动化光学Fluram分析以及定量核磁共振波谱法（qNMR），以测定可衍生化氨基FG和总氨基FG。结果强调联合使用互补分析方法而非依赖单一技术的重要性。此外，研究人员使用一组氨基FG密度不同的氨基化二氧化硅纳米材料校准X射线光电子能谱（XPS）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS），从而实现氨基FG定量和方法关联。这一表征概念是为纳米材料表面化学测量以及评估合适分析方法及其性能的ILCs建立RMs/RTMs的第一步。

工程纳米材料（NMs）和纳米赋能先进材料（NAMs）的广泛应用，要求建立可靠且标准化的方法测量其应用相关物理化学性质。然而，现有纳米尺度标准物质多集中于粒径、形貌和尺寸分布，尚缺乏表面化学定义明确的参考物质/代表性测试材料（RMs/RTMs）。表面官能团（FGs）、配体和涂层决定纳米材料的分散性、反应性、功能性与安全性，因此开发表面功能化纳米级测试材料并开展实验室间比对（ILCs）具有重要意义。该研究以无孔二氧化硅纳米颗粒（SiO₂ NPs）为模型体系，因其合成路线成熟、化学稳定性好、表面硅羟基易于通过有机硅烷化学修饰，特别是氨基官能团修饰可赋予正表面电荷并改善分散性和生物分子相互作用。研究人员旨在研制氨基功能化SiO₂ NPs作为候选RTMs，用于多方法表征和qNMR等定量方法的ILCs，并为XPS和ToF-SIMS等表面敏感技术的可追溯定量提供校准材料。研究得出两个主要结论：一是两种商业来源氨基化SiO₂ NPs（SiO₂-50-NH₂和SiO₂-80-NH₂）经全面表征和稳定性评估，可作为表面化学测量的候选RTMs；二是通过制备氨基FG密度梯度系列样品，实现了qNMR、XPS和ToF-SIMS三种方法的相关联，证明多方法联用可显著提高表征结果的可靠性和可解释性。

关键技术方法方面，研究人员采用动态光散射（DLS）、纳米颗粒跟踪分析（NTA）、透射电子显微镜（TEM）测定粒径、形貌与聚集状态；ζ电位测量评估表面电荷；Brunauer–Emmett–Teller（BET）氮吸附法测定比表面积（SSA）；定量核磁共振波谱法（qNMR）在颗粒溶解后测定总氨基FG量；自动化Fluram光学分析测定可及氨基FG量；X射线光电子能谱（XPS）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）进行表面敏感分析，并与qNMR结果关联。样本来源包括购自NanoComposix的两种商用氨基化SiO₂分散液，以及研究人员在BAM以不同用量的(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷（APTES）对商用80 nm SiO₂进行后接枝制备的系列样品。均匀性和稳定性评估采用分装250瓶、Grubbs检验、单因素方差分析（One-Way ANOVA）和线性回归方法。

研究结果分为三个部分。一、商业氨基化二氧化硅纳米颗粒的多方法表征：TEM、DLS和NTA确认了制造商标称的一次粒径，未发现明显聚集；NTA对50 nm样品测得较高的流体动力学直径，因其粒径接近该技术对无定形SiO₂的检测限。BET测得的SSA分别为70.4?±?0.1 m²/g（50 nm）和39.9?±?0.2 m²/g（80 nm），与粒径减小表面积增大一致。ζ电位约为+37 mV，表明氨基FG存在且胶体稳定性良好。qNMR测得总氨基FG量为205.7?±?4.8 nmol mg^?1（SiO₂-50-NH₂）和103.2?±?3.0 nmol mg^?1（SiO₂-80-NH₂），按每nm²约4个氨基FG的硅羟基密度估算，分别对应约46%和37%的单层覆盖度。Fluram法测得的可及氨基FG量低于qNMR值，归因于荧光探针分子的空间位阻和可及性限制。这些数据确认两个批次适用于后续qNMR ILC。

二、制备ILC样品：分装、均匀性、稳定性与测量不确定度：每个批次分装为250个等分试样，采用惰性塑料管并以氩气密封保存。通过DLS、重量分析、Fluram分析和qNMR对随机选取的10管进行评估，Grubbs检验和One-Way ANOVA表明，除个别统计异常值外，各管间在氨基FG量、颗粒浓度和粒径方面具有良好的均匀性。NTA数据进一步支持粒径均匀性。9个月稳定性研究显示，两个批次的流体动力学直径增加约5 nm，ζ电位在某些样品中呈上升趋势；Fluram可及氨基FG量无明显趋势，但qNMR测得的总氨基FG量呈显著线性下降，分别约为每周0.7和0.5 nmol mg^?1，提示可能存在硅基质水解或氨基FG氧化降解等老化效应。因此，研究人员强调在ILC期间需持续监测稳定性，并在认定值不确定度中纳入时间相关趋势。

三、商业无孔二氧化硅纳米颗粒的氨基化：研究人员对商用80 nm SiO₂颗粒（C0）进行表征，发现其BET比表面积（65.93?±?0.44 m²/g）明显高于按粒径估算值，TGA显示约6%失重，NMR检测到有机杂质，但ζ电位为?28 mV，表明杂质不影响胶体稳定性。随后以不同APTES用量制备C1–C6系列，ζ电位由负变为正（28–36 mV），证实氨基化成功。qNMR和Fluram测定显示氨基FG量随APTES用量增加而增加；重复制备的C2、C5、C6样品氨基含量接近，说明接枝过程重现性良好。XPS和ToF-SIMS测量显示，不同样品的表面氨基信号与qNMR结果呈良好线性相关，两个实验室（RISE和JSI）的数据趋势一致。ToF-SIMS强度比可通过XPS的N/Si原子浓度比和qNMR的nmol mg^?1浓度进行校准，从而为ToF-SIMS的绝对定量提供途径。线性相关也表明即使最高氨基FG密度仍低于单层覆盖。研究同时指出，若其他氮源（如残留合成试剂或杂质）存在，XPS/ToF-SIMS与qNMR的绝对关联需要谨慎解释。

讨论部分指出，单一分析技术往往只能提供有限信息，而多方法组合可覆盖不同可及性、表面敏感度和溯源性，从而显著提高纳米材料表征的可靠性。稳定性研究揭示的老化趋势必须在ILC的时间窗口设计和样品认定值不确定度中予以考虑，XPS与ToF-SIMS关联测量也应尽量在同一时间点进行，以避免老化效应干扰。研究结论部分可概括为：该研究通过多方法表征途径开发了用于表面FG测量和定量的纳米级测试材料，并将其确立为可用于ILCs的候选RMs/RTMs。首先对两种不同粒径的商业氨基化SiO₂ NPs进行了深入表征，覆盖粒径、形貌、颗粒浓度、SSA和表面化学，并重点建立了化学选择性溶液qNMR方法及分装、均匀性和稳定性评估流程。其次，通过不同氨基FG密度的SiO₂ NPs系列建立了XPS/ToF-SIMS与qNMR的关联，为表面敏感技术的可追溯定量打下了基础。该工作为未来表面化学相关ILCs、方法标准化和纳米尺度有证参考物质研制提供了材料基础和方法学框架。