金属纳米颗粒粒径的测量方法_2

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接收。通过这种方法可以直接测量所述参考光及测 量光双光束的强度比,作为基准。所述基准的表达式如下:
其中,1和,为选取的特征波长,为所述光电探测单元5探测到的测量光强度, 为所述光电探测单元5探测到的参考光强度。
[0027] 本实施例中,所述波长可以根据以下原则选取:1)在一定范围内,纳米颗粒群的 消光光谱计算值与实际测量值的吻合度不高,因此,在选取两个特征波长时,应尽量避免采 用此范围内的波长;2)所选择的两个波长应该尽量靠近颗粒的LSPR峰,以使得它们能够反 映出峰值的位置信息;3)为准确获得纳米颗粒的粒径,尾^与粒径愆与之间应保持单调关 系,换句话说,函数赛^,的单调区间决定了可以测量的金属纳米颗粒的粒径范围;4)由于 函数的斜率决定了矣^对茲的灵敏度,因此,此斜率越大越好。
[0028] 综合考虑以上四个原则,针对10_120nm的球形金纳米颗粒,可将波长的选取范围 设定在500 nm- 600 nm范围内。本实施例中,所述的待测样品为20nm-105nm的金纳米球 形颗粒,因此本系统选取的特征波长为A = ,^ = 。
[0029] 步骤Sll,预估金属纳米颗粒种类及粒径的分布范围。
[0030] 所述金属纳米颗粒的种类及粒径可以根据金属纳米颗粒的颜色,或者根据金属纳 米颗粒的电镜图片进行预估,可判断金属纳米颗粒的种类及粒径的大致分布范围。所述金 属纳米颗粒的种类即为所述金属纳米颗粒的大概的外观形状。本实施例中,所述金属纳米 颗粒的种类为球形或近球形金纳米颗粒。
[0031] 步骤S12,根据选取的两个特征波长λ 2,由吸光度比值'a、吸光度A1和 I、平均消光截面与粒径D之间的关系A邱,CH)和屈,门>, 建立金属纳米颗粒在两个波长A和4处的吸光度比值与粒径Ι?与之间的关系。
[0032] 请一并参阅图3,金属纳米颗粒具有特有的局域表面等离子体共振效应(LSPR)。 因此,通过测量有两个特定波长点的消光数据,就可以确定该光谱的特征,进而建立起消光 数据与金属纳米颗粒的粒径的关系。本实施例中,以球形金纳米颗粒作为模型初始模型。实 际测得的吸光度Λ及与金属纳米颗粒平均消光截面之间的关系为:
其中通适为金纳米颗粒样品的光学厚度,是颗粒的数量浓度,即单位体积内的颗粒 数量,> 为金属纳米颗粒样品的厚度。因此可以通过对纳米颗粒群的平均消光截面〈<=^>的 计算,建立起纳米颗粒在选取两个合适的波长,和4处的吸光度比值与粒径芯与之 间的关系。由于此操作是针对完美球形颗粒建模,可以采用精确、快速的Mie理论算法进行 严格的数值方法计算数据库。
[0033] 可根据预估的金属纳米颗粒的种类及粒径的分布范围,计算并建立在波长 入及λ 2下的平均消光截面与粒径D相关的数据库尽〇〇)和 (Ci5rt (弋,Di j艮CT)>,从而得到平均消光截面系数与粒径D之间的关系。纳米颗粒的变 形情况多种多样,但颗粒长宽比的变化对其消光光谱的影响最大,此处考虑的金纳米棒的 几何模型作为研究纳米颗粒的变形模型,即为一个圆柱体和两个半椭球形的"端帽"构成, 其中Z)和·分别代表纳米棒的宽度和长度,AS = 表示纳米棒的长宽比。针对球形颗 粒,AR=1,可以采用最精确、最快速的Mie理论算法进行严格的数值方法计算数据库。
[0034] 请参阅图4,综合考虑%@的灵敏度和单调范围,本实施例选择波长对 573nm/532nm为测量粒径为30 nm- 120 nm的金纳米颗粒的最优波长对。
[0035] 在选取好两个特征波长并得到相应的'Λ计算曲线后,即可通过测量金属纳米 颗粒在这两个波长处吸光度的比值,实现对属纳米颗粒的平均粒径的计算。需要说明的是, 由于仅需测得两个波长处吸光度的比值,而无需测得每个波长处吸光度的绝对值,因此在 测量中来自金属纳米颗粒厚度声和金属纳米颗粒的数量浓度凡等变量的影响将会被排除 掉。
[0036] 上述分析仅考虑了单分散系的球形纳米颗粒的理想情况。然而,在实际测量中,纳 米颗粒的形状并非理想的球形,而有一定的变形,而且纳米颗粒的粒径也并不是绝对一致 的,有一定的分散性(即使很小)。因此,有必要研究纳米颗粒的实际变形和分散性对测量结 果的影响,并据此对双波长消光法进行必要的修正。
[0037] 步骤S13,根据两个特征波长λ 2,由修正后的吸光度比值、吸光度^ 和准、平均消光截面与粒径D之间的关系淑,Cf〇)和 ,建立修正后的吸光度比值< =与平均粒径f与之间的修正关系。
[0038] 本实施例中,以球形金纳米颗粒为样品进行测量。请参阅图5,针对实际样品与上 述建模时考虑的理想情况之间的偏差,分别研究纳米颗粒的变形和分散性对测量结果的影 响,并据此提出修正的双波长消光法。
[0039] 为了弥补这些影响,可以将被测的金属纳米颗粒群看做具有等效长宽比^和 等效分散性Cr eff的棒形纳米颗Ml ?
ρ /+?^α下修正: 其中上标COR:表示考虑了变形以及分散性影响后的吸光度的修正值。
[0040] 此模型中采用^ff和Criff作为对纳米颗粒的实际变形和分散性对测量结果影响 的补偿。由于实际测量中,样品的这些参数都是未知的。因此,有必要对它们进行合理的预 估。在测量化学合成的球形金属纳米颗粒(也是目前常用的大多数颗粒)时,样品分散性趑⑦ 和平均长宽比丑可分别选取= 10%和美=UO。对于用其它方法制备的特殊的纳 米颗粒,其分散性_,和平均长宽比并为非上述典型值,需要根据情况合理确定^^ 和·^。。
[0041] 在进行了上述修正后,可重新计算更符合实际情况的球形纳米颗粒群的消光截 面,即得到和_^,进而可得到修正后的砧J b:;曲线及其灵敏度,并可据此测量粒径 范围为20nm - 105nm的球形金纳米颗粒样品。
[0042] 当所述纳米颗粒为纳米棒时,采用T矩阵算法建立在波长λ λ 2下的平均消光 截面?〇与粒径D相关的数据库<^(41>3尽〇〇;)和((^(為,.1)3足0〇;),得到平 均消光截面与粒径D之间的关系。所述纳米颗粒为金纳米棒,纳米棒的关键几何特征 量包括金纳米棒的长宽比参数AR、粒径D。金纳米棒的粒径D范围设置为5nm~165nm,步长 设置为〇. 5nm~40nm之间均可;长宽比AR范围设置为]-10,步长设置为0. 05-1之间均可。 计算的单色光波长范围%设置为300nm~2000nm之间,步长设置为0· 5nm-20nm之间均可。 [0043] 由于上述操作是针对棒形纳米颗粒进行建模,可以采用最精确、最快速的T矩阵 算法进行严格的数值方法计算数据库。此处数据库在各种应用中只需要计算一次,之后可 保存下来重复使用,大大提高后续测量的效率。
[0044] 步骤S14,将金属纳米颗粒承载于所述样品池,测量金属纳米颗粒的透过率|;i、 T12,获得金属纳米颗粒在两个波长4和,处的吸光度电和.,及其比值。
[0045] 由于某些金属纳米颗粒自身难于在样品池3分散,因此可将所述金属纳米颗粒分 散于一溶剂中或悬浮于一气体中。本实施例中,所述球形金纳米颗粒分布于一溶剂中,并且 基本不溶于所述溶剂,形成混合液。将含有金属纳米颗粒的混合液放入样品池3,所述溶剂 作为参考样品放入参考样品池4,通过所述光电探测单元5探测测量光强度及参考光强度。 可以理解,当所述金属纳米颗粒自身能够分散于所述样品池中时,则参考样品池4中无需 放入所述溶剂即可测量。
[0046] 所述金属纳米颗粒的消光光谱的测量结果可用吸光度4表示,表达式如下:

其中,巧为金属纳米颗粒的透过率,編是单色光波长,4#)为所述光电探测单元5探 测到的测量光强度,LG)为所述光电探测单元探测到的参考光强度,sa)是测量光和参 考光的强度比的基准,χμ) = 。
[0047] 通过测量可得到金属纳米颗粒的透过率,获得金属纳米颗粒在两个波长I1和 :?处的吸光度4和:為,,及其比值^ 2。
[0048] 步骤S15,将上述得到的吸光度的比值丑,分别代入修正前吸光度比值:1|&与 粒径乃与之间的关系和修正后的吸光度比值与平均粒径万与之间的修正关系中,得 到待测纳米颗粒样品的修正前的平均粒径及修正后的平均粒径
[0049] 将实验得到的吸光度的比值代入上述得到的吸光度比值与粒径Γ·与 之间的关系以及修正的吸光度比值与平均粒径凝与之间的关系中
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