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纳米材料在水相介质中的分散：迈向方案优化

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DOI：

10.3791/56074

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2017年12月25日

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1School of Geography, Earth and Environmental Sciences, University of Birmingham, 2Analytical Science, National Physical Laboratory, 3INAC-LCIB, Université Grenoble Alpes, 4CEA, INAC-SyMMES, 5NIMBE, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, CEA Saclay, 6Chemical, Medical and Environmental Science, National Physical Laboratory, 7BAM Division 6.1 'Surface Analysis and Interfacial Chemistry', BAM Federal Institute for Materials Research and Testing, 8Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems

本文内容

摘要

本文介绍了一种在水相介质中分散纳米材料的逐步操作方案，结合实时表征，以确定最佳的超声处理条件、强度和时间，从而在不破坏样品完整性的前提下，提高纳米粒子分散体系的稳定性和均匀性。

摘要

超声处理过程常用于在水基介质中解团聚和分散纳米材料，这对于提高悬浮液的均一性和稳定性至关重要。本研究采用系统性的逐步方法，以确定实现稳定分散所需的最优超声条件。该方法已被采纳并证明适用于多种纳米材料（如二氧化铈、氧化锌和碳纳米管）在去离子（DI）水中的分散。然而，当纳米材料种类或分散介质发生任何改变时，均需通过调整超声时间、功率、超声设备类型以及过程中温度升高等因素，对基本方案进行优化。该方法详细记录分散过程，这对于识别超声过程中可能出现不良变化（例如颗粒表面损伤从而影响表面性质）的时间点及其他上述条件至关重要。我们的目标是提供一种协调统一的方法，以控制最终所制备分散液的质量。此类指南对于确保纳米科学界，特别是在纳米毒理学领域内分散质量的可重复性具有重要意义。

引言

超声处理是指产生空化现象的过程，该过程涉及在高强度超声辐照下液体中形成的气泡（常称为热点）的生成、生长和破裂1在实验室环境中，超声处理法使用超声仪进行。存在多种不同类型的超声仪，其共同功能均为将颗粒解团聚，使其在液相介质中分散为单个（或初级）颗粒。通过施加超声处理，样品的均一性可得以改善，并可能实现更窄的粒径分布。在分散过程中需考虑的一个重要方面是最终分散体系的稳定性。此处，悬浮液的稳定性定义为：颗粒在分散状态下不发生沉降或沉淀，且在此期间（约10分钟）连续五次重复测量所得的平均流体动力学直径变化不超过10%。2,3测量分散稳定性的方法有多种，包括通过测定颗粒的电泳迁移率来估算其Zeta电位（ZP），另一种方法是测量纳米颗粒在紫外光谱范围内的特征吸收。4.

在纳米毒理学领域，能够有效控制分散质量至关重要，因为分散步骤将决定关键的理化特性，例如粒径/粒径分布、形状、聚集/团聚、表面电荷等。 等等。 这最终将影响颗粒与测试介质的相互作用以及各种实验结果 体外 和 体内 实验，以推断纳米材料的潜在危害。

超声处理通常采用探头式（直接）超声、超声波清洗机或配备小瓶振子的超声探头（间接超声）进行。各类超声设备均提供不同强度和输出功率的设置，有时还可根据特定工艺或需求配备不同类型的声能探头，适用于2至250 mL范围内的液体体积。尽管探头式超声由于局部强度较高而被认为比浴式超声效果更优5，但在制备毒理学测试悬浮液时，浴式超声通常更受青睐，原因在于探头尖端可能带来污染风险、钛制探头尖端在长期使用后发生腐蚀，以及探头浸入深度不一致等问题。同样，配备小瓶振子的超声探头相较于直接探头具有优势，既避免了上述污染风险，也提高了设备操作的便捷性。多个小瓶可同时在相同强度下进行超声处理，不仅节省时间，而且确保所有样品接受一致的处理，从而使样品间的结果更具可靠性和可比性。在纳米材料的安全性研究中，始终需避免污染。然而，探头式超声仪不符合这一要求，且尚未经过相关验证。已知探头式超声仪会引起一些不可避免的副作用，例如因探头腐蚀导致的样品污染，以及能量输出降低进而引起分散条件改变，从而影响数据的可重复性6,7,8。此外，样品通常在未加盖容器中运行，易因蒸发造成液体损失，同时也可能引入灰尘沉积。为避免这些非预期的干扰，近期研究推荐采用基于高效能量传递和悬浮液纯度保障的替代性间接超声设备6。

未优化的超声处理可能对实验结果产生不利影响。它可能会改变纳米材料的关键物理和化学性质，如粒径、粒径分布、形貌和表面电荷2,9。已有文献报道，由于未能有效控制超声过程，导致纳米颗粒参数发生变化，例如纳米二氧化钛（nano-TiO2）5,10,11、纳米氧化锌（nano-ZnO）6 和纳米铜（nano-copper）12。此外，以往研究还表明，超声过程不仅会改变颗粒特性，还会影响毒理学测试的结果12,13。

为了控制分散过程，重要的是监测并理解不同类型超声波破碎仪、仪器功率和作用时间、体积等因素的影响， 等等。，可能影响分散液的质量。因此，有必要建立一种系统化的方法，用于分析分散液中颗粒在超声处理不同时间点的关键理化特性。尽管已有少数研究人员考虑了这些因素，但该领域的研究仍较为有限。Bihari 等 研究了使用不同超声能量和各种分散稳定剂制备的不同纳米材料分散液的分散稳定性14哈特曼最近的一篇综述 等 强调了尽管已开展研究以理解影响纳米材料分散质量的各种因素 例如超声波破碎仪型号、超声时间 等等。目前仍没有明确定义且被普遍接受的超声处理程序来支持纳米毒理学测试与研究7,15.

多种分析表征技术可用于监测分散体系的质量，包括动态光散射（DLS）、盘式离心法、电泳光散射（ELS）、紫外-可见（UV-vis）光谱法和透射电子显微镜（TEM），这些方法分别用于测量粒径/粒径分布、zeta电位、分散稳定性以及形貌特征。DLS常用于测定纳米材料分散体系中颗粒的流体动力学直径（Z-平均值）和多分散指数（PdI）。当DLS检测到多峰粒径分布时，所得Z-平均值可能与强度加权的粒径分布不一致，此时可引用强度加权粒径分布的平均值。PdI反映粒径分布的宽窄程度，其数值范围为0至1，其中0表示单分散样品，1表示高度多分散样品16。盘式离心法是一种利用液体介质中离心沉降来测定粒径分布的分离技术。颗粒在光学透明且旋转的圆盘内发生沉降，当颗粒到达圆盘边缘时，其散射光强度被记录，并通过斯托克斯定律（Stokes' law）转换为粒径分布。对于多峰粒径分布的解析，盘式离心法等具有内置分离机制的仪器更为适用。颗粒的zeta电位（ζ-电位）定义为剪切面或滑移面处的电势，该面是双电层中的一个假想边界，将表现出正常黏性行为的主体液体与主要由反离子组成、并随颗粒一起运动的斯特恩层（Stern层）分隔开来。zeta电位与颗粒表面电荷直接相关，因此决定了颗粒间的静电相互作用（即，排斥或吸引）。该参数被认为是纳米材料分散体系稳定性的主要指标。根据惯例，zeta电位值低于-25 mV或高于25 mV时被认为具有良好的稳定性17,18。离子的浓度和类型以及溶液pH值对zeta电位有显著影响19。ELS用于测量分散体系中颗粒的电泳迁移率，并通过亨利方程（Henry equation）结合Smoluchowski或Hückel模型将迁移率转换为zeta电位。紫外-可见光谱法是一种用于量化样品在特定波长下吸收和散射光强度的技术，常用于通过测量纳米材料在紫外区的特征吸收来监测分散稳定性。最后，透射电子显微镜（TEM）常用于观察和分析纳米颗粒的尺寸、粒径分布、团聚状态及形状5,14,15,20。

我们对使用超声波清洗槽和配备小瓶探头的超声探头仪制备的六种不同纳米材料分散液进行了比较研究。本方案中详细说明了实验所用的颗粒浓度、温度、超声设备类型及参数设置，以便推断类似探头和超声波清洗槽的实验条件。所用的纳米材料包括：银（Ag）、氧化铈（CeO2）、氧化锌（ZnO，亲水性NM110和疏水性NM111）以及碳基纳米材料，如碳纳米管（A32和A106，参见材料表）。

在超声处理过程中的不同时间点，采用多种表征技术评估分散体系的质量，包括动态光散射（DLS）用于测定粒径/粒径分布，盘式离心法用于粒径分布，电泳光散射（ELS）用于测定Zeta电位，紫外-可见光谱法（UV-vis）用于评估稳定性，以及透射电子显微镜（TEM）用于观察颗粒形貌和均一性。研究评估了多种不同类型的纳米材料，范围涵盖金属氧化物到碳基材料。作为对照，同时使用市售的柠檬酸盐包覆稳定的银纳米颗粒（Ag NPs）水悬浮液，以推断相关商业化悬浮液预期的长期稳定性。显然，该Ag NPs模型与任何具体的分散方法无直接关联，仅用于提示在储存一段时间后，由于可能发生再团聚等变化，有必要对悬浮液重新进行超声处理或再稳定化。该悬浮液在冰箱中保存两个月，在此期间对其进行表征，以识别颗粒是否发生潜在的团聚现象。初步结果显示该悬浮液不稳定（如结果部分所述）。随后，该分散体系也像研究中其他纳米材料一样，接受不同的超声处理。本研究的目的是验证通过相同的超声处理方案可实现对该悬浮液的去团聚。因此，Ag NPs模型可作为长期研究的基准，代表以优化形式实现颗粒再分散的效果。

本文所采用的分散方案与早期文献中发表的方法具有相似之处，并整合了以往研究人员提出的少量建议7,21,22,23,24,25。本研究采用系统化、分步式的方法，在整个分散过程中持续监测分散质量。该方法对纳米材料分散液进行实时表征，以确定最佳的实验分散条件（图1）。

金属氧化物纳米材料超声处理流程图；用于颗粒分散分析的超声装置。
图1. 分散方案的流程图及逐步操作序列示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。

方案

注意：所有化学品均未经进一步纯化直接使用。实验中全程使用电阻率为 18 MΩ·cm 的超纯水。所有制备好的分散液通常在 5 °C 避光条件下储存，用于后续表征或稳定性研究，但具体储存条件可能因材料组成及其他相关性质（如溶解性）而异。例如，银纳米颗粒（Ag NPs）在 2–5 °C 避光保存时通常可在一段时间内保持稳定；然而，悬浮液中仍会发生动态变化，分散液最终会重新团聚并随时间发生沉降。在进行生物学测试前，应使用动态光散射（DLS）、紫外-可见光谱（UV-vis）和透射电子显微镜（TEM）对这些材料进行分析以验证其质量4,5,13,14。以下分析采用 0.02 mg/mL 的浓度。该样品浓度适用于动态光散射（DLS）、紫外-可见光谱（UV-vis）、盘式离心、zeta 电位计算以及透射电子显微镜（TEM）分析。

1. 超声波发生器输出功率的校准

注意：超声处理过程中传递到悬浮液的有效声功率是一个关键参数，以获得可重复的分散体系。该参数不同于制造商所标注的发生器的电输入或输出功率，因为有效声功率是指实际传递到悬浮液中的功率26。在多种计算有效传递功率的方法中，最常用的是量热法26。该方法被公认为是直接测量传递至悬浮液的有效功率的一种简单且高效的方式7。在此方法中，记录在特定超声仪设置下液体随时间的温度升高情况，并利用以下公式计算所传递的有效功率：
功率公式 P=(dT/dt)MCp；热力学方程分析。
其中，P 表示传递的声功率（W），T 为温度（K），t 表示时间（s），CP 为液体的比热容（水的比热容为 4.18 J/g·K），M 为液体的质量（g）。

  1. 使用配备小瓶探头的超声波探头校准输出功率
    注意：该方法改编自 Taurozzi 等7，建议执行以下步骤。
    1. 将一个空的塑料小瓶置于微量天平上，并对天平去皮归零。
    2. 向小瓶中加入 1.5 mL 去离子水（电阻率 18 MΩ·cm），并使用天平记录液体的质量。
    3. 将小瓶放入小瓶探头高强区域的六个小瓶孔之一中，并使用夹具将连接至数字温度计的温度探头浸入液体中。确保探头不接触小瓶壁，且位于液面下约 2 cm 处。
    4. 将小瓶探头设置为 24 kHz 和 10 W（振幅调节为 50%），并以连续模式运行。
      注意：此处测试的其他振幅调节设置为 70%、90% 和 100%。
    5. 在最初 5 分钟内以 30 秒间隔记录水温的上升情况，并确保小瓶或装置不发生位置移动。
    6. 在电子表格软件中创建温度-时间曲线图，并使用最小二乘法回归获得最佳线性拟合。
    7. 获取曲线图的斜率（即温度随时间的上升速率），并使用公式 1计算输出功率。重复实验三次，取平均值。
    8. 对 70%、90% 和 100% 的振幅设置重复步骤 1.1.1 至 1.1.4。该程序获得的功率值将在分散处理过程中报告。
  2. 使用超声波清洗槽校准输出功率
    1. 将一个空的塑料小瓶置于微量天平上，并对天平去皮归零。
    2. 向小瓶中加入 1.5 mL 去离子水（电阻率 18 MΩ·cm），并使用天平记录液体的质量。
    3. 将小瓶置于超声波清洗槽中央，半浸入水中，并用夹具固定。使用夹具将连接至数字温度计的温度探头浸入液体中。确保探头不接触小瓶壁，且位于液面下约 2 cm 处。
    4. 将超声波清洗槽设置为 40 kHz 和 80 W，并以连续模式运行。
    5. 在最初 5 分钟内以 30 秒间隔记录水温的上升情况，并确保小瓶或装置不发生位置移动。
    6. 在 Excel 中创建温度-时间曲线图，并使用最小二乘法回归获得最佳线性拟合。
    7. 在电子表格软件中获取曲线图的斜率（即温度随时间的上升速率），并使用公式 1计算输出功率。重复实验三次，取平均值。该程序获得的功率值将在分散处理过程中报告。

2. 使用配备试管换能器的超声探头在水相介质中进行分散的步骤

  1. 使用洁净的药匙将所需纳米粉末各 2 mg 分别称取至三个洁净的玻璃小瓶中。标记为 1、2 和 3 号小瓶。
  2. 用移液器吸取 1 mL 去离子水，沿每支小瓶的管壁加入。用洁净的细玻璃棒搅拌成浓稠浆状，然后加入剩余的去离子水，使最终浓度达到 0.2 mg/mL。若为疏水性样品，先用 1 mL 体积分数 0.5% 的乙醇进行预润湿，再加入去离子水至所需终浓度。
  3. 用瓶盖密封各小瓶，并在水平圆周方向充分振荡，以去除附着在小瓶管壁上的纳米粉末。
  4. 将三个小瓶放入配备小瓶换能器的超声探头中，在脉冲模式（1 s/1 s，即开启 1 秒，关闭 1 秒）下施加首次超声处理，功率为 1.1 W，持续 2 分钟。此过程将使分散液温度升高约 4 °C。
  5. 取出 1 号小瓶，从液面上方吸取适量等分试样，用去离子水稀释至浓度为 0.02 mg/mL。使用一系列互补技术（如 DLS、TEM、UV-vis 和 ELS，详见第 4 节）对稀释后的分散液进行粒径、粒径分布、形貌、团聚状态和泽塔电位的表征。准确记录并存档测量结果。
  6. 从步骤 2.4 开始暂停 10 分钟，使样品冷却，避免系统内温度急剧上升。对 2 号和 3 号小瓶在相同振幅和脉冲模式下进行第二次超声处理，持续 4 分钟。取出 2 号小瓶，重复步骤 2.5，记录并存档超声处理 6 分钟后的数据。
  7. 再次暂停 10 分钟，对 3 号小瓶进行第三次超声处理，持续 4 分钟，然后执行步骤 2.5。记录并存档超声处理 10 分钟后的测量结果（详见第 4 节）。
    注意：操作纳米颗粒悬浮液时必须穿戴实验服、手套和护目镜。在进行较长时间实验时，超声仪必须置于声学屏蔽箱内，且在靠近超声源操作时必须佩戴高防护耳罩。

3. 使用超声波清洗仪在水相介质中进行分散的步骤

  1. 使用洁净的药匙，在四个洁净的玻璃小瓶中分别称取 2 mg 所需的每种纳米粉末，并将小瓶标记为 4、5、6 和 7 号。
  2. 用移液器吸取数滴去离子水（DI 水），沿每个小瓶的瓶壁加入，并借助洁净的细玻璃棒搅拌成浓稠浆状。然后加入剩余的去离子水，使每个小瓶中的最终浓度为 0.2 mg/mL。
    注意：对于疏水性样品，需先使用 1 mL 体积分数为 0.5% 的乙醇进行预润湿，再加入去离子水以达到所需的最终浓度。
  3. 用瓶盖密封每个小瓶，并在水平圆周方向上充分振荡，以去除粘附在瓶壁上的任何纳米粉末。
  4. 将四个小瓶置于超声波清洗槽中央，使小瓶一半浸入水中，在室温下以 80 W 功率进行第一次超声处理，持续 15 分钟。此过程将导致分散液温度升高约 3 °C。
  5. 从超声波清洗槽中取出 4 号小瓶，从瓶内液面顶部吸取适量等分试样，用去离子水稀释至浓度为 0.02 mg/mL，并使用一系列互补技术（如动态光散射 DLS、透射电子显微镜 TEM、紫外-可见光谱 UV-vis 和电泳光散射 ELS，详见第 4 节）对样品的粒径、粒径分布、形貌、团聚状态及 zeta 电位进行表征。记录并保存测量结果。
  6. 更换超声波清洗槽中的水，对 5、6 和 7 号小瓶在相同条件下（80 W）进行第二次超声处理，持续 15 分钟。取出 5 号小瓶，按照步骤 3.5 进行表征，并记录超声处理 30 分钟时的测量数据。
  7. 再次更换超声波清洗槽中的水（以避免温度进一步升高），在相同条件下对 6 和 7 号小瓶进行第三次超声处理，持续 30 分钟，并在 15 分钟时短暂暂停以更换水。取出 6 号小瓶，按照步骤 3.5 进行表征，并记录超声处理 1 小时时的测量结果。
  8. 每 15 分钟更换一次超声波清洗槽中的水，在保持参数不变的情况下对 7 号小瓶进行第四次超声处理，持续 1 小时。取出 7 号小瓶，按照步骤 3.5 完成全部表征，并记录超声处理 2 小时时的测量数据。

4. 不同时间点分散样品的表征

  1. 使用DLS进行粒径表征27
    1. 打开DLS软件。创建一个可针对特定纳米材料（包括标准品）进行个性化设置的粒径测量文件，使用马尔文手册中提供的折射率值。此外，根据软件要求输入其他必要数据，如吸收值、黏度值以及分散剂类型。
    2. 输入样品的实验条件，例如 2 min 平衡时间， 20 °C 温度，比色皿类型为低体积一次性比色皿，实验以自动模式运行。按“文件|保存”（以所需名称保存）。
    3. 点击“文件｜打开新测量”，使用标称尺寸为100 nm的标准乳胶微球进行DLS验证测试，以确认仪器性能
      1. 使用低体积一次性比色皿。用注射器或移液器加入1 mL样品，避免产生气泡。
        注意：使用前用乙醇和去离子水清洗比色皿。
      2. 将比色皿插入仪器中。点击文件测量面板上的“start”按钮。请注意，仪器将对样品平衡2 min，然后开始测量 20 °C.
        注意：如果样品先前存放在冰箱中，使用前应使其达到室温。
      3. 在自动模式下至少采集五个测量值，通过选中所有测量结果并点击顶部面板的“平均值”按钮，计算并报告其平均尺寸。将数据导出至 Excel 用于进一步分析。
      4. 以Z均值报告流体动力学直径，PdI宽度表示单峰分布时Z均值的标准偏差28若Z均值与强度加权粒径分布的平均值之间存在显著差异，表明样品可能存在多分散性或团聚现象，则应报告强度加权粒径分布的平均值，并对样品状态加以说明。
      5. 重复步骤 4.1.3 进行新的测量。
        注意：动态光散射（DLS）不适合用于非理想样品的分析。此处的非理想样品是指具有高多分散性、非球形颗粒、严重团聚或沉降的样品。 等等。 重复测量可能因颗粒沉降/沉淀而导致读数不准确。在此情况下，建议采用其他互补技术，例如圆盘离心法，可用于对分散体系进行定性评估。
  2. 通过圆盘离心法测定粒径分布
    1. 打开 CPS 软件。选择“程序定义”，在顶部输入样品标准操作程序（SOP）名称，并填写样品参数，如最小和最大直径、颗粒密度、折射率、吸收率以及非球形因子。29.
      1. 例如，对于氧化锌纳米颗粒，在最小直径和最大直径选项卡中分别输入 0.1 微米和 1.0 微米，在颗粒密度中输入 5.61 g/mL，折射率输入 2.1，颗粒吸收输入 0.001，非球形度输入 1。
    2. 根据PVC标准的峰直径填写校准标准详细信息 0.377 µm 颗粒密度为1.385 g/mL。同时填写液体参数（蔗糖，液体密度为1.04 g/mL，液体折射率为1.35），并命名和保存该程序。
    3. 选择已选定的程序（第4.2.1步中保存的标准操作程序），通过圆盘上的孔注入第一梯度层，即1.6 mL蔗糖（24%），然后按“开始”。
      注意：蔗糖的作用是在圆盘以恒定速度旋转时在其内部建立密度梯度。系统将根据尺寸范围自动计算圆盘转速。
    4. 等待软件达到自动计算的转速（RPM，转/分钟）。通过注入蔗糖梯度（8% 低密度和 24% 高密度，参见 表1），每次1.6 mL总体积，从最高密度溶液开始，至最低密度溶液结束。
      注意：此处将8%蔗糖溶液标记为低浓度，24%蔗糖溶液标记为高浓度。按以下体积混合（每次总体积为1.6 mL），依次注入离心管中，直至形成梯度。
      1. 随后，注入1.0 mL 十二烷封液，以维持碟片内梯度至少6 h。使碟片离心机平衡1 h。
    5. 选择“运行分析仪”，输入样品编号，然后按开始。用1 mL注射器向圆盘中注入0.2 mL标准品，同时按下空格键；随后注入0.2 mL样品，同时再次按下空格键。等待测量完成后，点击下一个样品。
    6. 使用圆盘离心机控制系统软件采集和处理数据。具体操作为：点击“检索分布”，然后选择样品名称，即可打开该样品的粒径分布图。将数据导出至电子表格管理软件。
  3. 使用紫外-可见光谱法研究分散稳定性
    注意：紫外-可见光谱法常用于通过仔细观察吸收光谱中峰强度、光谱偏度、光谱形状以及吸收峰波长位移的变化，来评估悬浮液的稳定性和聚集情况。4具体步骤如下。
    1. 打开紫外-可见分光光度计软件，点击“光谱扫描”30.
    2. 使用标准石英比色皿（半微量矩形石英池，10 mm，190 - 2,700 nm）。用移液器加入 2 - 3 mL 样品。
      1. 使用前，先用50%硝酸清洗比色皿10分钟，再用纯化水冲洗三次。随后用丙酮润洗，除去多余液体，并在空气中晾干。
    3. 从软件面板顶部点击“Instrument”，然后点击“set wavelength”，在波长选项卡中将仪器设置范围预设为700 nm至200 nm。
    4. 点击“基线”。使用相应的“空白”样本对每个光谱进行背景扣除。 即，一个仅装有分散介质（此处为水）的比色皿。
      注意：对于疏水性样品，使用与乙醇：水相似的比例作为分散介质。
    5. 在每个样品上至少采集三个独立光谱，方法为点击“Instrument| Property”，并在光谱数量中输入“3”。取平均值用于分析。保存数据并导出以供进一步分析。
  4. 使用 ELS 测量 Zeta 电位
    1. 打开DLS软件。创建一个可以针对特定纳米材料进行个性化的zeta电位测量文件，使用马尔文手册中的折射率值。输入其他可直接填入软件的信息。 例如，吸收率、黏度以及样品设置选项卡中显示的分散剂类型。点击“文件｜保存”，并以所需名称保存。
    2. 单击“文件｜打开新测量”，使用参考标准 DTS 1235（Zeta 电位标准品）验证仪器性能。该标准品为 pH 9 缓冲水溶液中的聚苯乙烯乳胶标准品，Zeta 电位为 -42 ± 4.2 mV。
    3. 使用容量不小于1 mL的注射器制备样品。采用带有两侧电极的一次性折叠毛细管池进行Zeta电位测量。通过毛细管池上的一个端口小心地将样品注入毛细管池内，注意避免产生气泡。
      1. 当样品开始从另一端出现时，插入塞子并清除可能溅到电极上的液体。用乙醇和去离子水彻底清洗比色皿。
    4. 将折叠的毛细管池插入仪器中。平衡2分钟，然后进行测量 200 °C 除非另有说明，若分散样品此前存放在冰箱中，使用前应使其恢复至室温。
    5. 以自动模式至少采集五次测量数据，并报告平均的zeta电位值。导出数据并进行分析17,18 （通常认为，当zeta电位值低于-25 mV或高于25 mV时，体系稳定），可在线或离线分析解读。
  5. 使用透射电子显微镜进行形态学表征
    1. 使用300目带孔碳膜铜网进行样品制备。在洁净的铜网上滴加一滴分散样品（约0.1 mL，0.02 mg/mL）。
    2. 在常温条件下让样品自然风干，同时保持网格覆盖，以防止空气中的污染物进入。
    3. 用超纯水清洗载网，以去除任何干燥效应，并进行透射电子显微镜成像。
      注意：在载网上滴加分散液会增加载网上颗粒的浓度，从而导致颗粒间吸引力增强。不均匀干燥可能产生伪影。用超纯水进行短暂冲洗可消除这一风险，并有助于载网均匀干燥。31.
    4. 以 dm3 格式获取图像，随后使用透射电子显微镜（TEM）软件离线分析。
      注意：图像可用于推断有关颗粒大小、结构和形状的补充信息。文件将转换为 tiff 格式，以便对形状和大小等特性进行量化分析。

结果

两种超声处理过程中随时间变化的温度升高情况的量热数据如图2所示。使用配备小瓶式换能器的超声探头（电源功率200 W）时，传递到分散液中的有效声功率在50%振幅下为0.55 ± 0.05 W，在70%振幅下为0.75 ± 0.04 W，在90%振幅下为1.09 ± 0.05 W，在50%振幅下为1.15 ± 0.05 W；而对于超声波清洗机（电源功率80 W），在100%设定下的有效声功率为0.093 ± 0.04 W。该结果与先前发表的研究相似，表明超声仪显示的输出功率远低于实际传递至待处理悬浮液的功率32,33,34。

超声温度与时间关系图；A%介质超声清洗槽分析的线性拟合。
图2. 量热法数据，显示使用（A）配备小瓶振子的超声探头和（B）超声清洗槽进行超声处理时温度随时间上升的情况。 在配备小瓶振子的超声探头（电源功率200 W）中，传递至分散液的有效声功率计算结果为：50%振幅下0.55 ± 0.05 W，70%振幅下0.75 ± 0.04 W，90%振幅下1.09 ± 0.05 W，以及再次在50%振幅下为1.15 ± 0.05 W；而对于超声清洗槽（电源功率80 W），在100%设定下的有效声功率计算值为0.093 ± 0.04 W。 请点击此处查看该图的放大版本。

不同分散方案制备的各种纳米材料分散液的相关结果总结于表2中。结果显示，采用不同超声条件制备的纳米材料分散液，其分散质量（通过动态光散射、电泳光散射和透射电镜测定）存在差异。如预期所示，数据的变异性受多种因素影响，包括纳米材料的类型、超声时间以及实验方案中使用的是探头式超声仪还是超声波清洗槽。每种纳米材料的紫外-可见吸收光谱见图3和图4，动态光散射（DLS）结果见图5和图6。

表2的目的不仅是展示数据的变异性程度，还在于帮助确定特定纳米材料分散体系的优化分散方案。如果此类分散体系被用于纳米毒理学测试方法中，则理想情况是获得稳定的分散体系（优选至少±30 mV）、较小的多分散系数（PdI），以表明粒径分布较窄（优选PdI为0.2或更低），以及较小的动态光散射（DLS）平均粒径，以表明大团聚体已被有效解聚。此处，Z-平均粒径定义为基于光强的纳米颗粒平均尺寸，而PdI是整体粒径分布宽度的度量（如上文引言部分所述）。

NM样品编号超声时间动态光散射粒径 (nm)多分散性指数 (PdI)Zeta 电位 (mV)
氧化铈CeO2_powder0396±1300.763±0.10017.2±0.4
CeO2_B_15min15 min128±40.231±0.01539.2±1.0
CeO2_B_30min30 min117±50.210±0.00838.1±0.5
CeO2_B_1h1 h95±30.209±0.01246.5±0.5
CeO2_B_2h2 h92±20.203±0.00746.5±1.4
CeO2_P_2min2 min126±70.218±0.00528.8±0.7
CeO2_P_6min6 min131±20.209±0.01440.5±0.7
CeO2_P_10min10 min122±10.184±0.01444.4±1.3
氧化锌（亲水性）ZnO_NM110 powder01410±1200.786±0.15017.1±0.5
ZnO_NM110_B15 min239±20.130±0.02425.4±1.0
_15min
ZnO_NM110_B30 min251±20.166±0.02021.6±0.3
_30min
ZnO_NM110_B1 h310±80.162±0.02521.0±0.2
_1hr
ZnO_NM110_B2 h274±30.243±0.01425.2±0.7
_2hr
ZnO_NM110_P2 min377±200.267±0.02521.7±0.4
_2min
ZnO_NM110_P6 min885±700.276±0.0238.6±0.6
_6min
ZnO_NM110_P10 min1074±880.673±0.05811.2±1.4
_10min
氧化锌（疏水性）ZnO_NM111_0758±860.823±0.006-14.6±0.7
powder
ZnO_NM111_15 min384±950.399±0.074-17.5±1.0
B_15min
ZnO_NM111_30 min282±350.361±0.009-22.4±0.5
B_30min
ZnO_NM111_1 h296±180.379±0.031-22.8±0.5
B_1hr
ZnO_NM111_2 h280±540.366±0.031-23.7±1.0
B_2hr
ZnO_NM111_2 min227±90.402±0.03219.8±0.8
P_2min
ZnO_NM111_6 min340±580.477±0.026-21.1±0.2
P_6min
ZnO_NM111_10 min370±720.626±0.065-21.8±0.8
P_10min
CNTA32_powder2 min306±50.279±0.029-23.7±0.5
A32_B_15min15 min250±30.200±0.007-18.0±0.4
A32_B_30min30 min255±20.282±0.036-20.2±1.1
A32_B_1hr1 h230±30.226±0.021-21.7±0.5
A32_B_2hr2 h267±30.337±0.019-20.6±0.6
A32_P_2min2 min255±40.217±0.011-22.5±0.4
A32_P_6min6 min245±90.328±0.029-23.6±0.8
A32_P_10min10 min254±40.313±0.029-23.6±0.5
CNTA106_powder2 min580±180.305±0.070-35.9±1.0
A106_B_15min15 min573±180.404±0.016-29.5±1.0
A106_B_30min30 min479±110.363±0.013-28.8±1.4
A106_B_1hr1 h566±220.461±0.054-25.0±0.7
A106_B_2hr2 h477±100.311±0.027-26.8±0.5
A106_P_2min2 min300±580.473±0.053-29.8±1.0
A106_P_6min6 min390±100.359±0.022-40.7±0.5
A106_P_10min10 min300±850.511±0.134-24.5±0.7
银Ag_cit072±500.462±0.258-38.7±1.3
Ag_B_15min15 min25±10.489±0.008-39.8±2.2
Ag_B_30min30 min25±10.532±0.036-30.7±2.8
Ag_B_1hr1 h25±10.542±0.028-39.2±1.7
Ag_B_2hr2 h28±50.387±0.015-35.8±1.8
Ag_P_2min2 min29±10.300±0.025-42.0±2.9
Ag_P_6min6 min26±20.263±0.017-40.4±1.5
Ag_P_10min10 min25±20.251±0.011-47.3±1.4

表2. 纳米材料在水中分散性的结果汇总。 样品编号中的“P”表示使用配备小瓶换能器的超声探头进行分散，“B”表示使用超声浴进行分散。所有测量浓度均为0.02 mg/mL。0分钟超声时间指未超声处理的悬浮液。 即，仅通过剧烈振荡和混合，不借助其他任何手段。在去离子水中通过物理振荡完全不溶解且无法分散的碳纳米管（CNTs），先在浴式超声仪中进行初始2分钟的超声处理，并予以记录。

吸光度与波长关系图；CeO2、ZnO光谱；瞬态吸收光谱分析。
图3. （A）CeO2、（B）ZnO NM110 和（C）ZnO NM111 在水中的分散液的紫外-可见吸收光谱。通过紫外-可见光谱法，仔细观察吸收光谱中峰强度、光谱偏度、光谱形状以及吸收波长偏移的变化，可用于评估悬浮液的稳定性和聚集状态。请点击此处查看该图的放大版本。

吸收光谱图；随时间变化的光激发测量数据；科学分析。
图 4. （A）CNTs A106、（B）CNTs A32 和（C）Ag_citrate 在水中的分散液的紫外-可见吸收光谱。 紫外-可见吸收光谱用于通过仔细观察吸收光谱中峰强度、光谱偏度、光谱形状以及吸收波长偏移的变化，来评估悬浮液的稳定性和聚集行为。 请点击此处查看该图的放大版本。

粒径分布分析；CeO2/ZnO样品强度与粒径的对比图。
图5. 通过DLS测得的（A）CeO2、（B）ZnO NM110和（C）ZnO NM111在水中的分散体系的强度粒径分布。 请点击此处查看该图的放大版本。

动态光散射图；粒径与强度关系；纳米颗粒分析结果
图 6. 通过动态光散射（DLS）测得的强度加权粒径分布：（A）CNTs A106，（B）CNTs A32，以及（C）水中 Ag_citrate 分散液。 请点击此处查看该图的高清版本。

对于 CeO2 纳米材料悬浮液，使用超声处理导致粒径和多分散系数（PDI）值整体降低。未进行任何超声处理时，结果显示出多峰强度分布，其 Z 平均粒径为 (396 ± 130 nm)，PdI 值非常高，达到 0.763 ± 0.100（表 2）。此外，该分散体系的 zeta 电位值为 17.2 ± 0.4 mV。需要注意的是，PdI ≥ 0.5 表明悬浮液高度多分散。因此，对该样品进行了盘式离心分析，所得粒径分布数据也证实了样品的不均匀性和非均一性（图 7a）。通过透射电镜（TEM）对样品形貌和粒径进行分析，进一步证实分散液中的颗粒确实高度多分散（图 8）。当使用超声水浴对粉末分散 15 分钟后，整体分散质量有所改善。特别是其相应的 zeta 电位值所反映的分散体系整体稳定性和单分散性均有所提高。将超声时间延长至 2 小时后，稳定性显著提升，粒径分布也更窄（表 2）。显然，随着超声水浴时间的延长，分散质量逐步改善，表现为流体动力学直径和 PdI 值逐渐降低。若采用超声探头进行分散处理，也可获得类似结果。总体而言，使用探头可实现更稳定且更均一的团聚状态，DLS 和 TEM 数据对此提供了佐证。有趣的是，超声水浴相较于超声探头更具优势，因其可获得更小的平均粒径和更高的 zeta 电位值。在两种超声处理过程中，TEM 显微图像均观察到多种一次颗粒的存在，包括球形、立方体形和多面体形。

粒径分布图；相对重量与直径，以微米为单位的分析，数据对比。
图7. 采用盘式离心法测得的（A）CeO2_powder 和（B）ZnO NM110_powder 在水中于0分钟时分散体系的粒径分布。 请点击此处查看此图的放大版本。

二氧化铈纳米颗粒透射电镜图像；合成阶段；结构表征；材料科学。
图8. CeO2的透射电镜图像，展示超声处理对样品均一性和稳定性的影响。每个样品的标尺均为100 nm。请点击此处查看该图的放大版本。

对于ZnO，分散液中使用了两种类型的ZnO 即，不同表面特性的氧化锌纳米材料，亲水性（NM110）和疏水性（NM111）。结果表明，两种类型的氧化锌表现出相似的特征。两者均显示，在未进行超声处理的情况下，分散质量较差，表现为颗粒平均粒径较大且多分散性高。NM110 的 Z 均值为 1,410 ± 120 nm，PdI 为 0.786 ± 0.150；NM111 的 Z 均值为 758 ± 86 nm，PdI 为 0.823 ± 0.006。通过圆盘离心法获得的 NM110 粒径分布数据也证实了样品的多分散性和不均一性（图7b）。在超声波清洗器中处理15分钟后，NM110的粒径和多分散性似乎减小，并在30分钟超声时间达到最佳减小平台。更长的超声时间显示出粒径数据总体增加，可能是由于颗粒在初始去团聚后重新发生团聚。另一方面，NM110在超声探头处理2分钟后表现出均一且稳定的分散状态。然而，6分钟和10分钟的更长处理周期也显示出粒径和PdI值增加，表明颗粒发生重新团聚。TEM（图9 和 图10）以及紫外-可见光（UV-vis）图 3b-c）结果进一步证实了这种分散质量的状态。有趣的是，在使用超声探头处理NM111时，观察到非常相似的结果。同样，系统性分析表明，最佳分散状态在2分钟时实现，而6分钟和10分钟的结果可能与再次团聚有关。当改用超声浴处理时，分散粒子尺寸在超声30分钟后达到平台期；此后粒子尺寸及多分散性数值均不再发生明显变化。此外，对疏水性NM111获得的透射电镜（TEM）图像显示，TEM载网上存在多种假象及其他干燥效应图10）。这表明，使用乙醇或其他有机溶剂进行预润湿可能有助于水相分散体系的制备，但在将疏水性纳米材料样品固定于碳支持膜上时仍存在挑战。总体而言，若能确定最优的分散方案，且该方案以最小的相应PDI值为判断依据，则亲水性NM110和疏水性NM111的最优条件分别为ZnO_NM110_B1 h和ZnO_NM111_B30 min。

不同时间下氧化锌纳米颗粒的形成；透射电镜照片；纳米结构表征。
图9. ZnO NM110的透射电镜图像，显示超声处理对样品均一性和稳定性的影响。 每个样品的标尺均为100 nm。请点击此处查看该图的放大版本。

氧化锌纳米颗粒透射电镜分析；不同时间间隔的颗粒生长阶段；电子显微镜。
图10. ZnO NM111的透射电子显微镜（TEM）图像，展示超声处理对样品均一性和稳定性的影响。 ZnO_NM111_B_15 min、ZnO_NM111_B_1 h 和 ZnO_NM111_P_2 min 样品的标尺为 0.1 µm，其余样品为 0.2 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

对于碳纳米管（CNTs），实验结果表明这类纳米材料在水中不易分散，特别是分散过程通常需要采用物理搅拌或剧烈振荡。本研究中使用的两种多壁碳纳米管（MWCNTs）均表现出这一特性。在超声处理时间为2分钟和15分钟时，A106和A32分散液的透射电子显微镜（TEM）图像分别如图11和图12所示。随着超声时间的延长，结果显示碳纳米管发生断裂，常导致其长度发生变化。这种长度变化在探头式和超声浴式处理中均明显可见。实验结果表明，若使用超声探头处理，A106和A32碳纳米管在2分钟处理后即可实现充分分散。此处“充分分散”是指达到关键超声时间阈值，此时所有碳纳米管（CNT）束均已打开，单根纳米管彼此分离35。当超声时间延长至6分钟或10分钟时，结果显示其长度分布发生变化，且多分散性显著增加。最后，动态光散射（DLS）的强度分布粒径数据（图6a-b）以及紫外-可见光（UV-vis）吸收光谱（图4a-b）也证实，碳纳米管分散液对超声时间以及所采用的超声方式（探头式或超声浴式）非常敏感。A106和A32碳纳米管均在253至310 nm之间出现吸收峰，这是多壁碳纳米管（MWCNTs）的典型特征36。已知吸收峰强度是衡量超声驱动分散过程中多壁碳纳米管所能达到最大分散程度的良好指标。A106和A32的紫外光谱表明，2分钟和15分钟的超声处理周期分别对其悬浮液达到最佳分散状态最为适宜。当超声时间过长时，吸收峰变宽，峰强度降低，同时吸收光谱发生偏移并出现谱峰肩部，表明样品已发生破坏。

随时间变化的纳米结构显微图像；用于材料分析的实验。
图11. CNTs A106的透射电子显微镜（TEM）图像，展示超声处理对样品均一性和稳定性的影响。 每个样品的标尺为200 nm。请点击此处查看该图的放大版本。

聚合过程可视化；透射电子显微镜；不同时间阶段的纤维形成。
图 12. CNTs A32 的透射电子显微镜图像，展示超声处理对样品均匀性和稳定性的影响。 每个样品的标尺均为 200 nm。请点击此处查看该图的高清版本。

最后，为了进行一定程度的比较，将数据与一种市售的柠檬酸盐稳定 Ag NPs 悬浮液（标称直径为 10 nm，浓度为 0.02 mg/mL）进行了对比。表征数据显示，该分散体系高度团聚且多分散性显著。DLS 数据显示其呈多峰分布，流体动力学直径为 72 ± 50 nm，多分散系数（PdI）高达 0.46 ± 0.26（图 6c）。TEM 形貌分析（图 13）以及紫外-可见光谱（UV-vis）中宽化的表面等离子体共振（SPR）峰（可见光区吸收峰位于 418 nm，图 4c）进一步证实了样品的高度多分散性。有趣的是，超声波水浴处理可改善分散稳定性和 PdI，但前提是必须使用足够长的超声时间；需超声 2 小时才能使 DLS 粒径降至 28 ± 5 nm，PdI 降至 0.387 ± 0.015（表 1）。然而，若改用超声探头处理，则仅需 2 分钟即可显著改善样品的均一性和稳定性，此时 DLS 粒径为 29 ± 1 nm，PdI 为 0.300 ± 0.025，Zeta 电位（ZP）为 -42 ± 3 mV。这种分散质量的改善在超声时间延长至 10 分钟时仍持续存在，此时测得 DLS 粒径为 25 ± 2 nm，PdI 为 0.251 ± 0.011，ZP 为 -47.3 ± 1.4 mV。当使用试管式超声仪（vial tweeter）超声 10 分钟时，PdI 进一步降低，ZP 绝对值升高。相应时间点的 TEM 显微图像也证实，在采用适当的超声处理方案后，样品均一性得到改善。TEM 图像中颗粒的均一性和分散性均迅速提升。2 分钟超声处理的样品相较于 10 分钟超声处理的样品仍存在一定程度的团聚现象。

显示随时间推移银纳米颗粒聚集的透射电镜图像；颗粒分散性分析。
图13. 透射电镜图像显示商用银纳米颗粒经超声处理后对样品均一性和稳定性的影响。 每个样品的标尺为 200 nm。请点击此处查看该图的高清版本。

高 (mL)低 (mL)
1.40.2
1.20.4
10.6
0.80.8
0.61
0.41.2
0.21.4
01.6

表1. 总体积为1.6 mL的蔗糖密度梯度配制。此处将8%蔗糖溶液标记为低浓度，24%蔗糖溶液标记为高浓度。按以下体积（每次总体积为1.6 mL）混合后，逐个注入离心管中，直至形成梯度。

讨论

本研究的最终目标是开发一种策略，以确定在水中分散特定种类纳米材料的最佳超声处理条件。本文旨在仔细记录超声过程中的实验步骤和参数，以弥补以往综述中指出的知识空白，并遵循先前提出的相关建议15。通过在每次超声循环后对分散液进行表征，并检测样品的稳定性和均匀性，来确定最佳分散条件。超声处理程序及稳定性状态的影响将基于纳米材料关键理化性质的特征性变化进行评估，这些性质通过多种分析技术测定，包括动态光散射（DLS）、电泳光散射（ELS）、紫外-可见光谱（UV-vis）和透射电子显微镜（TEM）。当前的实验方案是在以往文献和其他研究项目所建立的纳米材料分散方法21,22,37,38,39基础上，结合一些改进和优化而形成的，旨在解决关键的知识缺口、操作步骤问题，并提升其对具有相似表面特性的更广泛纳米材料的适用性7。然而，在将该方法应用于其他纳米材料时，仍需谨慎调整其超声时间、强度和类型。此外，尚需进一步研究以建立超声处理程序与纳米材料生物活性之间的相关性。本研究评估并比较了六种不同类型的纳米材料分散液，主要关注其稳定性，采用超声水浴和配备小瓶振荡器的超声探头，在设定的时间点进行处理。为保持悬浮液的纯度，避免因污染导致的非预期改变，本研究未使用探头式超声。使用小瓶振荡器时，样品瓶可保持密闭状态，从而杜绝样品间的交叉污染。

校准超声设备是一个关键因素，因为市面上有多种不同频率、振幅和功率的超声设备可供选择。为了确定传递到悬浮液中的有效声能，需采用量热法对超声设备进行校准。计算结果显示，样品管超声探头在70%振幅设置下以及超声浴在100%设置下的声功率均小于<1 W（分别为0.75 ± 0.04 W 和 0.093 ± 0.04 W）。然而，制造商标示的样品管探头和超声浴设备的输出功率分别为200 W和80 W。这表明，尽管电源功率较高，但在空化泡生成过程中大部分能量已损失，仅有少量能量实际传递至待处理的分散体系中26。近期研究强调，相较于超声设备的输入功率，控制空化效应的测量对于在超声过程中实现更好的分散控制更为重要8。该方法在精确分散高灵敏度纳米材料（如碳纳米管）方面展现出良好前景，建议在今后的研究中推广应用。

本研究中使用的每种技术均基于不同的原理，且均存在一定的局限性。动态光散射（DLS）不适用于非球形悬浮液以及高度多分散体系。在此类情况下，建议使用扩散波谱法（DCS），因其具有高分辨率、高准确性和高精密度40。DCS能够完全分辨尺寸分布极窄、差异小至3%的峰。透射电子显微镜（TEM）可提供纳米颗粒的直接可视化图像，是评估颗粒聚集状态、分散性、尺寸和形貌的有力工具，但该技术需要对样品进行干燥处理，可能导致产生人为假象41。如步骤4.5.3所述，通过超纯水洗涤载网可消除此类问题。

在该方法中，强调了一些关键步骤，例如实验方案中所用小瓶的类型、小瓶在超声浴中的浸入深度和位置，以及探头式超声仪中小瓶的放置位置。震荡过程中系统的温度控制是一个重要参数。建议频繁更换超声浴中的水，并在使用探头式超声仪时采用脉冲模式运行，以避免超声过程中产生热量积聚，从而防止样品发生任何改变。对于氧化锌等疏水性样品，预润湿步骤有助于颗粒的分散，但可能引发一些非预期的变化。超声时间和能量应足够高以实现颗粒的去团聚，但又不能过高而导致颗粒破碎。结果表明，团聚体的破碎程度取决于颗粒的类型。

我们的研究结果强调了制定详细分散方案的重要性，因为实验表明，在超声处理过程中，关键的理化性质可能会受到超声设备类型、超声时间及输出功率等因素的影响而发生改变。结果显示，在高强度震荡条件下，样品的完整性可能受到损害。结果还表明，碳纳米管（CNTs）对震荡极为敏感，当超声时间和强度发生变化时，极有可能发生断裂。分散碳纳米管的近似最佳条件为：使用超声波清洗仪时为2–15分钟，而使用超声探头时仅需2分钟。然而，超声处理仍可能导致部分纳米管变短，但此处无法准确量化这一现象。动态光散射（DLS）可能并非表征碳纳米管的理想技术，但仍可提供纳米管的流体动力学直径，该数据有助于反映不同样品间碳纳米管长度分布的差异。16,42,43以往研究表明，通过添加表面活性剂可显著增强碳纳米管（CNTs）的分散效果，因为表面活性剂分子会吸附在纳米管单层表面，从而在超声处理过程中形成保护屏障，防止其断裂。35,44然而，这种情况无法与本实验方案直接比较，因为本方案中未使用任何表面活性剂。需要注意的是，对于碳纳米管（CNTs）而言，确保其长度分布非常重要，因为长径比通常与特定的毒理学反应相关。相比之下，CeO₂2 与碳纳米管（CNTs）相比，CeO2 得到了不同的结果，其中使用超声波浴或探头进行长时间超声处理会导致一次粒子的形成。CNT 与 CeO2 两种情况下的研究结果差异凸显了针对不同材料定制分散方案的重要性 例如，根据起始材料优化超声时间与输出功率 即，纳米材料粉末的类型。每种纳米材料粉末样品类型均有所不同，因为粉末内部的团聚程度各不相同。在某些情况下，解团聚过程成功地将团聚体分解至一次粒子水平，透射电子显微镜（TEM）图像中出现此前超声处理前不可见的其他形态颗粒即为明证。延长超声处理时间导致氧化铈团聚体在不同角度持续断裂，从而形成多面体颗粒。

对于市售的水相银纳米颗粒（Ag NPs）分散液样品，我们的研究结果也强调了对其进行长期稳定性与均匀性评估的重要性。在使用前，有必要确保分散液已得到充分表征，尤其是在长期储存的情况下。然而，纳米材料的保质期通常很短，会随着时间推移而老化，其长期储存后的性能表现可能与新鲜制备的分散液存在差异。

此处结果凸显了建立统一策略以确定不同纳米材料优化方案的必要性。所提出的策略是采用不同变体的超声处理方法，并确保在不同时间点通过互补的分析手段对分散体系进行充分表征。此前的研究人员已强调，应采用多方法联用策略，以在不同时间和实验条件下对分散质量进行表征与监测。45尽管本研究中介绍的超声处理方法是针对特定纳米材料的分散，但这些方法也可作为在水中分散其他具有相似表面性质的金属及金属氧化物纳米材料的基础。然而，若更换纳米材料种类或液体介质，则需对基本操作方案进行优化，这可通过谨慎调整多种因素来实现 例如超声时间、强度和超声设备类型。无论选择何种方案并确定为最优条件，均需对超声分散程序的总体方案及逐步操作流程进行详细记录。这对于提高实验结果的可解释性和可比性至关重要。本方案的应用之一是促进不同实验室之间的数据可比性，从而为未来研究建立统一且标准化的操作方法。当前的方法和控制参数也可用于除水以外的其他分散介质，并可根据具体情况逐案进行比较分析。

披露

作者声明无竞争性财务利益。IK 和 EVJ 共同构思了本研究，IK 负责实验设计，并共同完成实验操作、数据分析及手稿撰写。LJE 和 IR 完成了透射电子显微镜（TEM）成像。SA、MLM 和 MC 提供了碳纳米管（CNTs），其余共同作者在各个阶段参与了手稿的讨论与审阅，RT 参与了手稿的编辑工作。

致谢

取得这些成果的研究获得了项目编号NE/J010783/1的资助。项目NanoValid获得了欧盟第七个研究、技术发展与示范计划资助协议第263147号的资助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
二氧化铈纳米粉末Sigma-Aldrich544841<25 nm 粒径（BET）
氧化锌欧洲委员会联合研究中心（JRC）NM110亲水性
氧化锌欧洲委员会联合研究中心（JRC）NM111疏水性
多壁碳纳米管NanoMile 项目（欧盟第七框架计划下的大型合作项目）A32 (MWCNT1)长度为 3.0±1.8 µm，O/C 比例为 4.5%
多壁碳纳米管NanoMile 项目A106 (MWCNT2)长度为 3.3±2.4 µm，O/C 比例为 7%
银分散液Sigma-Aldrich730785粒径 10 nm（TEM），浓度 0.02 mg/mL
Zetasizer 纳米粒度电位仪Malvern Instruments用于粒径和Zeta电位测量 
离心式盘式离心机CPS Instruments Inc.Model DC 24000通过离心沉降法测定粒径分布
透射电子显微镜JEOL USAJeol 1200EX TEM明场图像、粒径、形貌、团聚情况分析
配备小瓶振荡器的超声探头HielscherUIS250V超声波破碎仪
超声波清洗槽Branson Model 1510超声波破碎仪
Eppendorf 离心管Eppendorf2236411-1容量 1.5 ml
紫外-可见分光光度计Jenson flight deckModel 6800表面等离子体共振（SPR）峰、悬浮液稳定性检测
一次性折叠毛细管池Malvern InstrumentsDTS 1070用于电位测量
Zeta电位标准品Malvern InstrumentsDTS 1235
石英比色皿Jasco1103-0042矩形石英池 10 x 100
Spectrosil 石英带盖，适用波长范围 190–2700 nm

参考文献

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