【doc】同步辐射X射线小角散射法研究纳米铁材料在生物介质中的粒度分布

【doc】同步辐射X射线小角散射法研究纳米铁材料在生物介质中的粒度分布 同步辐射X射线小角散射法研究纳米铁材 料在生物介质中的粒度分布 第32卷第1期 2009年1月 核技术 NUCLEARTECHNIQUES Vo1.32,No.1 January2009 同步辐射X射线小角散射法研究纳米铁材料 在生物介质中的粒度分布 王云1,2荆隆丰伟悦汪冰王华建,2朱墨桃1,2 王萌欧阳宏赵宇亮柴之芳吴忠华 1(中国科学院高能物理研究所核分析技术重点实验室及纳米生物效应与安全性联合实验室北京100049) 2(中国科学院研究生院北京100049) 3(中国科学院高能物理研究所同步辐射国家实验室北京100049) 摘要在研究纳米材料的生物效应时,首先需要对纳米材料在生物介质中的物理化学性质进行全面详细的表 征.受生物介质中高蛋白浓度和高离子强度的影响,纳米颗粒在生物介质中极易团聚,对纳米颗粒在生物分 散体系中的粒度表征十分困难.本实验采用同步辐射x射线小角散射法(SR-SAXS)研究纳米Fe,Fe203和Fe304 颗粒及其在磷酸盐缓冲液(PBS),DMEM培养基分散体系中的粒度分布,并与TEM结果进行比较.结果显示 SR.SAXS可准确测试纳米Fe,Fe203和Fe304颗粒的粒度分布,且不受分散体系和分散浓度的影响.表明 SR.SAXS可很好地应用于测试稳定性较差的非均匀分散体系中纳米颗粒的粒度 分析. 关键词x射线小角散射,纳米铁材料,分散体系,粒度表征 中图分类号0433,O648.14 纳米材料因其独特的物理化学性质,广泛应用 于电,磁,光学,环境保护和生物医学等领域,纳 米材料对人体的健康效应影响也逐渐得到人们的重 视[1习】.研究表明,纳米材料所引起的生物效应与材 料的物理化学性质之间有着密切的相关性,如纳米 材料的尺寸,比表面积,表面电荷与化学活性,表 面修饰,催化性质,相组成,化学组分,溶解度等, 都直接影响着纳米材料在生物体内的活性行为". 为更好地研究纳米材料的生物效应,准确表征纳米 材料在生物体系中的物理化学性质就显得尤为重 要. 目前用于纳米材料粒径的表征方法可归为两 类J:1)观察颗粒而直接进行尺寸测量和统计, 如透射电镜(TEM);2)测量基于颗粒的行为与粒度 间的关系,所得结果往往为基于相应原理的等效粒 径,如X射线小角散射法(SAXS).进行纳米粒度分 析时,颗粒团聚会显着影响测试结果,故大多粒度 测试方法对纳米材料制样和分散要求很高[1们,而对 于在液体介质中分散稳定性较差的纳米颗粒,更难 以进行正确的粒度分析. 基于同步辐射的SAXS(SR—SAXS),是利用同 步辐射x射线穿过样品体系,在光束入射方向的 0o_5.内发生的相干散射现象,物质内部的1至数百 纳米尺度的电子密度起伏,导致这种相干散射的产 .SR—SAXS可在10s内完成单个样品测试, 生【】l,】 快速准确评价液体介质中纳米颗粒的尺寸分布,并 不受颗粒团聚现象影响. 本实验利用SR—SAXS表征纳米铁系材料及其 在平衡盐溶液和培养基分散介质中的粒度分布,并 与TEM结果进行比较,为体外实验研究纳米材料 的生物效应提供依据. 1材料与方法 1.1实验材料 纳米铁粉(Fe)购于深圳市尊业纳米材料有限公 司,纳米三氧化二铁(Fe2O3)购于江苏海泰纳米材料 有限公司,纳米四氧化三铁(Fe304)购于美国Sigma 公司. 国家重大基础研究专项基金(2006CB705605),中国科学院和国家自然科学基金 (10490180,20475055,10675139)资助 第一作者:王云,女,1983年出生,2005年毕业于北京大学,现为中国科学院高能物理 研究所硕博连读研究生,主要从事纳米材料生物效应研 究 通讯作者:丰伟悦 收稿日期:2008—07.18,修回日期:2008.10-30 2核技术第32卷 磷酸盐缓冲液(PBs):由8.5gNaC1,0.2gKC1, 2.85gNa2HPO4"12H20,0.27gKH2PO4溶于lL双 蒸水中配制而成. 培养基:DMEM高糖培养基(Gibco)中加入10% 的胎牛血清(Tbdscience)和100U/mL的青,链霉素. 1.2实验方法 1.2.1BSRF-SAXS实验 将纳米Fe,Fe2O3和Fe3o4颗粒均匀涂布于3M 胶带表面,SR—SAXS测量纳米固体颗粒的粒度分 布.纳米Fe,Fe2o3和Fe304颗粒分别分散在PBS, DMEM培养基中,配制成浓度分别为3.75,7.5, 15,30mg/mL的含铁纳米材料体系,超声5min后 转移入测量小室内.SR.SAXS测量Fe,Fe2O3和 Fe3O4纳米颗粒在PBS,DMEM培养基分散体系中 的粒度分布. SR—SAXS实验在北京同步辐射装置(BRSF)的 4B9A光束线上的小角散射实验站上进行.储存环 的电子能量为2.5GeV,平均束流强度为120mA. 样品处光斑尺寸为lmmx3mm,x射线能量范围为 3,12keY(2=0.413,0.103nm),本实验的入射x射 线的波长A=0.1536nm.样品到成像板的距离为 1600mii1.贮存环引出的同步辐射光束经聚焦,单 色化及准直后照射在样品上,通过二维成像板探测 器测量散射光强度随散射角度的变化,得到样品的 SAXS空间分布谱.由读出器读出成像板上的小角 散射信号灰度图像,再利用SR.SAXS数据分析软 件[1引,根据x射线强度与灰度信息的对应关系,将 灰度信息转换为初始散射曲线数据.根据散射几何 关系,将初始散射曲线转换为相应的散射强度与散 射矢量q的关系曲线印),并采用逐级切线法求得 样品的相关回转半径与比例分布.如球形颗粒的回 转半径为,粒径为D,则eg=(3/5)"x(D/2),从而 求得颗粒的粒径及分布【l|】引. 5O 誉40 \ 鲁30 已 警20 三 0 >10 - fA) I 鞠 ;?….翳 1.2.2TEM实验 将少量纳米Fe,Fe2o3和Fe3o4颗粒分散在无 水乙醇溶剂中,制成极稀的悬浊液,超声分散l5 min,用滴管取悬浮液l,2滴,滴在铜网上,自然 晾干后用透射电子显微镜CrEM,JEOLJEM200CX) 观察分析纳米颗粒的形貌和尺寸.电镜工作电压为 160kV,放大倍数为8万倍和10万倍. 2结果与讨论 纳米Fe,Fe2O3和Fe304颗粒的SR—SAXS测试 结果(图1)显示,在小角度范围内三种纳米颗粒的纪 )EIJr(Guinier)~I线也不完全满足线性关系,表明纳 米颗粒并非单一尺寸,且具有各不相同的粒度分布. 图1SR—SAXS测定铁系纳米颗粒的纪尼叶曲线 Fig.1Guinier'ScurvesofironnanoparticlesbySR—SAXS 采用逐级切线法对纪尼叶(Guinier)曲线进行线 性拟合,和逐级切线求解,得出三种纳米铁系材料 的粒度分布结果如图2显示,纳米颗粒粒径分布不 均,其中Fe和Fe2O3含大粒径颗粒(80nln,150nm 左右)比例高,平均粒径分别为76.4nm和94.0nm, Fe3O4含小粒径(?40nm)比例较高,平均粒径为 42.4nm O2O4O6O80Ioo120l40160o20406080ioo12014016002040608O100120140I60 Diameter/nmDiametcr/nmDiameter,nm 图2SR—SAXS测定铁系纳米颗粒的粒度分布 Fig.2SizedistributionofFe(L),Fe203(B)andFe304(C)nanoparticlesbySR—SAXS 第1期王云等:同步辐射x射线小角散射法研究纳米铁材料在生物介质中的粒度 分布3 纳米Fe,Fe2O3和Fe3O4颗粒分散在PBS和培 养基中,用SR—SAXS在10S内完成单个样品测试, 确保纳米颗粒发生沉降前完成测试.由图3,4,纳 米Fe,Fe203和Fe304颗粒在培养基中的分散较好, 而在PBS中的分散不稳定.这是由于PBS溶液中 的离子强度很高,极易使纳米颗粒团聚,而培养基 中含有血清等高蛋白物质,并具有较高的粘度,故 纳米颗粒在培养基中的分散稳定性略优于PBS溶 液.但纳米Fe,Fe203和Fe3O4颗粒在PBS,培养 , 2 墨 0 量 三 > , .望 已 ? 量 .兰 > A O5Ol0Ol5O200 Dktmeter/nm O5O1O0l5O200 Diameter/llm O5O1OOI5O200 Diameter/nm 图3SR—SAXS测定铁系纳米颗粒在PBS中的粒度分布 Fig.3SizedistributionofFe(A),Fe203(B)andFe304(C) nanoparticledispersioninPBSbySR-SAXS. 基分散体系中的粒度分布与其固体颗粒的粒度分布 大致相同,且分散浓度对其粒度分布影响不大.说 明SR—SAXS测得的纳米颗粒粒径为单颗粒粒径, 而非团聚体粒径,故不受颗粒团聚影响.因此 SRSAXS测试纳米颗粒的粒度分布不受分散体系 和分散浓度的影响. , 坌 曼 三 > , 9 望 三 > , 鲁 > A 050lOOl5O200 Diamcter/nm B O5O100J50200 Diameter/tim C O501OO15O200 Diameter/nm 图4SR—SAXS测定铁系纳米颗粒 在培养基中的粒度分布 Fig.4SizedistributionofFe(A),Fe203(B)andFe304(C) nanopartlcledispersioninDMEMculturemediumby SR—SAXS. ?加加O?加加O??加O??加0 ???0?柏加0?柏加0??加0 ??如0??如O?加?O印如O ??加0??0??如O??如0 ???0??加O??加0??加0 ?柏如0?加加O?们加O??如0 ,0焉oLll兀10> 4核技术第32卷 由透射电镜图像(图5),计数测量单分散颗粒的 粒径,结果显示,纳米Fe的平均粒径为(37.7+4.4) lira,纳米Fe2o3的平均粒径为(22+5)/lm,纳米Fe3O4 的平均粒径为(25?5)Flm,均为近球形颗粒. 由于TEM是通过计数测量多个单分散颗粒的 粒径而求得纳米颗粒的平均粒径,而SR—SAXS通 过计算纳米颗粒各粒度分布范围内所占的体积比例 从而计算其平均粒径,故需将其转换为颗粒数比例 以比较两种方法的测试结果.按照单个球形颗粒体 积V=7~D3/6,计算纳米颗粒各粒径(D)范围内颗粒数 所占比例,从而得出纳米颗粒的平均粒径,如表1 所示.SR—SAXS测量所得的颗粒数平均粒径和TEM 测得的纳米颗粒平均粒径基本一致. 图5纳米颗粒的透射电镜图像 Fig.5TEMimagesofFe(A),Fe203(B)andFe304(C)nanoparticles. 表1铁系纳米颗粒的粒径(彻1)和颗粒数比率(%) Table1Thesize(innm),volumeratio(%)andnumberratio(%)ofironnanoparticles 3结论 透射电镜(TEM)图像观察法表征纳米材料的粒 度,虽然具有很高的直观可靠性,但由于纳米粒子 的表面活性非常高,易团聚,制样时需充分分散均 匀,否则很容易测得的是团聚体的粒径.同时由于 TEM观察用的样品极少,使得测量结果缺乏统计 性,不太适用于粒径分布较广,形状不规则的纳米 材料的粒度测量【8J. 同步辐射x射线小角散射法(SR—SAXS)测定纳 米材料的粒度分布,不受颗粒团聚的影响,制样简 单,实验证实不同的分散介质和颗粒分散浓度对 SR—SAXS的测试结果无明显影响.且SR—SAXS在 10S内就能完成单个样品测试,对于在液体介质中 分散不稳定的纳米颗粒,也达到快速准确地评价其 尺寸分布的目的,从而更加完善了对纳米材料的测 量与表征,为纳米生物效应的研究提供了实验基础. 第1期王云等:同步辐射x射线小角散射法研究纳米铁材料在生物介质中的粒度分布 参考文献 1WiesnerMR,LowryGV,AlvarezP,eta1.EnvironSci Technol,2006,40(14):4336-4345 2GwinnMR,VaUyathanVEnv~onHealthPerspect,2006, 114(12):1818——1825 3Oberdt~rsterG,OberdOrsterE,Oberd~SrsterJ.Environ HealthPerspect,2005,113(7):823—839 4NelA,XiaT,MadlerL'eta1.Science,2006,311: 622-627 5SayesCM,WahlR,KurianPA,eta1.ToxicolSci,2006, 92(1):174—185 6BrunnerTJI,^,ickP,ManserP,eta1.EnvironSci Technol,2Oo6,40:4374—4381 7LimbachLK,WickP,ManserP,eta1.EnvironSci Technol,2007,41:4158—4163 8阎峻.材料导报,2001,15(4):53-55 YJun.MaterRev,2001,15(4):53-55 9 l1 陈伟平,董学仁,王少清,等.济南大学,2005, 19(3):207-210 CHENWeiping,DONGXueren,WANGShaoqing,eta1. 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KeywordsSmallAngleX-rayScattering,Nanoparficles,Dispersionsystem,Particlesizedis tributions CLC0433.O648.14