一种基于光谱浊度原位测量非均质纳米颗粒粒径及其包覆层厚度的方法技术

本发明专利技术提供了一种原位测量非均质纳米颗粒粒径及其包覆层厚度的方法，所述方法包括以下步骤：(1)将尺寸已知的标准颗粒配制成所需质量浓度的标准溶液，在可见光波长范围内测定标准溶液的吸光度；(2)将测得的标准溶液的吸光度与瑞利散射计算强度值进行计算得到光斑参数S；(3)配制待测样品溶液，根据待测样品溶液的材料参数与得到光斑参数S通过瑞利散射模型计算得到待测样品溶液中纳米颗粒的粒径及其包覆层厚度。本发明专利技术所述方法是一种能在复杂溶液体系下原位测量纳米颗粒非水合粒径的技术，样品制备简单，测量方便且成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光谱浊度原位测量非均质纳米颗粒粒径及其包覆层厚度的方法
本专利技术属于纳米-亚微米尺度检测，涉及一种原位测量非均质纳米颗粒粒径及其包覆层厚度的方法，尤其涉及一种基于光谱浊度原位测量非均质纳米颗粒粒径及其包覆层厚度的方法。
技术介绍
纳米尺度检测技术正成为推动纳米科学与技术进步的重要动力之一。新发展的检测方法逐步由定性过渡到定量，在纳米尺寸范围内，非均质纳米颗粒(比如核壳结构)层厚分布的定量测量往往涉及到繁复的制样过程和高分辨率的成像分析(如TEM、SEM和AFM)，且成像受环境的影响较大，实现真实环境下的原位测量有很大困难。动态光散射(DLS)可对溶液中纳米颗粒的水合半径进行原位测量，是发展相对成熟的检测方法，但对于非均质的纳米颗粒来说，由于颗粒表面的水合溶剂分子的存在及各层材料物性(如折射指数和密度)的差异，造成粒径及层厚的测量有较大偏差。复杂体系的测量需要能原位进行，且能有效消除溶剂分子对测量的干扰。TEM、SEM和AFM等测量方法较为繁复，且无法在溶液状态下对颗粒进行直接测量，低温和冷冻电镜改变了溶液的性质和状态，而DLS无法测量颗粒的非水合尺寸，且所得到的水合尺寸往往和颗粒的真实情况相去甚远。基于光谱吸收的浊度法利用米(Mie)散射模型可直接测量颗粒的非水合粒径，但测量的粒径范围通常大于100nm，对小于该尺寸颗粒的测量偏差较大(BenjaminGlasse,NorbertRiefler,andUdoFritsching.JournalofSpectroscopy.201564587910)。此外，MustafaM.A.Elsayed等尝试利用瑞利散射模型测算囊泡的尺寸，测量范围仅限于均质的模型颗粒体系(MustafaM.A.Elsayed,GregorGevc.Springer.2011282204-2222)。现有的光谱浊度法可对简单的、均质和大尺寸的颗粒体系建立较为准确的粒度分布计算模型(ViktorGuschin,WolfgangBecker,NorbertEisenreich,AnjaBendfeld.ChemicalEngineeringTechnology.201235317-322)，对于非均质且小尺寸(纳米)的颗粒体系，缺少适用且具有很强操作性的测量方法。
技术实现思路
针对现有纳米尺度检测技术不适用于非均质且小尺寸(200nm以下颗粒)的问题，本专利技术提供了一种基于光谱浊度原位测量非均质纳米颗粒粒径及其包覆层厚度的方法。本专利技术所述方法基于光谱浊度法在可见光波长范围内(Visible)，利用改进的瑞利散射模型(Rayleigh-Gans-Debyeapproximation，RGD)，对已知质量分数颗粒的尺寸进行原位测量。本专利技术所述方法是一种能在复杂溶液体系下原位测量纳米颗粒粒径的技术，样品制备简单，测量方便且成本低。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供了一种原位测量非均质纳米颗粒粒径及其包覆层厚度的方法，所述方法包括以下步骤：(1)将尺寸已知的标准颗粒配制成所需质量浓度的标准溶液，在可见光波长范围内测定标准溶液的吸光度；(2)将步骤(1)测得的标准溶液的吸光度与瑞利散射计算强度值进行计算得到光斑参数S；其中，瑞利散射计算强度值是根据式(1)计算得到。(3)配制待测样品溶液，根据待测样品溶液的材料参数与步骤(2)中得到光斑参数S通过瑞利散射模型计算得到待测样品溶液中纳米颗粒的粒径及其包覆层厚度。本专利技术所述方法适用于测量非均质颗粒粒径及其包覆层厚度，所述非均质颗粒的粒径为200nm以下，且所述非均质颗粒为球形颗粒。其中，所述非均质颗粒的粒径可为200nm、180nm、160nm、140nm、120nm、100nm、80nm、60nm、40nm、20nm或10nm等以及更小的粒径，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本专利技术中，理论上步骤(1)所述测定的标准溶液的吸光度等于其散射强度，根据散射强度与溶液浊度的关系：其中，τ(λ)m为测量浊度，A为测样品溶液的吸光度，A＝log(I0/I)；I为散射光强；I0为入射光强；b为光程。可将步骤(1)测定标准溶液的吸光度与瑞利散射计算强度值进行拟合得到光斑参数S，此光斑常数S在特定的测试条件下为一常数，适用于多个体系，测试颗粒粒径和包覆层厚度时无需再次进行拟合。步骤(3)中拟合得到待测样品溶液中纳米颗粒的颗粒及其包覆层厚度为在溶液状态下的非水合尺寸或者初始尺寸，非水合尺寸是相对于水合尺寸而言，水合尺寸是指在溶液中的颗粒尺寸及其表面水分子吸附层整体粒径。以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述标准颗粒在可见光区的浊度通过颗粒的光散射强度或溶液的吸光度来测量。由于在实验条件下，溶液浊度和颗粒对入射光的散射强度直接相关，且所用颗粒(包括标准颗粒，如SiO2或PS球等)在可见光区域无特征吸收，对入射光的散射强度(I)可由其吸光度A＝log(I0/I)来确定，故所述标准颗粒在可见光区的浊度可通过溶液的吸光度进行计算。其中，所述吸光度可由实验测定，如标准颗粒随波长和浓度变化的吸收度可由实验定量确定。此处，所述实验定量测定的方法是UV-Vis，但并不仅限于本实验所述测试方法，其他可满足实验要求的测试方法同样适用。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述标准颗粒的颗粒粒径≤200nm，例如200nm、180nm、160nm、140nm、120nm、100nm、80nm、60nm、40nm、20nm或10nm等以及更小的粒径，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，步骤(1)所述可见光波长范围为400nm～800nm，例如400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm或800nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(3)所述的待测样品溶液的材料参数包括待测样品溶液的质量浓度、待测样品的颗粒包裹层相对折射率、待测样品溶液中溶剂的密度和待测样品溶液中颗粒的密度。优选地，所述待测样品溶液的质量浓度为0.00025wt％～0.05wt％，例如0.00025wt％、0.0005wt％、0.001wt％、0.003wt％、0.005wt％、0.007wt％、0.01wt％、0.02wt％、0.03wt％、0.04wt％或0.05wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本专利技术所述测试方法适用于对一定浓度范围内(0.00025～0.05wt％)的非均质纳米颗粒溶液中颗粒的粒径及其包覆层厚度进行直接测量。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(3)所述瑞利散射模型包括式(1)和式(2)，所述式(1)如下：其中，τ(λ)为计算浊度；b为光程；S为光斑常数；N为待测样品溶液中被检测颗粒的个数，N＝wsbρm/Vρp；V为颗粒体积；w为待测样品的质量浓度；ρf为待测样品溶液中溶剂的密度；ρp待测样品溶液中颗粒的密度；n(λ)为水的折射指数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原位测量非均质纳米颗粒粒径及其包覆层厚度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将尺寸已知的标准颗粒配制成所需质量浓度的标准溶液，在可见光波长范围内测定标准溶液的吸光度；(2)将步骤(1)测得的标准溶液的吸光度与瑞利散射计算强度值进行计算得到光斑参数S；(3)配制待测样品溶液，根据待测样品溶液的材料参数与步骤(2)中得到光斑参数S通过瑞利散射模型计算得到待测样品溶液中纳米颗粒的粒径及其包覆层厚度。

【技术特征摘要】
1.一种原位测量非均质纳米颗粒粒径及其包覆层厚度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将尺寸已知的标准颗粒配制成所需质量浓度的标准溶液，在可见光波长范围内测定标准溶液的吸光度；(2)将步骤(1)测得的标准溶液的吸光度与瑞利散射计算强度值进行计算得到光斑参数S；(3)配制待测样品溶液，根据待测样品溶液的材料参数与步骤(2)中得到光斑参数S通过瑞利散射模型计算得到待测样品溶液中纳米颗粒的粒径及其包覆层厚度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述标准颗粒在可见光区的浊度通过颗粒的光散射强度或标准溶液的吸光度来测量。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述标准颗粒的颗粒粒径≤200nm；优选地，步骤(1)所述可见光波长范围为400nm～800nm。4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述的待测样品溶液的材料参数包括待测样品溶液的质量浓度、待测样品的颗粒包裹层相对折射率、待测样品溶液中溶剂的密度和待测样品溶液中颗粒的密度；优选地，所述待测样品溶液的质量浓度为0.00025wt％～0.05wt％。5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述瑞利散射模型包括式(1)和式(2)，所述式(1)如下：其中，τ(λ)为计算浊度；b为光程；S为光斑常数；N为待测样品溶液中被检测颗粒的个数，N＝wsbρm/Vρp；V为颗粒体积；w为待测样品的质量浓度；ρf为待测样品溶液中溶剂的密度；ρp待测样品溶液中颗粒的密度；n(λ)为水的折射指数；m(λ)为待测样品颗粒的相对折射率；θ为散射角；所述式(2)如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：陈岚，葛广路，袁丽，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11