纳米粒子聚集体的特征分析
纳米粒子在水溶液中常呈现为缔合形态，对这类集合体的特征分析挑战重重。借助于现代显微镜技术，结合分散方法，可成功解析最复杂的纳米集合形态。
现在，材料研究和药物研究已能成功应用到具有复杂纳米结构的多组分体系，源自金属、氧化物、半导体和有机材料的纳米微粒的应用日益广泛。纳米微粒可作为催化剂、电子-光学涂层、纳米复合材料、诊断和治疗试剂等。鉴于纳米微粒不溶于任何溶剂、不与高分子混合的特性，它们在合成、离析、处理和加工时强烈倾向于形成聚集体，这样就影响了其功能以及由其所制备的材料的效能，催化剂即是如此。另一方面，这种聚集作用又能够带来所希望的材料性能。因此，针对性控制纳米微粒的聚集作用便成为许多应用的关键步骤。要实现对材料的有用开发，需对微粒的形成和结构作出详细解析和有效分析。聚集体在通常情况下会显示出从几个纳米至几百微米特性尺寸范围的结构特征，但是还没有一种方法能够适应如此宽广的范围，只有通过联合现代结构分析方法，才有可能作出详细的结构解析。纳米微粒聚集体的特征分析是当今纳米科学领域中特别具有挑战性的任务。
图2. 采用动态光散射法测定在水溶液中以单个（以实线表示）和缔合态（虚线和点线）呈现的纳米微粒（b,c）。
纳米微粒聚集体
汉堡大学物理和大分子化学专业组多年来致力于有关表面活性剂、纳米微粒和超级结构中高分子可控缔合的研究，并且还有针对性地应用了自组织过程。根据配位物理化学原理，实现具有纳米结构的多组分体系是可控性制备的关键。所研究的纳米微粒是直径在2~10nm的CdSe纳米微粒，纳米微粒的缔合可以通过高分子涂层加以控制，新近的研究成果是关于纳米微粒呈稳定的晶格结构和多孔结构的可控缔合，这只有通过多种方式的特性分析方法才有可能实现。CdSe纳米微粒在可见光区呈现强烈的荧光，它们正被研究在光伏发电和诊断试剂领域的特殊用途。目前主要带有聚乙二醇高分子的纳米微粒涂层，具有良好的溶解度，且其水溶液具稳定性，由此可以改变其高分子涂层的厚度，在较低的涂层厚度时其稳定性也随之降低，以致纳米微粒出现聚集倾向，通过控制涂层厚度便可控制纳米微粒的聚集。
图3. 采用低温透射电子显微镜摄制的以单个和呈链状缔合的纳米微粒图像，高分子涂层厚度由A到C递减。
动态光散射
为了能对缔合、聚集作用进行详细研究，主要采用的是分散型方法和成像的显微镜方法。分散型方法利用的是光的干涉、X射线和中子辐射来获得样品的结构特征，而特别适合快速测定微粒在溶液中粒径分配方法的是动态、准弹性光散射法。相应的仪器是悬浮粒径分析仪， 采用这种仪器可以在数分钟内快速、定量地测出微粒从纳米到微米大范围内的粒度分配。
图2显示所测得的单个和缔合的纳米微粒粒度分配图。在带有密集的聚乙二醇涂层的情况下，聚集作用被完全抑制，纳米微粒都以单个形式存在于溶液中，所测得的粒度大小具有15 nm中值，相当于该纳米微粒的总直径加上所述的高分子涂层。通过逐级降低高分子涂层厚度后，可按照可控方式实现微粒的聚集，这点可通过将粒度分配推移至100nm时加以辨识。进一步降低涂层厚度会导致更大的聚集。动态光散射法由此首次展现出溶液中聚集作用的定量景象。
图4. 采用共焦激光扫描显微镜摄制的水溶液中具荧光的CdSe 纳米囊状体的图像，纳米粒子直径分别为2.6 nm(A) 和3.1 nm(B)。
低温透射电子显微镜
溶液中所形成的聚集体具有何种结构，采用动态光散射法仅能在聚集体非常一致的情况下做出结论，但实际上往往形成的多为分散和多形态的结构，所以需要能进行特征鉴定的成像方法。透射电子显微镜(TEM)是一种非常适合纳米结构分析方法，适用于从纳米到微米的粒度范围。但是透射电子显微镜的缺点在于只适用固体样品，实验需在高真空环境下进行，对于有溶剂的样品，必须首先将溶剂除去，而干燥操作有可能改变其在溶液中所呈现的结构。一些实验室建立的低温透射电子显微镜（cryo-TEM）提供了测定溶液中微粒结构的可能性，特别适用于水溶液的测定。将溶剂置入多孔载体上，快速放入处于熔点的液态乙烷（-183℃），可获得很高的冷却速率，水形成玻璃固体而避免产生冰的结晶。这种玻璃固态的冰直至100 nm的厚度还能让电子射线穿透，从而允许测定实际上存在于水溶液中的微粒结构。图3显示了水溶液纳米微粒在非聚集态和聚集态的低温透射电子显微谱图。可以看出，纳米微粒以逐渐降低的稳定性，系统聚集成为确定的多重体、簇化物、链状体和晶体。这一现象令人惊奇，因为聚集体通常情况下只能形成相当不确定的结构。
图5. 采用透射电子显微镜（A）和高分辨透射电子显微镜（B）所摄制的链状纳米微粒聚集体图像，位于链中相邻的纳米粒子之间的距离明显减小。
这种通过改变高分子涂层厚度来控制聚集的方法已首次成功地应用于研究之中。在聚集化的纳米微粒情况下，所形成的链状和晶格结构非常稳定，将其溶剂蒸干仍还能保存结构特征，这样一来就有可能采用传统的TEM方法在高真空中测定结构图像，如图5所示。在进一步降低高分子涂层的情况下，可以观察到囊状体的生成，已熟知的见于高分子脂类和两亲物类，汉堡的学科组首次观测到纳米微粒这一现象。对于脂质体的纳米微粒，学科组也曾观测到微米级巨型囊状体的生成。这样的结构如果要在低温透射电子显微镜中形成就显得太大了一些，光学的和荧光显微镜方法可以更好地适应微米级大小，尤其是共焦激光扫描显微镜(CLSM) 在近年来进展很快，具荧光的纳米微粒可以借助于共焦显微镜很好地成像。图4显示纳米微粒所形成的具若干微米直径的巨囊体。通过扫描处理可以重建囊状体的三维结构，从而更加准确地测定其空间分配。
聚集体的缔合机理
纳米微粒聚集体的形成机理研究迄今尚处于奠基的初级阶段。起稳定作用的高分子涂层由聚乙二醇链所组成，链的终端固定于纳米微粒的表面，这些固定基具有一定的流动性，在微粒表面上的位置可以随意变动。当两个纳米粒子相互接近时，介于其间的高分子会被粒子之间的吸引力“挤压出来”。依此方式，纳米微粒在获得能量的情况下进一步互相靠拢，同时“挤压出来”的高分子又提高了聚集体表面的涂层厚度，从而抑制了进一步的聚集作用。
按照这种假设，处于缔合状态的纳米微粒间必定距离很小。微粒检验从埃米到纳米尺度的结构特征，需要采用高分辨率的TEM方法（HRTEM），相应的摄谱如图5。从截取并放大的图中可以清楚地看出，链式相邻的纳米粒子之间的距离要比那些游离相邻的纳米粒子的距离小很多，这是链式挤压的明显证明，证实了上述形成机理。
这种缔合的纳米研究的实例表明，所形成的结构是非常复杂的，同时，通过采取一系列实验室建立的结构分析方法，可以解析从埃米级（见图5）到微米级（见图4）的结构特征。
当前纳米科学领域内的扩展性研究涉及到以下内容：采用高分辨率的电子显微镜（EDX，EELS）以分析材料的元素成分，采用荧光显微镜法改进分辨率极限至10 nm（STED显微镜），采用带微波辐射同步辐射源的光栅X射线绕射法以获取异质材料的局部结构信息。
作者介绍
Stephan Forster教授、博士：美因兹大学和多伦多（加拿大）大学化学专业，1993年在美因兹/马克斯·普朗克研究所完成高分子研究博士学位，于明尼苏达大学（美国）攻读博士后，1999年获波茨坦/马克斯·普朗克胶体和界面研究所教授资格，汉堡大学物理和大分子化学专业C4级教授，2006年成为汉堡应用纳米工业技术中心（CAN）成员。
