利用微流控芯片，實(shí)現(xiàn)銀納米顆粒的按需可控制備

銀納米顆粒（AgNP）因其獨(dú)特的抗菌、抗病毒性質(zhì)，在醫(yī)學(xué)、牙科、紡織、塑料、光伏技術(shù)和信息處理設(shè)備等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。然而，不同大小的AgNP可能引發(fā)氧化應(yīng)激和基因毒性等不良效應(yīng)，因此需要對粒徑進(jìn)行精細(xì)調(diào)控以確保其安全有效。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自美國蒙大拿州立大學(xué)（Montana State University）的研究人員通過改良Turkevich法，在微流控芯片上利用檸檬酸鈉（NaCit）還原硝酸銀（AgNO?）來制備AgNP，并通過調(diào)整流速和化學(xué)試劑濃度在同一裝置上獲得不同粒徑的AgNP。該研究不僅推動了微流控技術(shù)在納米顆粒可控合成領(lǐng)域的應(yīng)用，而且對于理解并調(diào)控納米顆粒-基質(zhì)界面相互作用對粒徑的影響具有重要意義，為今后設(shè)計和制備功能多樣化的納米材料奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。相關(guān)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”為題發(fā)表在Journal of Nanoparticle Research期刊上。

圖1微流控系統(tǒng)的設(shè)置及工作原理

研究人員首先使用SU-8 3050光刻膠在玻璃顯微鏡片上制作出微流控芯片的模具。隨后，通過光刻工藝和后續(xù)的聚二甲基硅氧烷（PDMS）澆鑄、固化和去泡步驟，制備出具有特定流體通道的微流控芯片。接著，研究人員將AgNO?和NaCit溶液分別裝入注射器，并通過PEEK管連接到微流控芯片的輸入端口。通過使用雙注射泵控制流速，研究人員將兩種化學(xué)試劑以預(yù)定比例混合在微流控芯片中，實(shí)現(xiàn)AgNP的合成。在合成過程中，將微流控芯片放置在熱板上，以85°C的溫度促進(jìn)反應(yīng)。

在合成過程中，研究人員通過改變流速和化學(xué)試劑的濃度，探索了最佳的AgNP合成條件。具體而言，研究人員測試了不同的流速（0.5至3 μL/min）和NaCit濃度（37.5 ~ 75 mM），以觀察對AgNP尺寸分布的影響。并使用動態(tài)光散射（DLS）、透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）對合成的AgNP進(jìn)行表征，以確定其尺寸、形態(tài)和分布。此外，研究人員對微流控芯片進(jìn)行了連續(xù)多周的操作，以評估其耐用性和長期穩(wěn)定性。

圖2光學(xué)顯微鏡下的微流控裝置圖像

圖3 AgNP的SEM圖像及顆粒直徑箱形圖

結(jié)果表明，該研究使用微流控芯片成功合成了AgNP，并且可以通過改變流速和化學(xué)試劑濃度來控制顆粒的大小。合成的AgNP實(shí)現(xiàn)了從24 ~ 400 nm的寬范圍尺寸分布。在該合成方案中，微流控芯片提供了一個可調(diào)的環(huán)境，能夠進(jìn)行順序處理或并行合成，有助于生產(chǎn)高質(zhì)量、一致性好的AgNP。

展望未來，研究人員還可以從以下方面進(jìn)行更深入的研究工作。

（1）表面相互作用機(jī)制研究：深入研究AgNP與微流控芯片材料（如PDMS）之間的相互作用機(jī)制，以更好地理解和控制顆粒的形成和生長過程。

（2）多參數(shù)優(yōu)化：系統(tǒng)地研究不同流速、化學(xué)試劑濃度以及其他可能影響AgNP合成的因素（如溫度、pH值等），以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的尺寸控制和提高合成效率。

（3）生物相容性和安全性評估：對合成的AgNP進(jìn)行詳細(xì)的生物相容性和安全性評估，以確保其在醫(yī)療和環(huán)境應(yīng)用中的安全性。

（4）應(yīng)用開發(fā)：探索AgNP在特定領(lǐng)域的應(yīng)用，如抗菌涂層、藥物遞送系統(tǒng)、生物傳感器等，以驗(yàn)證其實(shí)際應(yīng)用潛力。

（5）復(fù)合納米材料的合成：利用微流控技術(shù)合成復(fù)合納米材料，如將AgNP與其他納米顆粒結(jié)合，以創(chuàng)造具有新特性或增強(qiáng)功能的新材料。

（6）環(huán)境影響和回收研究：研究AgNP的環(huán)境影響，包括其在生態(tài)系統(tǒng)中的分布、轉(zhuǎn)化和毒性，以及開發(fā)有效的回收和再利用策略。

（7）微流控裝置的設(shè)計改進(jìn)：設(shè)計和優(yōu)化微流控裝置，以提高其耐用性、可及性和多功能性，使其更適合于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

（8）計算模型和仿真：發(fā)展和應(yīng)用計算模型和仿真工具來預(yù)測和優(yōu)化AgNP的合成過程，從而減少實(shí)驗(yàn)迭代次數(shù)并提高研發(fā)效率。

論文鏈接： https://doi.org/10.1007/s11051-024-05944-1