利用微流控芯片，实现银纳米颗粒的按需可控制备

银纳米颗粒（AgNP）因其独特的抗菌、抗病毒性质，在医学、牙科、纺织、塑料、光伏技术和信息处理设备等领域有广泛的应用前景。然而，不同大小的AgNP可能引发氧化应激和基因毒性等不良效应，因此需要对粒径进行精细调控以确保其安全有效。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自美国蒙大拿州立大学（Montana State University）的研究人员通过改良Turkevich法，在微流控芯片上利用柠檬酸钠（NaCit）还原硝酸银（AgNO₃）来制备AgNP，并通过调整流速和化学试剂浓度在同一装置上获得不同粒径的AgNP。该研究不仅推动了微流控技术在纳米颗粒可控合成领域的应用，而且对于理解并调控纳米颗粒-基质界面相互作用对粒径的影响具有重要意义，为今后设计和制备功能多样化的纳米材料奠定了坚实的基础。相关研究成果近期以“Microfluidic production of silver nanoparticles demonstrates ability for on demand synthesis of a wide size distribution of particles”为题发表在Journal of Nanoparticle Research期刊上。

图1 微流控系统的设置及工作原理

研究人员首先使用SU-8 3050光刻胶在玻璃显微镜片上制作出微流控芯片的模具。随后，通过光刻工艺和后续的聚二甲基硅氧烷（PDMS）浇铸、固化和去泡步骤，制备出具有特定流体通道的微流控芯片。接着，研究人员将AgNO₃和NaCit溶液分别装入注射器，并通过PEEK管连接到微流控芯片的输入端口。通过使用双注射泵控制流速，研究人员将两种化学试剂以预定比例混合在微流控芯片中，实现AgNP的合成。在合成过程中，将微流控芯片放置在热板上，以85°C的温度促进反应。

在合成过程中，研究人员通过改变流速和化学试剂的浓度，探索了最佳的AgNP合成条件。具体而言，研究人员测试了不同的流速（0.5至3 µL/min）和NaCit浓度（37.5 ~ 75 mM），以观察对AgNP尺寸分布的影响。并使用动态光散射（DLS）、透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）对合成的AgNP进行表征，以确定其尺寸、形态和分布。此外，研究人员对微流控芯片进行了连续多周的操作，以评估其耐用性和长期稳定性。

图2 光学显微镜下的微流控装置图像

图3 AgNP的SEM图像及颗粒直径箱形图

结果表明，该研究使用微流控芯片成功合成了AgNP，并且可以通过改变流速和化学试剂浓度来控制颗粒的大小。合成的AgNP实现了从24 ~ 400 nm的宽范围尺寸分布。在该合成方案中，微流控芯片提供了一个可调的环境，能够进行顺序处理或并行合成，有助于生产高质量、一致性好的AgNP。

展望未来，研究人员还可以从以下方面进行更深入的研究工作。

（1）表面相互作用机制研究：深入研究AgNP与微流控芯片材料（如PDMS）之间的相互作用机制，以更好地理解和控制颗粒的形成和生长过程。

（2）多参数优化：系统地研究不同流速、化学试剂浓度以及其他可能影响AgNP合成的因素（如温度、pH值等），以实现更精细的尺寸控制和提高合成效率。

（3）生物相容性和安全性评估：对合成的AgNP进行详细的生物相容性和安全性评估，以确保其在医疗和环境应用中的安全性。

（4）应用开发：探索AgNP在特定领域的应用，如抗菌涂层、药物递送系统、生物传感器等，以验证其实际应用潜力。

（5）复合纳米材料的合成：利用微流控技术合成复合纳米材料，如将AgNP与其他纳米颗粒结合，以创造具有新特性或增强功能的新材料。

（6）环境影响和回收研究：研究AgNP的环境影响，包括其在生态系统中的分布、转化和毒性，以及开发有效的回收和再利用策略。

（7）微流控装置的设计改进：设计和优化微流控装置，以提高其耐用性、可及性和多功能性，使其更适合于工业和实验室环境。

（8）计算模型和仿真：发展和应用计算模型和仿真工具来预测和优化AgNP的合成过程，从而减少实验迭代次数并提高研发效率。

论文链接： https://doi.org/10.1007/s11051-024-05944-1  

 

审核编辑：刘清