開發氣相電分離法分析膠體奈米銀粒子於配方化學中穩定性變化之研究

Understanding Stability of Colloidal Silver Nanoparticles using Gas-phase Ion-mobility Analysis

戴睿霆(Jui-Ting Tai)

指導教授 ： 蔡德豪

國立清華大學/工學院/化學工程學系/碩士(2015年)

摘要

本研究中我們目標首以建立電噴灑式氣相奈米粒子流動分析儀(ES-DMA)，並開發適用之分析方法，以期具有測量膠體奈米材料於水溶液相的粒徑分布、濃度及對應膠體穩定性之能力。我們可針對所處的環境條件(如pH值，溶液中鹽類濃度，以及溶液相內與存在之大分子交互作用等)，量測對應之粒徑分布及數量濃度產生的變化，進而定量上分析膠體奈米材料在不同環境下膠體穩定性之變化。 研究中主要選用的材料為奈米銀粒子(silver nanoparticle, AgNP)，並分二階段進行探討。第一階段探討未擔載之奈米銀及牛血清蛋白(BSA)改質之奈米銀，在酸性環境下之膠體穩定性。我們利用ES-DMA測量不同酸性環境中AgNPs及BSA-AgNPs的粒徑分佈情形及粒徑大小隨時間的變化，並根據結果推測聚集和溶解反應的程度，以及計算BSA吸附的厚度及表面吸附密度。同時，我們也以穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察AgNPs表面的變化，分析AgNPs溶解的過程。根據實驗的結果，AgNP在酸性環境下快速聚集形成多聚物，而表面也會受到硝酸腐蝕而溶解。相較之下，BSA-AgNPs則受到BSA吸附層(corona)保護而減慢粒子聚集的速度，使AgNPs能穩定存在於溶液中，且BSA corona亦會阻擋硝酸與AgNPs接觸，因此BSA-AgNPs並沒有明顯的溶解現象發生。
第二階段我們針對奈米銀粒子於溶液相中發生之溶解現象進行深入的動力學探討。定量上我們比較不同粒徑(20nm、30nm及60nm)AgNPs之聚集與溶解效應，以期了解膠體銀粒徑大小對其穩定性之影響。除了先前所探討的酸鹼度之外，我們也藉由調整溶液中鹽類濃度來探討溶液中離子強度對於AgNPs在聚集以及溶解動力學上的影響。我們也利用硫醇基化聚乙二醇 (SH-PEG)做為中性電之高分子配體，並與之前BSA做比較，以探討不同吸附分子會對奈米銀粒子產生之影響。根據實驗結果計算，粒徑較大的AgNPs其聚集速度較慢。此外，隨著環境的鹽類濃度提高，AgNPs聚集速度則加快。相較之下，以SH-PEG改質後，SH-PEG-AgNPs可阻擋鹽類與AgNPs反應，因此聚集及溶解程度均減少；然而，SH-PEG無法阻擋硝酸與AgNPs反應，因此在酸性條件下SH-PEG-AgNPs會逐漸溶解使粒徑變小。
除了AgNP之外，研究結果顯示我們可利用ES-DMA分析其他功能性膠體奈米材料，如2-D氧化石墨烯(GO)、TiO2奈米粒子、孔性金屬-有機配位聚合物(metal-organic framework, MOF)和奈米金粒子等材料之膠體穩定性。初步結果顯示藉由量測其尺寸上之變化，我們可以評估其穩定性以及可能對應之功能性和毒性影響，做為未來工作相關研究之基礎。

關鍵字

奈米銀粒子 ； 膠體穩定性 ； 電噴灑式氣相奈米粒子流動分析儀

並列摘要

Silver nanoparticle (AgNP) is widely used in our daily life, including consumer goods, clothes, electronics, and also many emerging technology in biomedical applications (e.g., carriers, sensors). In this study, we investigated the colloidal stability of AgNPs under acidic and/or highly ionic environments, and the subsequent interaction with the plasma protein to their colloidal stability. Electrospray-differential mobility analysis was used to characterize the particle size distributions and the number concentrations of AgNPs. Transmission electron microscopy was employed orthogonally to provide visualization of AgNPs. For unconjugated AgNPs, the particles size was increased by aggregation as increasing the acidity and/or ionic strength, accompanied with a change of morphology due to acid-induced interfacial dissolution, but aggregation and dissolution were both shown to be insignificant for bovine serum albumin-functionalized AgNPs. This work provides a generic method to analyze colloidal stability of surface functionalized AgNPs over various formulation chemistry and environment conditions (e.g., cell culture media and natural water).

並列關鍵字

silver nanoparticle ； colloidal stability ； electrospray-differential mobility analysis

參考文獻

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