上转换与氧化铁纳米颗粒表面柠檬酸配体定量分析方法的交叉验证

《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》：Cross-validation of analytical methods for citrate ligand quantification on upconversion and iron oxide nanoparticles

　　

纳米材料（NM）表面化学的分析对于理解和控制与纳米材料功能、稳定性和安全性相关的纳米材料性质至关重要。在本工作中，研究人员提出了一项多方法研究，旨在定量分析常用于镧系元素基上转换纳米颗粒（UCNPs）和氧化铁纳米颗粒（IONPs）的生物相容性表面配体柠檬酸。所应用的方法针对不同但相关的被测量，具有不同的化学选择性，并依赖于不同的样品制备工作流程，包括用于测量液体样品和溶解纳米材料的化学选择性反相高效液相色谱（RP-HPLC）光度检测法，以及用于分析干燥纳米材料的非选择性热重分析（TGA）和化学选择性热解-气相色谱-质谱联用（PyGC-MS）。由此，研究人员证明了最近为氧化铁纳米颗粒柠檬酸定量开发的RP-HPLC方法对于上转换纳米颗粒作为另一类应用相关纳米材料的适用性。此外，还评估了PyGC-MS用于纳米材料配体定量的可行性，该方法由于消耗极少的样品量和最少的样品制备，正逐渐成为痕量水平材料表征的新兴技术。该方法此前未应用于纳米材料表面分析，它通过柠檬酸分解过程中形成的丙酮量来间接定量柠檬酸。对于上转换纳米颗粒，PyGC-MS测量结果与TGA和RP-HPLC结果在各自的测量不确定度范围内具有良好的一致性。然而，使用PyGC-MS定量氧化铁纳米颗粒上的柠檬酸会导致柠檬酸的高估，这初步归因于氧化铁纳米颗粒的催化活性。总体而言，研究人员的多方法交叉比较强调了多方法表征方案对于确保可靠和精确的配体定量以及识别方法和纳米材料特异性效应的重要性。

**论文解读：纳米颗粒表面柠檬酸配体定量分析的多方法交叉验证研究**

**研究背景与意义**
纳米材料（NM）在材料与生命科学领域的应用日益广泛，涵盖医学、能源技术、光电子学和催化等领域。纳米材料的表面化学，特别是其表面配体，是控制其胶体稳定性、分散性、加工性以及与周围环境和生物物种相互作用的关键因素。因此，准确表征纳米材料的表面化学，包括配体的定性和定量分析，对于理解其性质、功能、安全性以及实现安全可持续设计（SSbD）至关重要。柠檬酸作为一种生物相容性配体，常被用于稳定金属、金属氧化物和镧系纳米颗粒在水性环境中的分散。然而，尽管柠檬酸在医学和食品分析中常被检测，其在纳米材料表面的定量分析研究却相对较少。目前存在多种分析方法，如定量核磁共振（qNMR）、X射线光电子能谱（XPS）、热重分析（TGA）和电化学滴定等，但这些方法在测量原理、化学选择性、样品制备、检测限和适用性方面存在差异。因此，开发并验证适用于不同纳米材料体系的可靠、准确的配体定量方法，并理解不同方法之间的可比性与局限性，是当前纳米材料表征领域的重要课题。本研究发表于《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》，旨在通过多方法交叉验证，评估反相高效液相色谱（RP-HPLC）、热重分析（TGA）和热解-气相色谱-质谱联用（PyGC-MS）三种方法在定量分析上转换纳米颗粒（UCNPs）和氧化铁纳米颗粒（IONPs）表面柠檬酸配体时的性能、一致性与局限性。

**关键技术方法概述**
本研究采用了三种主要分析技术对纳米颗粒表面的柠檬酸配体进行定量。首先，**化学选择性反相高效液相色谱（RP-HPLC）** 用于分析溶解在盐酸中的纳米颗粒样品，通过光度检测器在210 nm波长下检测柠檬酸。其次，**非选择性热重分析（TGA）** 用于测量干燥纳米颗粒样品在惰性气氛中程序升温过程中的质量损失，从而获得总有机含量。最后，**化学选择性热解-气相色谱-质谱联用（PyGC-MS）** 首次被探索用于纳米材料表面配体分析，该方法将干燥的纳米颗粒样品在600°C下热解，通过检测柠檬酸分解产物丙酮的量来间接定量柠檬酸。研究涉及两种代表性纳米材料：通过热分解法合成并经配体交换获得柠檬酸修饰的镧系基上转换纳米颗粒（UCNPs；NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺），以及通过类似配体交换流程（包括两步法和直接法）制备的柠檬酸修饰氧化铁纳米颗粒（IONPs）。所有纳米颗粒均通过透射电子显微镜（TEM）、动态光散射（DLS）和ζ电位进行了表征。

**研究结果**
**1. 上转换纳米颗粒（UCNPs）的柠檬酸定量**
通过RP-HPLC分析溶解的UCNPs样品，测得柠檬酸含量为4.25 ± 0.09 wt%。TGA分析显示，扣除吸附水后，柠檬酸相关的质量损失为3.8 ± 0.4 wt%，与RP-HPLC结果在方法典型不确定度（约10%）范围内高度一致，表明配体交换完全，且样品中有机物主要来源于柠檬酸。PyGC-MS通过检测丙酮间接定量，测得柠檬酸含量为3.3 ± 0.3 wt%，其总体不确定度估计约为16%。考虑到不确定度，三种方法对UCNPs的柠檬酸定量结果相互吻合，验证了PyGC-MS用于此类纳米材料表面分析的初步可行性。

**2. 氧化铁纳米颗粒（IONPs）的柠檬酸定量及纳米材料类型影响**
对于通过两步配体交换法制备的IONPs，RP-HPLC测得柠檬酸含量为2.67 ± 0.03 wt%。TGA显示总有机含量（包括可能的残留配体如油酸或DMF）约为8.4 ± 0.5 wt%，且柠檬酸的主要降解温度（270°C）显著低于UCNPs样品（365°C），研究人员初步将此归因于IONPs的催化活性促进了柠檬酸降解。然而，PyGC-MS测得的柠檬酸含量（7.0 ± 0.6 wt%）显著高于RP-HPLC结果，出现了高估现象。

**3. 配体交换程序的影响**
为了探究配体交换程序的影响，研究人员还使用了直接配体交换法制备了另一批IONPs（IONPs-2）。RP-HPLC显示其柠檬酸含量高于两步法样品，表明直接法效率更高。PyGC-MS对IONPs-2的测量结果同样高于RP-HPLC值，但高估的程度低于两步法样品。研究人员认为，这可能是由于IONPs-2样品中柠檬酸含量更高，导致催化活性的氧化铁与柠檬酸的比例降低，从而减弱了催化效应对丙酮生成的影响。TGA数据中两步法样品在约800°C处缺失的质量损失步骤，也进一步支持了IONPs催化活性对分解行为影响的假设。

**讨论与结论**
本研究通过多方法交叉比较，成功验证了RP-HPLC方法在定量UCNPs表面柠檬酸配体方面的适用性和准确性，扩展了其应用范围。同时，首次评估了PyGC-MS用于纳米材料表面配体定量的潜力。研究表明，PyGC-MS具有样品需求量少、前处理简单的优点，但其测量不确定度（约16%）高于RP-HPLC和TGA（约10%）。更重要的是，PyGC-MS间接定量的可靠性依赖于表面配体与校准标准品（本研究中为柠檬酸三钠二水合物）具有相同的热分解行为。对于UCNPs，这一假设基本成立，因此结果一致；但对于具有催化活性的IONPs，其表面柠檬酸的分解可能被催化增强，导致丙酮产量增加，从而造成柠檬酸含量的高估。

研究结论强调，采用基于不同测量原理、样品前处理流程和化学选择性的多种分析方法来表征纳米材料表面化学至关重要。这种多方法策略有助于方法验证、识别方法固有的局限性以及纳米材料特异性的效应（如催化活性），是获得可靠、准确表面分析结果的前提。尽管PyGC-MS存在已识别的局限性，但它仍是一种有吸引力的化学选择性工具。未来的研究需要对更多具有不同催化活性的应用相关纳米材料进行RP-HPLC、PyGC-MS和TGA的联合分析，以更深入地了解PyGC-MS的材料特异性限制、优化其工作流程，并建立快速识别影响配体定量的催化效应的判据（如TGA显示的降解温度降低）。此外，PyGC-MS在纳米材料老化研究和筛选研究中的适用性也值得进一步评估。