Name: 切向流超:A胶体银纳米粒子的大小选择与集中绿色方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-10-04T12:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 47 s
Description: 学习切向流超滤技术用于胶体银纳米粒子的尺寸选择与浓缩。该方法可将大体积溶液高效浓缩至小体积，同时保持纳米粒子完整性，适用于纳米材料制备与表征研究。

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谨此感谢美国国家科学基金会通过工程学本科教育创新项目（NUE）和LEADER联盟项目提供的资助。

1. 胶体银纳米颗粒的合成
Creighton 方法（稍作修改，成本较低）22 的反应机理在参考文献 Pavel 等人的支持信息中有详细描述，其中包括 NaBH4 在室温或更高温度下发生不希望的水解副反应。23
<ol>
	<li>将所有玻璃器皿在10% HNO₃中清洗12-24小时3 先用酸浴处理，然后在含1.25 M NaOH的40%乙醇溶液中浸泡4–12小时，最后进行高压灭菌。经过酸浴和碱浴处理后，玻璃器皿须用超纯水（17 MΩ或更高）彻底冲洗至少五次。</li>
	<li>配制 300 ml 2 mM NaBH₄ 溶液4 溶液和 100 ml 的 1 mM AgNO3 使用冷却的灭菌水配制溶液 10 °C较低的温度可防止 NaBH 的副反应4.</li>
	<li>加入 300 ml 2 mM NaBH₄ 溶液4 将溶液加入含有搅拌子的500 ml锥形反应瓶中，并用铝箔包裹烧瓶以防止银氧化。将烧瓶置于置于搅拌器上的冰浴中，以325 rpm搅拌10分钟。</li>
	<li>用超纯水冲洗25 ml滴定管，使其充满整段水柱，以进行预润。预润后，将滴定管装满AgNO₃溶液。3 溶液并用铝箔包裹。</li>
	<li>在暗室中，加入 50 ml 1 mM AgNO₃ 溶液3 以每秒1滴的速度加入溶液-1 至 NaBH4 持续搅拌下的溶液（图1A）。用“锡箔帐篷”覆盖装置的中部，以减少 AgNO₃ 光照暴露3 加成。AgNO₃3 添加过程需要30-40分钟。定期补充冰浴。</li>
	<li>在 AgNO₃ 溶液反应后3 加完后，补充冰浴，并继续搅拌胶体溶液45-50分钟。胶体AgNPs的形成以溶液颜色由无色变为金黄色为标志，该颜色变化特征性地对应于AgNPs的表面等离子体共振吸收峰（图1B).</li>
	<li>反应完成后，将胶体冷藏。若胶体保持稳定，一周后可合并批次的胶体 AgNP。 即胶体溶液未发生聚集，且已使用紫外-可见吸收光谱法和拉曼光谱法对批次进行表征，以检测可能的聚集现象或污染物。</li>
</ol>
2. 胶体银纳米颗粒的表征
采用 Cary 50 UV-VIS-NIR 分光光度计（Varian Inc.）和配备 Olympus BX41 共聚焦拉曼显微镜的 LabRamHR 800 拉曼系统（Horiba Jobin Yvon, Inc.）对 AgNP 进行表征。数据采集与分析使用 Cary WinUV 软件、LabSpec v.5 和 Origin 8.0 软件完成。
注意：其他仪器型号需要优化采集参数。
通过紫外-可见分光光度法测定胶体银纳米粒子的表面等离子体共振
<ol>
	<li>取一次性1 cm3比色皿，按1:10的体积比加入Creighton胶体和超纯水。另取一个1 cm3比色皿装入超纯水，用于空白基线校正。用无尘纸擦拭两个比色皿的外壁。</li>
	<li>将分光光度计设置为吸光度模式，Y轴范围设为-0.5至1.0，X轴扫描范围设为200–800 nm，并选择4,800 nm min-1的快速扫描速率，同时启用基线校正。</li>
	<li>将装有水的比色皿插入仪器，运行基线扫描。如有必要，重复操作直至获得稳定的非零基线控制结果。</li>
	<li>将空白比色皿替换为样品比色皿，启动吸光度扫描，采集胶体样品的紫外-可见吸收光谱（图1C）。</li>
</ol>
通过拉曼光谱法检测胶体 AgNPs 的纯度
由于视频演示的时间限制（10-15 分钟视频）以及方案文本的篇幅限制（最多 3 页），本实验部分将不进行录像。
<ol start="5">
	<li>将仪器参数设置如下：激发光源（632.8 nm He-Ne），滤光片（无滤光片，样品处激光功率约 17 mW），共焦孔径（300 μm），光谱仪（730 cm-1），全息光栅（600 条/mm），物镜（50倍长工作距离空气物镜），曝光时间（30 s），累积次数（5）。</li>
	<li>使用洁净的移液器将胶体填充至2 ml石英比色皿中，并轻轻插入塞子。用擦镜纸（Kimwipe）清除比色皿表面的指纹、污迹或残留胶体。显著降低显微镜载物台高度。选择50倍物镜，并将比色皿放置于载物台上。</li>
	<li>利用仪器的视频模式及奥林巴斯（Olympus）相机，将激光束聚焦于比色皿内壁正下方的AgNP胶体处。关闭室内光源，采集拉曼光谱（图1D）。</li>
</ol>
3. 通过切向流超滤（TFU）对胶体银纳米颗粒（AgNPs）进行尺寸筛选与浓缩
使用KrosFlo II研究型过滤系统（Spectrum Laboratories，美国加利福尼亚州兰乔多明格斯）对银纳米颗粒（AgNP）的多分散性进行限制并实现其浓缩（图2）。切向流过滤（TFU）过程包含三个步骤：（1）利用50 nm MidiKros聚砜膜模块（460 cm2）对直径为50 nm及以上尺寸的AgNP及其聚集体进行尺寸筛选；（2）利用100-kD MidiKros滤膜（200 cm2）对直径为1–20 nm的AgNP进行尺寸筛选与浓缩；（3）进一步使用100-kD MicroKros聚砜滤膜（20 cm2）进行体积缩减（图3）。
步骤 1
<ol>
	<li>根据图2A所示，将MasterFlex进样管（规格17）连接至蠕动泵。该装置需要一个Y型接头和一个管路连接件。将管路连接至50 nm MidiKros模块，并务必使用扎带将管路牢固固定在滤器上。通过SIZE按钮选择管路尺寸17。</li>
	<li>使用DIR按钮选择泵的逆时针运转方向。确保MODE按钮处于INT模式。</li>
	<li>启动泵前，将泵速调至低于300 ml min-1。泵速应根据所用管路的尺寸进行调整。设定值应较小，以便操作者能及时应对可能发生的泄漏，但又需足够大以确保系统能够有效预充。为产生将胶体从储液瓶吸入管路和滤器所需的真空，需将从滤器底部通向Y型接头顶部的管路在中间位置切断。</li>
	<li>将从滤器引出的管路一端放入储液瓶中，并用夹具或用手夹紧靠近Y型接头的管路下段。开启泵，所产生的真空应开始虹吸胶体溶液。</li>
	<li>当液体在管路中自由流动后，关闭泵，用管路连接件将之前切断的管路重新连接，并用扎带固定。再次开启泵，继续过滤过程。</li>
	<li>检查管路系统是否存在泄漏。若发现泄漏，应通过调整接头或重新用扎带固定来修复。一旦管路系统无泄漏，可将泵流速提高至不超过700 ml min-1。该流速应根据管路尺寸优化，以避免管路损坏。持续过滤，直至储液瓶中的液体几乎完全耗尽。</li>
	<li>过滤完成后，收集滤出液，其中含有直径为50 nm及更小的AgNPs。截留物可根据特定的AgNP应用需求保存用于进一步分析。</li>
</ol>
步骤 2
<ol start="8">
	<li>安装 100-kD MidiKros 滤膜前，使用与 50-nm 模块相同的装置，先用 2% HNO3 和超纯水冲洗管路。</li>
	<li>使用 100-kD MidiKros 模块重复步骤 3.3。</li>
	<li>过滤完成后，收集管路和滤膜中的内容物（100-kD 截留液），体积应约为 50 ml。</li>
</ol>
步骤 3
<ol start="11">
	<li>根据图2B，将14号MasterFlex管路和100-kD MicroKros FILTER连接至蠕动泵。使用扎带固定所有连接处。在泵上通过SIZE按钮选择14号管路，并将泵速调低至30 ml min-1。</li>
	<li>开始过滤过程。检查管路系统是否存在泄漏。若发现泄漏，通过调整接头或重新用扎带紧固来修复泄漏点。</li>
	<li>当管路系统无泄漏后，可将泵的流速提高至不超过90 ml min-1。继续过滤，直至储液瓶中剩余的液体含有极少的浓缩物为止。</li>
	<li>在泵仍在运行时，通过将进样管从瓶中取出，可将管路和滤器中剩余的内容物收集到储液瓶中。一旦管路和滤器中的内容物全部进入储液瓶，即可关闭泵。</li>
</ol>
4. 采用电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP-OES）定量测定胶体银纳米粒子（AgNPs）中的银含量
每种胶体样品均经过化学消解，并使用A 710E型光谱仪（Varian Inc.）通过电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）定量测定银含量。采用八个银标准溶液（0、3、7、10、15、25、50 和 100 μg L-1）绘制银的线性回归校准曲线（图4），这些标准溶液由痕量金属分析用10,000 μg ml-1银标准溶液（Ultra Scientific）配制而成。
<ol>
	<li>使用 HNO3 对样品进行化学消解。代表性样品包括原始胶体（步骤 1）、50 nm 滤过液（步骤 1）、100 kD 截留液（步骤 2）以及最终 100 kD 截留液（步骤 3）（图 3）。</li>
	<li>使用 2% HNO3 按以下体积比稀释样品：原始胶体为 1:1000，50 nm 滤过液为 1:1000，第一个 100 kD 截留液为 1:25,000，最终 100 kD 截留液为 1:250,000。为防止银的溶出，所有样品均应储存于低密度聚丙烯容器中。</li>
	<li>设定 ICP-OES 仪器参数如下：Ag 的波长为 328.068 nm，功率为 1.20 kW，等离子体流量为 15.0 L min-1，辅助气流量为 1.50 L min-1，雾化器压力为 200 kPa。</li>
	<li>每个样品应重复测定三次，每次重复测量时间为 10 秒。两次测量之间的稳定时间为 15 秒，样品进样延迟时间为 30 秒。每两个样品之间应引入方法空白，以减少潜在的交叉污染。</li>
</ol>
5. 通过透射电子显微镜（TEM）分析胶体银纳米颗粒（AgNPs）的尺寸分布
采用 Phillips EM 208S 透射电子显微镜（TEM）观察胶体银纳米颗粒（AgNPs）。电子显微图像使用高分辨率 Gatan Bioscan 相机采集，并在 ImageJ 软件中进行分析。24
<ol>
	<li>用超纯水按1:100的体积比稀释100-kD截留样品。将20 μl原始胶体和稀释后的100-kD截留液（步骤3）滴加到300目铜网载有Formvar膜的金网格（Electron Microscopy Sciences）上。将网格置于干燥器中干燥，并在一天内观察。</li>
	<li>将透射电子显微镜（TEM）的加速电压设为70 kV以观察AgNPs。使用高分辨率相机拍摄电子显微照片（图5），并以TIFF格式保存图像文件。</li>
</ol>
6. 代表性结果
胶体银纳米颗粒的合成与表征
采用图1A所示装置成功合成了4升克雷顿胶体AgNPs。最终胶体呈特征性的金黄色（图1B）22, 23。该胶体的紫外-可见吸收光谱在394 nm处显示出典型的尖锐且对称的表面等离子体共振峰（SPR）（图1C）。原始克雷顿胶体及最终的100 kD截留物的拉曼光谱仅显示三个振动峰，分别为H2O的弯曲振动峰（1640 cm-1）以及对称和不对称伸缩振动峰（分别为3245 cm-1和3390 cm-1）（图1D）。
胶体银纳米颗粒的转导形成单位（TFU）
TFU 装置及三步 TFU 过程的示意图分别如图 2 和图 3所示。在第 1 步中，使用 50 nm 滤膜（460 cm2）对原始胶体进行粒径筛选，并去除直径为 50 nm 及以上尺寸的 AgNPs 及其聚集体（得到约 100 ml 的 50 nm 截留液）。此步骤同时伴随体积略微减少，即从 4 L 原始胶体减少至 3.9 L 的 50 nm 滤出液。该过程中未使用反冲洗或流中断步骤。最大体积减少（即水的去除）发生在第 2 步，此时将 50 nm 滤出液进一步通过 100 kD 滤膜（200 cm2）。所得 100 kD 截留液总体积为 50 ml。在此步骤中，大部分合成副产物和过量试剂通过水溶剂被去除（产生 3.850 ml 的 100 kD 滤出液）。此外，通过在先前报道的方法中增加第三步过滤步骤，实现了 AgNP 的进一步浓缩19。在第 3 步中，使用更小表面积（20 cm2）的 100 kD 滤膜将 100 kD 截留液体积进一步减少至 4.0 ml。透射电子显微镜（TEM）测量结果将表明，该最终的 100 kD 截留液主要由直径为 1–20 nm 的低度聚集 AgNPs 组成。
胶体银纳米颗粒的 ICP-OES 与 TEM 分析
通过八个标准样品（0、3、7、10、15、25、50 和 100 μg L-1）建立了银的线性回归校准曲线（图 4）。随后，通过外推法利用 ICP-OES 校准曲线测定四个代表性胶体样品中的银含量：原始胶体（15.2 ppm，图 3A）、50 nm 滤过液（14.1 ppm，图 3B）、第一次 100 kD 截留液（683.1 ppm，图 3C）和最终 100 kD 截留液（8,538.9 ppm，图 3D）。实测产率 15.2 ppm 与 Creighton 反应的典型理论产率 15.4 ppm 非常接近。AgNPs 的极高浓度（4 ml，8,538.9 ppm）表现为颜色从原始胶体的金黄色变为最终 100 kD 截留液的深棕色（图 3，小瓶照片插图）。滤膜质量被发现对切向流超滤（TFU）过程至关重要，尤其是步骤 1。最终截留液的浓度范围为 3,390.1 ppm 至 9,333.3 ppm，具体取决于滤膜状态（重度使用与全新）。若膜孔受损，直径小于 50 nm 的 AgNPs 也会被截留，从而减少滤过液中 AgNPs 的总体收集量。优化过滤过程，包括压力监测和适当的清洗，可延长滤膜的使用寿命。
原始Creighton胶体和最终100-kD截留物（步骤3）的代表性透射电子显微镜（TEM）图像分别如图5A和5C所示。在未聚集状态下，AgNPs在较浅的灰色背景上呈现为黑色圆形区域。在两种样品的TEM图像中，各识别出约800个AgNPs，并使用Image J软件进行分析。每个颗粒由完整且封闭的轮廓定义。根据TEM图像的分辨率，设定面积阈值为1.0 nm2。随后将AgNPs的数量和面积数据导出至Microsoft Excel，并据此推算AgNPs的直径。原始胶体和最终100-kD截留物中AgNPs的平均直径分别为9.3 nm和11.1 nm。AgNPs的直径测量数据随后被导入Origin 8.0软件，并为每个样品构建TEM粒径分布直方图（图5B和5D）。
<img alt="带有光谱分析的化学合成装置；显示吸收光谱和拉曼光谱图。" src="/files/ftp_upload/4167/4167fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 1"> 
图 1. A) 合成装置，B) 特征颜色，C) Creighton 胶体 AgNPs 的紫外-可见吸收光谱，以及 D) 拉曼光谱。
<img alt="使用蠕动泵、管路的真空蒸馏装置；化学萃取过程；两张图像。" src="/files/ftp_upload/4167/4167fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 2"> 
图 2. TFU 实验装置示意图，其中 A) 步骤 1 和 2：I) 盛放 Creighton 胶体 AgNPs 的储液槽。II) 滤液收集储液槽。III) 管路上的 Y 型接头。IV) 蠕动泵泵头。V) 50 nm 或 100 kD Midi Kros 滤器。B) 步骤 3：I) 盛放 Creighton 胶体 AgNPs 的储液槽。II) 滤液收集储液槽。III) 100 kD Micro Kros 滤器。
<img alt="包含50 nm和100 kD滤膜的胶体过滤过程示意图，显示不同溶液组分。" src="/files/ftp_upload/4167/4167fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
图3. TFU过程的流程图。蓝色阴影框表示收集用于进一步分析的AgNPs胶体悬浮液。小瓶照片显示：A) 原始胶体批次，B) 将原始胶体通过50-nm滤膜（460 cm2）过滤后收集的50-nm滤过液，C) 使用100-kD Midi Kros滤膜（200 cm2）进行体积浓缩后获得的首个100-kD截留液，以及D) 使用100-kD Micro Kros滤膜（20 cm2）进行体积浓缩后获得的最终100-kD截留液。100-kD滤过液外观类似水。
<img alt="发射强度与浓度的线性回归图；显示高度相关性（R²=0.9998）" src="/files/ftp_upload/4167/4167fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 4"> 
图 4. 使用八种银标准溶液（0、3、7、10、15、25、50 和 100 μg L-1）构建的 ICP-OES 线性校准曲线。
<img alt="Silver nanoparticle size distribution; TEM images with histograms; nanomaterial analysis results." src="/files/ftp_upload/4167/4167fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 5"> 
图5. 透射电子显微镜照片 A) 原始的克雷顿法合成的AgNPs C) 最终100 kD截留物（比例尺为100 nm）。通过分析约800个AgNPs构建的TEM粒径分布直方图 B) 原始的Creighton AgNPs，以及 D) 最终100 kD截留物。插图中的 图5B 显示扩展的41-75 nm尺寸范围，以供比较。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4167/4167fig5large.jpg" target="_blank"> 点击此处查看大图</a>.

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</ol>

未声明任何利益冲突。

胶体银纳米颗粒的紫外-可见吸收分光光度法和拉曼光谱分析
众所周知，胶体吸收光谱中表面等离子体共振峰的数量随着银纳米颗粒（AgNPs）对称性的增加而减少。此外，AgNPs的聚集会导致出现更宽或红移的吸收峰。25,26 在394 nm处出现单一、尖锐且对称的SPR峰，表明存在粒径分布较均匀、轻度聚集的小型球形AgNPs。
通过原始克林顿胶体和最终100-kD截留物的拉曼光谱，证明了超滤前后胶体样品的纯度，其光谱仅显示出三个属于H2O的特征振动模式。具有大拉曼截面的有机杂质或超滤污染物所产生的拉曼信号，会因其与AgNP表面的直接接近而得到增强（即所谓的表面增强拉曼光谱（SERS）效应）。
超滤胶体银纳米颗粒的 ICP-OES 与 TEM 分析
在先前报道的TFU方法19基础上增加第三步100-kD过滤，成功将更大体积的克雷顿胶体AgNPs（4 L、15.2 pp...

<table><tbody><tr><td>硝酸银（AgNO₃）&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;)</td><td>Acros Organics Inc.</td><td>CAS：7761-88-8</td><td> </td></tr><tr><td>硼氢化钠（NaBH₄）&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;)</td><td>Acros Organics Inc.</td><td>CAS：16940-66-2</td><td> </td></tr><tr><td>硝酸（HNO&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;，Optima）</td><td>Fisher Scientific Inc.</td><td>A467-1</td><td>用于ICP分析的痕量金属级</td></tr><tr><td>10,000 &amp;mu;g/ml&lt;sup&gt;-1&lt;/sup&gt; 银标准，EnviroConcentrate</td><td>Ultra Scientific</td><td>US-IAA-047</td><td> </td></tr><tr><td>KrosFlo Research II&lt;em&gt;i&lt;/em&gt; 切向流过滤系统</td><td>Spectrum Laboratories Inc.</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.spectrumlabs.com/pshop/RequestPrice/index.html?LiFrom=%2Ffiltration%2FKR2SystemO.html;FrName=Research+IIi+System;Pn=SYR2-U20-01N;&quot; 目标=&quot;_blank&quot;&gt;SYR2-U20-01N&lt;/a&gt;</td><td> </td></tr><tr><td>0.05 &amp;mu;m PS（0.5 mm）460 cm&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt;</td><td>Spectrum Laboratories Inc.</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.spectrumlabs.com/filtration/MidiKros.html?Pn=X30S-900-02N&quot; 目标=&quot;_blank&quot;&gt;X30S-900-02N&lt;/a&gt;</td><td> </td></tr><tr><td>Midi 100 kD PS 200 cm&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt;</td><td>Spectrum Laboratories Inc.</td><td>X3-100S-901-02N</td><td> </td></tr><tr><td>Micro100 kD PS 20 cm&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt;</td><td>Spectrum Laboratories Inc.</td><td>X1AB-300-10N</td><td> </td></tr><tr><td>MasterFlex C-Flex 管道 L/S 17号尺寸 </td><td>Cole-Palmer Instrument Co.</td><td>06424-17</td><td> </td></tr><tr><td>MasterFlex C-Flex 管道 L/S 14号尺寸 </td><td>Cole-Palmer Instrument Co.</td><td>06424-14</td><td> </td></tr><tr><td>Cary 50 紫外-可见-近红外分光光度计</td><td>Varian Inc.</td><td></td><td> </td></tr><tr><td>LabRam HR 800 系统</td><td>Horiba Jobin Yvon 公司</td><td></td><td> </td></tr><tr><td>Varian 710ES ICP-&amp;#8211;S</td><td>Varian Inc.</td><td></td><td> </td></tr><tr><td colspan="4">&lt;p class=&quot;jove_content&quot;&gt;&lt;强&gt;表1. &lt;/strong&gt; 特定试剂与设备&lt;/p&gt;</td></tr></tbody></table>

切向流超滤：一种用于胶体银纳米颗粒尺寸筛选与浓缩的“绿色”方法

Tangential Flow Ultrafiltration: A  &ldquo;Green&rdquo; Method for the Size Selection and Concentration of Colloidal Silver Nanoparticles

如今，AgNPs 被广泛用于消费品的制造中，1 水消毒剂，2 治疗学1, 3 和生物医学设备4 由于其强大的抗菌特性。3-6 这些纳米粒子的应用在很大程度上受到银纳米粒子（AgNP）尺寸和聚集状态的影响。在可控制备方面仍存在诸多挑战7 基于大小的分离4,8 不含化学性质活泼的封端剂/稳定剂或有机溶剂的未修饰、均质银纳米颗粒。7-13 局限性源于试剂的毒性、银纳米粒子合成或分离方法的成本高昂或效率降低（例如离心、尺寸依赖性溶解度、尺寸排阻色谱等。10,14-18 为克服这一问题，我们近期研究表明，TFU 可实现对克雷顿法制备的 AgNPs（300 ml 浓度为 15.3 μg/ml）的粒径、浓度及聚集状态的更优控制-1 降至 10 ml 的 198.7 μg/ml-1比超速离心等传统分离方法更高效。19
切向流超滤（TFU）是一种常用于基于重量分离蛋白质、病毒和细胞的循环方法。20,21 简而言之，液体样品通过一系列孔径范围从1,000 kD到10 kD的中空纤维膜。样品中较小的悬浮或溶解成分会随溶剂一起穿过孔隙屏障（滤出液），而较大的成分则被截留（截留液）。由于TFU既不会破坏样品，也无需额外溶剂去除有毒过量试剂和副产物，因此可被视为一种“绿色”方法。此外，由于既有疏水性也有亲水性滤膜可供选择，TFU可应用于多种纳米颗粒。
本研究的两个主要目标是：1）通过邀请视频展示的方式说明TFU方法的实验细节；2）验证TFU方法在处理较大体积胶体纳米颗粒和较小体积截留液时的可行性。首先，采用成熟的克雷顿法22,23，通过NaBH4还原AgNO3合成了未功能化的AgNPs（4 L，15.2 μg ml-1）。随后，采用三步TFU法降低AgNPs的多分散性：使用50 nm滤膜（460 cm2）去除大于50 nm的AgNPs及其聚集体，再依次使用两个100-kD滤膜（分别为200 cm2和20 cm2）对AgNPs进行浓缩。代表性样品通过透射电子显微镜、紫外-可见吸收光谱、拉曼光谱以及电感耦合等离子体发射光谱进行表征。最终获得的截留液包含高度浓缩（4 ml，8,539.9 μg ml-1）、低聚集且均一的AgNPs，其粒径范围为1–20 nm，银的浓度回收率约为62%。

切向流超滤（TFU）是一种基于分子量分离生物样品的循环方法。TFU 已被改进用于尺寸筛选（直径 1–20 nm）并高度浓缩大量多分散银纳米颗粒（将 4 L 浓度为 15.2 μg ml-1 的溶液浓缩至 4 ml 浓度为 8,539.9 μg ml-1），且聚集程度极低。

如今，由于……，纳米银颗粒（AgNPs）被广泛用于消费品制造1、水体消毒剂2、治疗药物1,3以及生物医学设备4。

本实验的总体目标是验证切向流超滤法在处理较大体积胶体纳米颗粒及较小体积Tate样品时的可行性。首先合成四升胶体银纳米颗粒。通过紫外-可见吸收光谱法测定表面等离子体共振，以验证胶体的质量。接下来，使用切向流超滤法将该胶体浓缩并筛选，最终将其浓缩至 4 毫升水中。然后采用电感耦合等离子体光学发射光谱法，定量测定原始胶体及超滤过程中代表性样品中的银含量。最后结合图像处理技术进行透射电子显微镜分析。使用 Image J 软件展示原始胶体和最终超滤液中银纳米颗粒的尺寸分布。对于初次使用 ICP-OES 进行纳米材料定量的研究人员，需要掌握玻璃器皿的清洗步骤，这是确保玻璃器皿无任何痕量金属污染的关键。此外，正确消解胶体样品以及制备 ICP-OES 校准标准品所需的时间也同样重要。与其他方法（如基于溶解度、尺寸排阻色谱、分级结晶和凝胶电泳）相比，本方法避免了聚集、合成毒性、试剂毒性、不期望的包覆、高成本或效率降低等问题。本视频将展示科罗拉多·苏恩纳米颗粒的合成过程，并通过可见-紫外光谱分析和ICP-OES对其进行表征。演示者为我实验室的研究学生奥斯汀·威廉姆斯（Austin Williams）、约书亚·贝克（Joshua Baker）和凯瑟琳·安德斯（Catherine Anders）。大家好，我是伍利博士（Dr. Woolley），我将进行切向流过滤操作，杰姬·思科（Jackie Cisco）将进行电子显微镜检测。所有玻璃器皿均需仔细清洗，具体描述见 accompanying text。使用经10摄氏度冷却的高压灭菌水，配制300毫升浓度为2毫摩尔的硼氢化钠溶液和100毫升浓度为1毫摩尔的硝酸银溶液。将300毫升硼氢化钠溶液加入含有搅拌子的500毫升锥形反应瓶中。用铝箔包裹反应瓶以防止银氧化，并在冰浴中搅拌。用超纯水冲洗25毫升滴定管，使其充满整段水柱，然后用硝酸银溶液同样冲洗整段柱体。随后用铝箔包裹滴定管，并将其充满硝酸银溶液。在暗室中，向钠或氢化物溶液中加入50毫升硝酸银溶液。用铝箔帐篷覆盖装置的中段，以减少光照暴露。在此期间定期补充冰浴。继续在冰上搅拌胶体溶液额外的 45 至 50 分钟。银纳米颗粒的形成以颜色由无色变为金黄色为标志，这是银纳米颗粒表面等离子体共振吸收峰的特征。将所得胶体冷藏。用一次性1毫升比色皿，按1:10的体积比加入克林顿胶体和超纯水。为进行空白基线校正，另取一个比色皿加入超纯水。用无尘纸擦拭两支Q vets的外表面。将分光光度计设置为吸光度模式，Y轴范围从负0.5至1.0。同时，将X轴扫描范围设为200至800纳米，并选择快速扫描速率及基线校正。将装有水的Q vet插入仪器，运行基线扫描。如有必要，重复此步骤，直至获得非零基线对照。用待测样品的Q vet替换空白Q vet，启动吸光度扫描，以采集胶体样品的紫外-可见吸收光谱。按照随附文本所述，将17根主柔性进液管连接至蠕动泵，使用DIR按钮选择逆时针泵送方向，并确认模式按钮处于INT状态。将泵速设置为低于300毫升每分钟。接下来，通过在过滤回路中创建真空来对系统进行预冲洗。当液体在系统中自由流动后，关闭泵，关闭管路连接处的端口并移除夹具。再次启动泵，并监测管路系统是否存在泄漏。随后根据管路尺寸逐步增加泵的流速。继续过滤，直至储液瓶中的液体几乎耗尽，然后关闭泵，降低泵速，并从过滤回路中收集截留物。该截留物包含大于50纳米的纳米颗粒。接下来，收集滤液，滤液包含小于50纳米的纳米颗粒。样品经滤膜后可安全用于进一步分析，滤液用于下一步实验。接下来选择直径小于20纳米的纳米颗粒。用2%硝酸的超纯水溶液冲洗管路。使用100千道尔顿的CROs滤器重复过滤过程。收集过滤回路中的截留液。样品可进一步使用更小的100 KD微滤器和更小尺寸的14号管路，以及更低的泵速（引液步骤为30 mil，过滤步骤为90 mil）进行浓缩。该方法旨在通过银纳米颗粒制备过程中的纯化步骤来定量银含量。使用低密度聚丙烯容器，以防止样品中银的浸出。首先用浓硝酸对样品进行化学消解。同时使用八个标准品制备银的标准曲线。接下来，设置 I-C-P-O-E-S 仪器的参数，包括银的波长、射频功率、等离子体流量、辅助气体流量和雾化器压力。同时将仪器设置为每个样品测量三次，每次重复测量时间为 10 秒。在测量稳定时间15秒和样品吸取延迟30秒之间使用该方法。此外，务必在每个样品之间引入方法空白，以减少潜在的交叉污染。现在加载样品，并用超纯水稀释100千道尔顿的标准样品。现在将20微升原始胶体和稀释后的100千道尔顿溶液滴加到300目碳膜镀金载网上。将载网置于空气中自然干燥。将透射电子显微镜（TEM）的加速电压设为70千伏，使用高分辨率相机拍摄银纳米颗粒的电子显微图像，并以TIFF格式保存。在此制备四升蛋清和胶体银纳米颗粒的过程中，最终胶体呈现特征性的金黄色。该胶体的紫外-可见吸收光谱在394纳米处显示出典型的尖锐且对称的表面等离子体共振峰。原始蛋清胶体和最终的100千道尔顿复合物的拉曼光谱仅显示出三个振动模式。水的弯曲振动模式位于1,640 cm⁻¹处，以及其对称与不对称伸缩振动模式。通过三步切向流超滤过程，对银纳米颗粒进行尺寸筛选与浓缩，最终获得100千道尔顿截留分子量、体积为4毫升的样品。大部分合成副产物及过量试剂通过水溶剂被去除。然后使用ICP-OES校准曲线测定银的含量。此处，实际产率非常接近15.4 ppm的典型理论产率。在该反应中，银纳米颗粒的极高浓度表现为颜色发生显著变化，即从原始胶体的金黄色变为最终100 kDa产物的深棕色。ICP-OES测量结果证实了肉眼观察现象，并揭示了最终100 kDa产物中银的浓度。这些原始甲状腺球蛋白胶体和最终的100千道尔顿截留分子量样品的透射电子显微镜（TEM）图像表明，在未聚集状态下，银纳米颗粒在较浅灰色背景上呈现为黑色圆形区域。这些TEM粒径分布直方图是通过分析约800个原始甲状腺球蛋白银纳米颗粒和最终100千道尔顿截留分子量样品中的银纳米颗粒得到的。观看本视频后，您应能够充分理解如何利用切向流过滤对银纳米颗粒进行浓缩及粒径筛选。可对不同体积的样品进行浓缩，同时最大限度减少聚集。您还应充分掌握如何表征纳米颗粒。一旦熟练掌握，该技术可在六小时或更短时间内完成。在进行该操作时，需要注意的是，即使在冷藏条件下，高浓度的胶体悬浮液也具有有限的保存期限。这一限制可通过仔细的研究、规划和准备工作加以管理。请务必牢记，在进行ICP-MS分析的化学消解过程中，操作热硝酸试剂可能存在危险，因此必须采取适当的安全防护措施，例如在化学通风橱中操作或穿戴合适的个人防护装备。

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科研

JoVE Journal

Biology

生物学

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