CN1727873A - 毛细管电泳法测定纳米级颗粒粒径分布的方法 - Google Patents
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Abstract
一种毛细管电泳法测定纳米级颗粒粒径分布的方法，包括将纳米级颗粒样品用缓冲液配制成悬浮液，然后将此悬浮液通过毛细管电泳柱分离并用紫外线检测得到毛细管电泳谱图，将电泳谱图中不同粒径粒子的调整迁移时间代入已建立的粒径－调整迁移时间关联方程，得出与调整迁移时间对应的粒径数值，再将电泳谱图中调整迁移时间对应的吸光度用粒子含量散射校正方程进行校正，从而得到不同粒径粒子的含量百分数。该方法可有效测定纳米级粒子的粒径分布和平均粒径。
Description
技术领域
本发明为一种测定纳米级粒子粒径分布的方法，具体地说，是一种利用毛细管电泳分离不同粒径的粒子再测定其粒径分布的方法。
背景技术
纳米粉体材料由于它的粒径小、比表面积大及量子尺寸效应，使之具有常规粗晶材料所不具备的特殊性能，在光吸收、滤光、催化及其它功能特性等方面展现出引人注目的应用前景。粒径的大小及分布与材料的整体性能有很大的关系。以纳米催化剂为例，纳米催化剂的粒径及粒径分布直接影响其催化性能，如果颗粒粒径分布的范围很广，甚至只有少部分颗粒粒径在纳米级，材料整体性质就不会有显著变化。由此可见，对纳米微粒的粒径及粒径分布的测量显得非常重要。
目前常用的纳米粒子粒径测定方法主要是透射电镜法(TEM)和光子相关谱法(PCS)。TEM法是一种颗粒度观察测定的绝对方法，具有直观性，但粒子大小因视场不同而异，因而不易定量与统计分析。利用PCS法生产的激光粒度仪可以获得平均粒径及粒径分布，主要用于工业化产品粒径的检测，但该类仪器使用的激光源价格较高，因而仪器价格较高，难以在纳米粉体生产厂家质量监控中普及应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用高效毛细管电泳法测定纳米级颗粒粒径分布的方法，该方法所用样品量少、操作简便、成本低。
本发明提供的毛细管电泳法测定纳米级颗粒粒径分布的方法，包括将纳米级颗粒样品用缓冲液配制成悬浮液，然后将此悬浮液通过毛细管电泳柱分离并用紫外线检测得到毛细管电泳谱图，将电泳谱图中不同粒径粒子的调整迁移时间代入已建立的粒径-调整迁移时间关联方程，得出与调整迁移时间对应的粒径数值，再将电泳谱图中调整迁移时间对应的吸光度用粒子含量散射校正方程进行校正，从而得到不同粒径粒子的含量百分数。
本发明方法利用毛细管电泳法定量测定纳米级粒子的粒径分布，通过配制一定浓度的样品悬浮液，并将此悬浮液用毛细管电泳柱分离，再由紫外检测器检测得到不同粒径粒子的吸光度，通过外标定量法得到样品的粒径分布。本发明方法所用毛细管电泳测定仪结构简单、成本低，用其测定样品粒径分布操作简便易行，所得数据具有较高的精密度。
附图说明
图1为激光粒度仪测定的聚苯乙烯标准样品的粒径分布图。
图2为聚苯乙烯标准样品的电泳谱图。
图3为本发明方法测定的聚苯乙烯样品的粒径分布。
图4为β分子筛标准样品的电泳谱图。
图5为本发明方法测定的β分子筛的粒径分布。
具体实施方式
本发明方法采用毛细管电泳法将样品按粒径大小进行分离，再采用紫外光检测各种粒径粒子的吸光度，得到毛细管电泳谱图。该谱图中横座标为粒子迁移时间，纵座标为吸光度。在用毛细管电泳法测定样品的粒径分布之前，要先用外标法，即配制已知粒径分布的标准样品，用标准方法测得其粒径分布图，再将标准方法测得的粒径分布图与电泳谱图通过纵座标的相互对应，求得电泳谱图中迁移时间与标准谱图中粒径的关联方程，即粒径-调整迁移时间关联方程。然后，再以电泳谱图中迁移时间对应的吸光度数值求得粒子的相对百分含量。由于不同材质、不同粒径的颗粒对紫外光有一定的散射作用，需对电泳谱图中迁移时间对应的吸光度进行散射校正，即用标准样品建立粒子含量散射校正方程。这样在与标准样相同的条件下测得待测样品的电泳谱图，即可由粒径-调整迁移时间关联方程和粒子含量散射校正方程求得样品的粒径分布。
所述方法中粒径-调整迁移时间方程的建立方法为：分别用标准方法和毛细管电泳法测定不同粒径的标准样品，得到相应的谱图，将标准方法粒径分布图与电泳谱图中相应响应值对应的粒径数值与电泳调整迁移时间相关联，得到粒径-调整迁移时间关联方程。
所述的测定粒径分布的标准方法为光子相关谱法或透射电镜法。优选光子相关谱法，其所用的测定仪为激光粒度仪。
一般地，在建立粒径-调整迁移时间关联方程时，在标准谱图中选取几个有代表性的点，得到这几个点对应的粒径值和其相应的响应值，即纵座标值，再选取与这几个点响应值相对应的电泳谱图中的纵座标数值，即吸光度值，从而得到吸光度对应的调整迁移时间，然后将粒径和调整迁移时间相关联，建立粒径-调整迁移时间关联方程。本发明方法在标准方法粒径分布图中优选的粒径取值为颗粒质量累积5％、50％和95％对应的粒径数值，电泳谱图中相应的调整迁移时间的取值为样品的电泳谱峰面积累积5％、50％和95％对应调整迁移时间值。将上述粒径数值和调整迁移时间相关联，即可得到粒径-调整迁移时间关联方程。
电泳谱图中不同粒径粒子的吸光度与粒子含量成正比，因此，可直接由吸光度数值计算粒子的百分含量，即粒径分布。但由于粒子在电泳检测过程中易发生紫外散射，需要对电泳谱图中吸光度进行散射校正后才能用于计算粒径分布，否则测定的粒径分布数据偏差较大。
本发明方法对于窄分布的纳米级颗粒样品，所述粒子含量散射校正方程采用如下方法建立：取具有不同平均粒径的标准样品，配制成不同浓度的缓冲液悬浮液，测定其在与毛细管电泳所用紫外检测相同波长处的吸光度，建立不同粒径标准样品在不同浓度时吸光度与浓度的线性方程，将线性方程的斜率与对应的粒径相关联，得到粒子含量散射校正方程。所述的紫外检测波长优选214纳米。
对于宽分布的纳米级颗粒样品，所述的粒子含量散射校正方程采用如下方法建立：配制标准样品的缓冲液悬浮液，测定不同进样量的电泳谱图，通过已知的粒径-调整迁移时间方程建立进样量与粒径的对应关系，再由相同粒径对应的不同峰高值与粒径建立线性方程，将各线性方程的斜率与对应的粒径相关联，得到粒子含量散射校正方程。
本发明配制电泳测试样品时，需用缓冲液配制样品的悬浮液，以使样品带有一定量的电荷，利于电泳分离。配制的样品悬浮液浓度为0.1～1.0克/升，此浓度宜适于建立粒径-调整时间关联方程时配制电泳测试标准样品的浓度。所述缓冲液为浓度为3～6mmol/L Na2CO3和浓度为1～3mmol/L NaHCO3组成的混合溶液。
所述样品悬浮液中还含有0.1～1.0质量％的内标物，优选的内标物为二甲基亚砜。加入内标物可使电泳谱图中的迁移时间相对固定，得到调整迁移时间，即粒子的迁移时间与内标物迁移时间的差，再以调整迁移时间数值建立粒径-调整迁移时间关联方程。
本发明方法测定的纳米级颗粒粒径小于1微米，优选测定的粒径范围为20～800纳米的粒子。适宜测定的纳米级颗粒可为窄分布的颗粒样品，如聚苯乙烯颗粒，也可为宽分布的样品，如β分子筛颗粒。
由于电泳分离的特殊性，粒子的迁移时间不仅与样品的粒径大小有关，还受材质的影响；另外，不同材质的样品即使其粒径值相同，散射程度也会因材质而异。因此，对于不同材质的粉体，采用毛细管电泳法测量其粒径分布及平均粒径时，粒径～迁移时间关联方程及粒子含量散射校正方程都需重新建立。
下面通过实例详细说明本发明，但本发明并不限于此。
实例中使用的仪器及操作条件如下：
高效毛细管电泳仪为北京新技术研究所生产，型号1229-HPCE；操作条件为：石英毛细管柱有效长度51.5厘米，采用重力进样法，进样高度差为10厘米，进样时间为20秒，运行电压24千伏，正极进样，负极检测，紫外检测
波长为213.9纳米；
N2000色谱数据工作站，浙江大学生产；
KQ-50B型超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司生产；
ZetaPlus Zeta电位仪及90Plus粒度仪，美国，Brookhaven公司生产；
λ-16型紫外可见光分光光度计，美国PE公司生产。
实例1
用本发明方法测定聚苯乙烯(PS)乳胶粒子粒径分布及平均粒径。
实例中使用的PS标样为PS20、PS50、PS90及PS125(美国，Duke ScientificCorporation)，平均粒径分别为(21±1.5)nm；(50±2.0)nm；(92±3.7)nm；(125±4)nm。
1、建立粒径-调整迁移时间关联方程
(1)用激光粒度仪测定标样粒径分布
配制浓度为5mmol/L的Na2CO3和1.25mmol/L NaHCO3的混合溶液，作为缓冲溶液。用该缓冲溶液配制成浓度为0.01体积％的PS50和PS125的悬浮液。分别用超声波清洗器超声分散5分钟，然后用激光粒度仪对分散后颗粒的粒度分布进行测定，样品的粒径分布数据见表1，粒径分布图见图1。
(2)用毛细管电泳法测定标样粒径分布图
选用内径为75μm的石英毛细管柱，用缓冲液分别配制浓度为0.8克/升按等体积混合的PS50和PS125的悬浮液，并在其中加入0.5质量％的二甲亚砜(DMSO)作为内标物，超声分散5分钟后备用。毛细管依次采用0.1mol/LNaOH、水及缓冲溶液冲洗15分钟，两次进样之间用缓冲液冲洗5分钟。采用重力进样法测得的PS50和PS125的电泳谱图见图2。
(3)建立关联方程
取表1中PS50及PS125标样C(d)为5％、50％及95％所对应的粒径数值，以及图2中相应样品电泳谱峰面积累积分布百分数为5％、50％和95％所对应的调整迁移时间值，将此三点对应的粒径数值与调整迁移时间相关联，得到调整迁移时间与粒径的关联方程：
d＝22.393t-45.571 ①
式中，t为粒子的调整迁移时间，分钟；d为粒子直径，纳米。
所述调整迁移时间t＝t′-t0，其中，t′为粒子的绝对迁移时间，t0为内标物的迁移时间。
2、建立粒子含量散射校正方程
用缓冲液将具有不同平均粒径的PS标准样品配制成浓度为3.125mg/L、6.25mg/L、12.5mg/L、25mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L的悬浮液，超声分散5分钟，取部分悬浮液于1厘米石英比色皿中，以缓冲液为空白，在波长190～400nm范围进行光谱扫描。用紫外可见分光光度计测定配制的各PS样品悬浮液在波长214nm处的吸收强度。对于具有相同粒径PS样品，将其浓度与吸光度关联得到具有不同粒径粒子的吸光度与浓度的线性方程，见表2，其中PS35.5为浓度相同的样品PS50与PS20等体积混合后制得。
表2中方程斜率k值反映了不同粒径PS样品的粒径对吸光度的影响程度，因此，将不同粒径PS样品的k值与对应的平均粒径相关联，得到如下的k～d关联方程，即粒子含量散射校正方程，表明在一定的连续粒径范围内粒径大小对吸光度的影响。
k＝6.986×10-4×d+0.0806 ②
式中，方程相关系数r＝0.9665，d为粒子直径，纳米。
3、样品测定
以PS90为测定样品，将其用缓冲液配制成浓度为0.8克/升的悬浮液，加入0.5质量％的二甲亚砜(DMSO)作为内标物，超声分散5分钟，采用重力进样法测得其电泳谱图，将电泳谱图中谱峰对应的调整迁移时间代入①式求得调整迁移时间对应的粒子粒径，再将粒径值代入②式，求得k值，用k值对粒径作图，得到该样品的粒度分布图，见图3。由图3数据，用粒度分布百分数可计算样品的各种平均粒径，其中计算的光密度平均粒径(dPCS)为89纳米，与激光粒度仪测定的92纳米的dPCS值相接近。
实例2
测定超细β分子筛粒径分布及平均粒径。
1、建立粒径-调整迁移时间关联方程
将β分子筛用缓冲液配制成浓度为5克/升的悬浮液，超声分散5分钟，制成标准样品悬浮液。
采用激光粒度仪测定标准样品悬浮液，标准样品的粒径分布结果见表3。
采用重力进样法对β分子筛标样悬浮液进行电泳分离检测，分离所用的毛细管内径为100μm，测得的电泳谱图见图4。
将表3中不同粒径对应的G(d)数据与电泳谱图中与该值对应的谱峰面积累积分布峰高值求出，列于表3中，并由峰高值得到样品对应的迁移时间和调整迁移时间。将表3中粒径与调整迁移时间数据关联，得到样品的粒径～调整迁移时间关联方程：
d＝14.069t3-102.5t2+339.56t-242.9 ③
该方程相关系数r＝0.9990，其中，d为粒子直径，纳米；t为调整迁移时间，分钟。
2、建立粒子含量散射校正方程
在上述制得的β分子筛标准样品悬浮液中，加入0.5质量％的二甲亚砜(DMSO)作为内标物，采用重力进样法进行电泳分离测试，改变毛细管电泳仪的进样量，得到一系列不同进样量的电泳谱图。求得进样量为i的电泳谱图中与调整迁移时间t对应的峰高值Ht，i，得Ht，i～t关系图。将此图中t值代入①式中，得Ht，i对应的激光粒度仪测定的粒径d′，找出与d′值对应的激光粒度仪测定的G(d)值，以及该d′值对应的不同进样量的电泳谱峰峰高值Ht，i，并使G(d)和Ht，i与相应的d′值对应，结果见表4。
将表4中d′值与一系列Ht，i值作图，得到不同粒径的Ht，i与进样量之间的线性方程，见表5。
将表5中各线性方程k值与相应的β分子筛样品的粒径值相关联，得到k-d校正方程：
k＝0.261d4-3.146d3+15.056d2-33.027d+31.423 ④
式中，d为粒径，100nm；方程的相关系数r＝0.9661。该方程表明在一定的连续粒径范围内，粒径大小对吸光度的影响，用这一方程可以校正样品粒径对电泳测试响应值的影响。
3、测定实际样品的粒径分布
用缓冲液配制浓度为5克/升的β分子筛悬浮液样品，用重力进样法进行电泳分离测试，重复测定5次，将电泳谱图中的调整迁移时间值代入③式得到与之相应的粒径值，再将该粒径值代入④式，得到与粒径对应的吸光度的校正值。5次重复测定的粒径分布图见图6，计算的平均粒径数据见表6。由表6可知，本发明方法测试的相对标准偏差为1.27％，说明测试结果具有较高的精密度。
实例3
按实例2中3步方法配制7个不同β分子筛样品的悬浮液，然后用毛细管电泳法(CZE)进行测试，将各样品测试的平均粒径(dpcs)与激光粒度仪(PCS法)测定的结果列于表7。表7表明，本发明方法测试的结果与PCS法基本相符。
表1
| PS50 | PS125 | ||||
| 颗粒直径，nm | G(d)，％ | C(d)，％ | 颗粒直径，nm | G(d)，％ | C(d)，％ |
| 33.936.939.140.942.544.045.446.848.249.651.052.353.855.457.058.260.462.565 | 264458708087939799100999793878070584426 | 5101520253035404550556065707580859095 | 92.398.7103.3107.1110.4113.5116.4119.3122.1124.9127.8130.8133.9137.4141.2145.5149.7153.5157.6 | 264458708087939799100999793878070584426 | 5101520253035404550556065707580859095 |
注：表中G(d)指颗粒质量基准频度分布百分数，频度最大者G(d)为100％；C(d)指颗粒质量基准累积分布百分数。
表2
PS样品 平均粒径，纳米 线性回归方程 相关系数
PS125 125 A＝0.1671X-0.0535 0.9950
PS90 92 A＝0.1435X-0.0437 0.9898
PS50 50 A＝0.1289X+0.0356 0.9908
PS35.5 35.5 A＝0.1126X+0.011 0.9943
PS20 21 A＝0.0860X-0.038 0.9909
线性回归方程中X为样品浓度，mg/L；A为吸光度。
表3
| 激光粒度仪测定结果 | 毛细管电泳测定谱图 | |||
| d，nm | G(d)，％ | 峰高，mv | 迁移时间，min | 调整迁移时间，min |
| 134154169182194205216227239250263276290305323345371407468 | 264458708087939799100999793878070584426 | 5.507.799.5711.1012.3613.2514.0114.5214.7714.9014.7714.5214.0113.2512.3611.109.577.795.50 | 4.564.754.925.055.185.325.465.555.755.785.845.886.076.176.306.436.596.777.00 | 1.962.152.322.452.582.722.862.953.153.183.243.283.473.573.703.833.994.174.40 |
Claims (13)
1、一种毛细管电泳法测定纳米级颗粒粒径分布的方法，包括将纳米级颗粒样品用缓冲液配制成悬浮液，然后将此悬浮液通过毛细管电泳柱分离并用紫外线检测得到毛细管电泳谱图，将电泳谱图中不同粒径粒子的调整迁移时间代入已建立的粒径-调整迁移时间关联方程，得出与调整迁移时间对应的粒径数值，再将电泳谱图中调整迁移时间对应的吸光度用粒子含量散射校正方程进行校正，从而得到不同粒径粒子的含量百分数。
2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的粒径-调整迁移时间方程的建立方法为：分别用标准方法和毛细管电泳法测定不同粒径的标准样品，得到相应的谱图，将标准方法粒径分布图与电泳谱图中相应响应值对应的粒径数值与电泳调整迁移时间相关联，得到粒径-调整迁移时间关联方程。
3、按照权利要求2所述的方法，其特征在于所述的标准方法为光子相关谱法或透射电镜法。
4、按照权利要求2所述的方法，其特征在于所述的标准方法粒径分布图中的粒径取值为颗粒质量累积5％、50％和95％对应的粒径数值，电泳谱图中相应的调整迁移时间的取值为样品的电泳谱峰面积累积5％、50％和95％对应调整迁移时间值。
5、按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述悬浮液的浓度为0.1～1.0克/升。
6、按照权利要求1所述的方法，其特征在于对于窄分布的纳米级颗粒样品，所述粒子含量散射校正方程采用如下方法建立：取具有不同平均粒径的标准样品，配制成不同浓度的缓冲液悬浮液，测定其在与毛细管电泳所用紫外检测相同波长处的吸光度，建立不同粒径标准样品在不同浓度时吸光度与浓度的线性方程，将线性方程的斜率与对应的粒径相关联，得到粒子含量散射校正方程。
7、按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的紫外检测波长为214纳米。
8、按照权利要求1所述的方法，其特征在于对于宽分布的纳米级颗粒样品，所述的粒子含量散射校正方程采用如下方法建立：配制标准样品的缓冲液悬浮液，测定不同进样量的电泳谱图，通过已知的粒径-调整迁移时间方程建立进样量与粒径的对应关系，再由相同粒径对应的不同峰高值与粒径建立线性方程，将各线性方程的斜率与对应的粒径相关联，得到粒子含量散射校正方程。
9、按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述样品悬浮液中还含有0.1～1.0质量％的内标物。
10、按照权利要求9所述的方法，其特征在于所述的内标物为二甲基亚砜。
11、按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述缓冲液为浓度为3～6mmol/L Na2CO3和浓度为1～3mmol/L NaHCO3组成的混合溶液。
12、按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的纳米级颗粒粒径小于1微米。
13、按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的纳米级颗粒为聚苯乙烯或β分子筛颗粒。
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