Pressures依赖的PEG-功能化金纳米粒子扩散的X射线光子相关光谱研究

《The Journal of Physical Chemistry B》：Pressure-Dependent Diffusion of PEG-Functionalized Gold Nanoparticles Probed by X-ray Photon Correlation Spectroscopy

　　

摘要
由于实验挑战，高压下纳米粒子的动态特性尚不明确。在此，研究人员使用X射线光子相关光谱（XPCS）研究了分散于水中、压力最高达6 kbar的聚乙二醇（PEG）功能化金纳米粒子的扩散动力学。互补的小角X射线散射揭示了金核尺寸无可测量的压力诱导变化，在研究的压力范围内确认了结构稳定性。XPCS测量显示，随着压力增加，纳米粒子动力学出现系统性减慢，弛豫速率保持布朗运动特征的预期q2依赖性。提取的扩散系数随压力连续下降，且基于水的压力依赖性粘度和Stokes–Einstein关系（假设流体动力学粒子尺寸恒定）的预测结果一致。在实验不确定度内，在稀分散体系中未观察到压力诱导配体壳层改性的额外贡献。

**高压XPCS揭示PEG功能化金纳米粒子扩散动力学及配体壳层响应**

**研究背景与目的**
纳米粒子在溶液中的动态行为对于纳米技术、软物质物理和生物物理等领域的推进至关重要。这些系统表现出复杂的输运现象，支配着自组装、药物递送和催化效率等过程。通常情况下，分散纳米粒子的原位动力学通过动态光散射（DLS）或其X射线对应技术X射线光子相关光谱（XPCS）等关联技术获取。然而，在极端条件（特别是高静水压力）下探测此类动力学仍是一个重大的实验挑战。虽然环境压力研究为纳米粒子扩散提供了有价值的见解，但系统在吉帕（GPa）级压力下的行为探索远不充分。高静水压力下软物质和生物物质的结构与功能是活跃研究领域，但其动力学理解仍存在关键空白。这一空白主要源于高压实验的技术困难，即需要能够承受极端力并保持精确控制实验条件的专用设备。影响纳米粒子动力学的一个关键性质是周围溶剂的粘度，其在高压下可能发生巨大变化。然而，这些方法比环境压力下的传统流变测量更具挑战性。此外，压力诱导的溶剂结构变化与纳米粒子运动之间的相互作用增加了另一层复杂性。XPCS为这些挑战提供了独特解决方案，它能直接获取纳米粒子运动的时间和空间相关性，从而高精度提取扩散系数和其他动态参数。近期XPCS进展显著拓展了其能力，最新一代同步辐射和自由电子激光（FEL）源已实现对更短时间尺度的访问。在软物质领域，高压XPCS已应用于溶菌酶水溶液的压力诱导液-液转变、胶体扩散（最高1.4 kbar）、温敏聚合物的线圈-球状转变和凝胶化以及水合蛋白质粉末的动态转变。本研究中，研究人员应用XPCS研究金纳米粒子作为压力函数的扩散行为。粒子经聚乙二醇（PEG）基配体功能化并分散于水中。先前研究已考察了其扩散动力学与粒子尺寸和温度的函数关系，发现与Stokes–Einstein关系良好一致。然而，该关系在高静水压力下可能失效。这些粒子在2000 bar以上表现出从排斥到吸引相互作用的转变，最终可能导致压力诱导超晶体形成。此转变受PEG基配体厚度和构象调制的控制。PEG配体的可压缩性已通过原子力显微镜（AFM）广泛研究，但关于PEG配体在高静水压力下的行为知之甚少。本研究通过XPCS追踪最高6 kbar（600 MPa）下的粒子动力学来解决此问题。研究人员通过提取扩散系数作为粒尺寸和压力的函数，旨在厘清配体响应所致的粒子间相互作用变化是纯粹的压力效应，还是仅在浓密体系中才出现。

**主要技术方法**
本研究发表于《The Journal of Physical Chemistry B》。研究采用X射线光子相关光谱（XPCS）在PETRA III的P10束线（位于DESY，汉堡，德国）进行，使用超小角X射线散射（USAXS）几何构型，样品-探测器距离为21.2 m。探测器为DECTRIS EIGER 500k，像素尺寸75×75 μm2，最高帧率9 kHz。束斑尺寸设为100×100 μm2，光子能量13 keV以减少压力池2 mm厚金刚石窗口的X射线吸收。该压力池允许对液体进行最高7 kbar静水压力的实验。研究人员利用种子生长法（seeded growth method）合成不同尺寸的金纳米粒子（AuNP），并以α-甲氧基聚（乙二醇）-ω-（11-巯基十一烷酸酯）（PEGMUA）配体（2 kDa）进行包覆，壳层厚度约为9.6 nm。实验在100 bar压力起始，随后500 bar，之后通常按500 bar步长增加至6 kbar，释放压力时按1000 bar步长进行。每个压力点进行两次XPCS测量，每次测量曝光时间0.12 ms/帧，包含10批、每批6000帧，共60000个散斑图样。为避辐射损伤，每批在样品架的的不同位置测量。同时辅以小角X射线散射（SAXS）技术，通过球形形状因子模型和Schulz-Zimm尺寸分布拟合获取金核半径，以及在100–6000 bar压力范围内监测核尺寸变化，从而验证体系的结构稳定性。所有数据均采用误差加权（χ2）拟合进行建模。本文提及的样本均为稀释分散体系（体积分数φ～10??到10?3），未涉及样本队列来源（如临床队列等）。

**研究结果**
**静态散射的压力依赖性**
研究人员获得每个样品在每个压力下的散射强度，通过对散斑图样的方位角ω进行平均。由于所有样品体积分数低（φ < 10?3），散射强度可由单粒子形状因子模型描述。AuNP3的散射强度在升压和降压过程中呈现相同趋势：强度随q增加而降低，并在q ≈ 0.1 nm?1处有最小值。升压或降压过程中均未观察到变化，这表明金核不随压力改变，与先前高压SAXS研究结果一致。通过对分散球体形状因子模型拟合确定各压力下的核半径。所有样品的尺寸分散度约为11%。归一化核半径rcore(p)/rcore(100 bar)在100至6000 bar压力范围内保持恒定，正如金的低压缩性所预期。

**XPCS动力学测量**
通过方程2从g2函数获得中间散射函数，实验散斑对比度β ≈ 0.04。AuNP3在p = 100 bar不同q值的中间散射函数随延迟时间Δt增加从1降至0。尤其在较大q值处，相关函数无法在探测器可及时间窗口内完全解析。值得注意的是，所有样品和压力下的g2函数均可通过单指数衰减（方程3）良好建模。在固定q值下，随着压力增加，|f(q,t)|2略微向更长时间尺度移动，表明动力学减慢。松弛时间τ由拟合获得，对于所有压力，τ随q增加而减小。对于q > 0.03 nm?1，动力学过快无法解析，因此仅考虑q最高至0.03 nm?1的松弛时间。采用τ = 1/(D·q?)函数拟合数据，发现指数n ≈ 2，符合扩散动力学预期，故设定n = 2，仅用单自由参数D进行拟合。扩散系数D随压力p增加而减小。

**扩散系数与Stokes–Einstein关系的对照**
为聚焦纯压力效应，研究人员研究了半径无关的归一化扩散系数D/D100bar。数据显示，实验数据符合文献预期，即仅假设压力诱导的粘度变化（黑色虚线）。此外，Schroer等人报道的压力导致半径变化（最高4 kbar）的行为以蓝色实线表示，该线在误差棒范围内但系统性地高于平均值。因此，实验数据与恒定半径模型之间的匹配表明，粒子的流体动力学半径不随压力改变。特别是，与仅假设粘度变化和4 kbar以上无进一步半径变化的乐观外推的偏差支持这一结论。提取的粘度值与文献值一致。

**配体壳层改性的评估**
实验在稀分散体系中未观察到压力诱导配体壳层改性的额外贡献。缺乏对粘度控制的Stokes–Einstein行为的可测量偏差表明，压力诱导的配体壳层修饰不会显著影响孤立纳米粒子在稀溶液中的流体动力学阻力。然而，在浓分散体系中，PEG配体构象或可压缩性的细微变化可能显著改变粒子间相互作用势、空间排斥和有效吸引范围。因此，即使在单粒子扩散系数仍由溶剂粘度的压力依赖性主导时，聚集或超晶体形成等集体现象仍可对压力高度敏感。

**讨论与结论**
本工作成功展示了XPCS在最高6 kbar高静水压力下研究纳米粒子扩散的应用。静态SAXS数据显示金核尺寸在研究压力范围内无可测量的压力诱导变化。同时，XPCS测量清晰显示纳米粒子动力学随压力增加而减慢。提取的松弛率遵循预期的扩散型q2依赖性，表明整个研究压力范围内粒子运动保持布朗特性。测量的扩散系数压力依赖性与水粘度随压力的增加一致，且与假设恒定流体动力学半径的Stokes–Einstein关系预测良好吻合。在实验不确定度内，对于研究的稀体系，未观察到压力诱导的有效粒子尺寸变化的额外贡献。这表明先前报道的压力诱导PEG配体构象修饰主要影响具有更强粒子间相互作用的浓密体系，而非稀分散体中的孤立纳米粒子。这些结果确立了高压XPCS作为在现代X射线源极端样品环境中探测纳米尺度动力学的强大工具。与可见光实验相比，该方法可延伸至分子长度尺度，从而探测水性系统中粘度等依赖长度尺度的动态性质。该方法为研究软物质中的压力依赖性输运现象、相互作用势和相变（包括浓胶体、压力诱导聚集、软物质相变和生物分子动力学）开辟了新机遇。