《Nanoscale Advances》：Determination of particle size and number concentrations in gold nanoparticle mixtures: an inter-method study using four analytical techniques (DLS, PTA, SEM and spICP-MS)Open Access
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研究人员进行了本研究，旨在使用动态光散射（DLS）、粒子跟踪分析（PTA）、扫描电子显微镜（SEM）和单颗粒电感耦合等离子体质谱（spICP-MS）测定单峰、双峰和三峰悬浮液中金纳米颗粒的粒径及其各自的数量浓度。这种比较方法旨在测试各种分析方法在表征以及区分样
研究人员进行了本研究，旨在使用动态光散射（DLS）、粒子跟踪分析（PTA）、扫描电子显微镜（SEM）和单颗粒电感耦合等离子体质谱（spICP-MS）测定单峰、双峰和三峰悬浮液中金纳米颗粒的粒径及其各自的数量浓度。这种比较方法旨在测试各种分析方法在表征以及区分样品中不同纳米颗粒组分方面的适用性。由此，所用测量技术以及含有不同浓度AuNPs的胶体悬浮液的优点和局限性变得明显。其中，DLS和PTA在平均流体动力学直径方面提供了相当好的数据。此外，PTA能够测定所有单峰悬浮液以及八个多峰悬浮液中的六个中的纳米颗粒总量。然而，这两种方法都无法量化每个单独组分的颗粒数量。使用SEM，可以毫无困难地测定单峰悬浮液的平均粒径以及多峰样品中所有单独组分的粒径。此外，即使缺乏总颗粒浓度数据，也可以获得各组分的相对颗粒数量比。最后，尽管在校准方面存在自身挑战，但spICP-MS是唯一被研究的方法，它不仅能够测定平均直径，还能测定颗粒浓度，并同时区分和测定所有多峰样品中的各个组分。这项研究表明，即使使用已知尺寸和浓度的明确金纳米颗粒，也存在单个方法达到其极限的实验场景。因此，纳米颗粒分析需要多种互补方法才能获得最全面的图像。
**论文解读：金纳米颗粒混合物粒径与数量浓度的多方法比较研究**
**研究背景与问题**
纳米材料在食品、化妆品、包装等领域的广泛应用催生了监管需求。欧盟《食品信息对消费者》（FIC）法规和新食品法规要求，若食品中含有工程纳米材料（ENM），需在成分列表中标注“（nano）”。然而，目前缺乏针对纳米颗粒含量阈值的明确法规，且尚未建立统一的标准化分析方法。欧洲食品安全局（EFSA）和经济合作与发展组织（OECD）虽发布了指南，但推荐采用多方法策略以获取“完整图景”。现有分析方法包括动态光散射（DLS）、粒子跟踪分析（PTA）、单颗粒电感耦合等离子体质谱（spICP-MS）等筛选方法，以及扫描电子显微镜（SEM）等确证方法。然而，关键挑战在于：缺乏针对多模态混合物中同时测定粒径和数量浓度（PNC）的综合方法比较研究。为此，研究人员开展了本研究，系统评估四种技术对金纳米颗粒（AuNP）单峰、双峰及三峰混合物的表征能力。
**研究内容与结论**
本研究使用商业化的聚合物包被金纳米颗粒（nanoComposix公司，美国），标称粒径为30 nm、50 nm和100 nm，分为四个步骤：步骤1验证粒子数量标准品（AUXS50）；步骤2表征三种单峰样品（AUXU30、AUXU50、AUXU100）；步骤3和步骤4分别制备等数量浓度和等质量浓度的双峰与三峰混合物（共8种混合样），并采用DLS、PTA、SEM和spICP-MS进行测定。结果发现：spICP-MS和SEM能准确区分所有多峰混合物中的各组分粒径及相对数量浓度；PTA可测定总数量浓度，但在部分混合物中无法检测30 nm小颗粒；DLS仅给出强度加权的平均粒径，无法解析不同组分。该研究发表于《Nanoscale Advances》，强调了多方法互补对于纳米颗粒全面表征的必要性，并指出即便在定义明确的模型系统中，单一方法也可能达到其极限。
**主要关键技术方法**
研究人员采用以下四种关键技术：动态光散射（DLS）基于激光散射强度波动，通过Stokes-Einstein方程计算流体动力学直径（z-平均）；粒子跟踪分析（PTA）通过追踪单颗粒布朗运动，提供数均粒径和数量浓度；扫描电子显微镜（SEM）通过高分辨率成像和自动图像分析，测定颗粒最小Feret直径及相对数量密度；单颗粒电感耦合等离子体质谱（spICP-MS）通过检测单个颗粒产生的离子脉冲，同时获得粒径和绝对数量浓度。所有样品均来自同一生产批次（nanoComposix），实验前用2 mM柠檬酸钠缓冲液稀释，并依据各方法要求进行后续处理。
**研究结果**
**3.1 步骤1：纳米粒子数量标准品（AUXS50）的表征**
通过SEM和spICP-MS（颗粒尺寸方法，TES校准）测得的粒径与证书值（51 ± 1.9 nm）高度一致，而PTA和DLS因测量流体动力学直径而偏大。PTA和spICP-MS（颗粒频率方法，TEF校准）得到的数量浓度与证书值（1.1×10
8 particles/mL）吻合良好，但spICP-MS采用TES校准低估了29%。该标准品因浓度过低且缺乏流体动力学直径数据，不适用于后续多峰混合实验。
**3.2 步骤2：单峰AuNP样品的表征**
对于AUXU30、50、100，spICP-MS（TES）和SEM测得的粒径与TEM证书值一致（偏差<1.5%），DLS和PTA测得的流体动力学直径与制造商DLS值吻合（97-99%）。数量浓度方面，PTA和spICP-MS测得值均低于证书值28-53%，但数量级相当，这可能源于稀释、吸附损失及校准方法差异。
**3.3 步骤3和4：双峰及三峰AuNP样品的表征**
**3.3.1 粒径**
DLS在所有混合物中仅能给出一个整体平均粒径，无法区分组分，因大颗粒散射强度占主导。PTA在等数量浓度混合样中可识别部分组分（如30/50、50/100），但30/100及三峰混合样中30 nm颗粒因散射弱而无法检测；在等质量浓度混合样中所有组分均可识别，但常出现额外的大颗粒聚集体信号。spICP-MS和SEM能清晰区分所有混合物中的各组分，粒径与单峰结果及证书值一致，且重复性良好。
**3.3.2 总颗粒数量浓度**
PTA和spICP-MS测定的总浓度与计算名义值处于同一数量级，但部分混合样偏差较大，可能源于制备中的移液误差和颗粒吸附损失。
**3.3.3 相对颗粒数量浓度**
SEM通过图像计数的相对比例与名义值偏差仅0.2-8个百分点，表现良好。spICP-MS在等数量浓度混合样中最大偏差约5个百分点，在等质量浓度混合样中偏差不超过1.3%。PTA则因小颗粒检测能力不足，所有混合样中相对比例均严重偏离名义值，呈现系统性的对大颗粒的偏重。
**总结与讨论**
研究结论：在纳米颗粒表征中，无单一技术普适适用。对于金纳米颗粒双峰/三峰体系，spICP-MS和SEM能准确测定各组分粒径和相对数量浓度，PTA适合总数量浓度测定但区分能力有限，DLS仅提供整体平均粒径。讨论部分指出，这些结论基于球形颗粒假设；对于非球形颗粒，仅SEM仍保持有效性。此外，不同方法测量的是不同物理参数（流体动力学直径 vs. 核心直径），直接比较需谨慎。未来研究需在真实食品基质中验证方法，考虑基质效应、蛋白冠形成及聚集/团聚，并亟需开发食品相关认证参考材料。研究结论翻译：本研究使用定义明确的商业金纳米颗粒悬浮液，系统比较了四种纳米分析技术用于多模态样品表征的能力，突出了DLS、PTA、spICP-MS和SEM在粒径和数量浓度测定方面的优缺点。在纳米颗粒表征中，没有一种分析技术可以普遍适用，即使分析名义上的“纯”纳米颗粒系统，方法选择也必须根据具体科学问题，因为每种技术提供独特互补的信息，同时存在固有局限性。对于所选的二峰和三峰纳米颗粒系统，spICP-MS和SEM适用于测定各粒径组分的平均核心直径，而DLS和PTA提供总颗粒群体的平均流体动力学直径。总颗粒数量浓度可通过PTA和spICP-MS定量，而各组分的相对比例可被SEM和spICP-MS可靠测定。DLS则仅提供基于强度加权的平均粒径，大颗粒贡献不成比例。尽管如此，大量互补分析策略可用于实现更全面多维的纳米颗粒表征，尤其相关或联用策略（correlative or hyphenated strategies）可同时捕获样品多个方面。未来研究需在真实食品条件下验证分析方法，考虑基质效应、样品异质性及纳米材料的识别与分离。
