GB/T24369.3-2017
金纳米棒表征第3部分：表面电荷密度测量方法
Characterizationofgoldnanorods—Part3:Measurementmethodofsurfacechargedensity
- 中国标准分类号（CCS）N04
- 国际标准分类号（ICS）17.220.20
- 实施日期2018-02-01
- 文件格式PDF
- 文本页数15页
- 文件大小1.70M
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金纳米棒表征第3部分：表面电荷密度测量方法
国家标准 GB/24369.3一2017 金纳米棒表征 第3部分:表面电荷密度测量方法 Characterizationofgoldnanorods一 Part3.Measurementmethodfsurfaechargedensitly 2017-07-31发布 2018-02-01实施 国家质量监督检验检疫总局 发布 国家标准化管理委员会国家标准
GB;/T24369.3一2017 前 言 GB/T24369(《金纳米棒表征》分为三个部分 -第1部分:紫外/可见/近红外吸收光谱方法 -第2部分:光学性质测量方法; 第3部分:表面电荷密度测量方法
本部分为GB/T24369的第3部分
本部分按照GB/T1.1一2009给出的规则起草 本部分由科学院提出
本部分由全国纳米技术标准化技术委员会(SAC/TC279)归口
本部分起草单位国家纳来科学中心 本部分主要起草人:吴晓春、纪英露、侯帅
GB/T24369.3一2017 引 言 金纳米棒是一种棒状金纳米颗粒,在生物检测、生物成像、疾病诊断与治疗等领域具有潜在的应用 价值
根据国际标准化组织纳米技术委员会发布的技术报告IsO/TR13014;2012《纳米科技工程纳米 材料毒性评价的物理化学参数表征导则》,需要对与毒性评价密切相关的八个关键物化参数,即尺寸及 尺寸分布、团聚/聚集状态、形状,表面积/比表面积组分、表面化学,表面电荷、溶解性/分散性进行表 征
本部分与表面电荷的表征相对应
zeta电位是表征表面电荷的一个重要参数
本部分规定了通过zeta电位计算金纳米棒表面电荷 密度的方法,为评价金纳米棒胶体溶液的稳定性和与其他物质的相互作用提供依据
GB;/T24369.3一2017 金纳米棒表征 第3部分:表面电荷密度测量方法 范围 GB/T24369的本部分规定了用zeta电位测量金纳米棒表面电荷密度的方法
本部分适用于溶胶体系中直径大于10nm、长径比介于14的金纳米棒表面电荷密度测量,其他 纳米颗粒在溶胶体系中表面电荷密度的测量亦可参照本部分执行
规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的
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GB/T322692015纳米科技纳米物体的术语和定义纳米颗粒、纳米纤维和纳米片 GB/T326682016胶体颗粒zeta电位分析电泳法通则 术语和定义 GB/T322692015和GB/T326682016界定的术语和定义适用于本文件
为了便于使用,以下 重复列出了GB/T322692015和GB/T326682016中的某些术语和定义
3.1 表面电荷密度eleetriesurfaeeeharedensity 由于液体体相离子的特异性吸附或表面基团的解离而在单位面积界面上所产生的电荷量
注:单位是库仑每平方米(Cnm)
[GB/T326682016,定义3.1.1] 3.2 纳米纤维nanofibre 两个维度外部尺寸相近且处于纳米尺度,剩余一个维度外部尺寸明显大于其他两个维度尺寸的纳 米物体
注1，纳米纤维可以是柔性的,也可以是刚性的
注2对尺寸相近的两个维度,其外部尺寸差异应小于3倍,而最长的外部尺寸应比其他两个尺寸大3倍以上 注3:最长的外部尺寸可不在纳米尺度
[GB/T322692015,定义4.3 3.3 纳米棒 nan0r0d 实心纳米纤维
[[GB/T322692015,定义4.5] 3,4 表面电位eleetricsurfacepotential 粒子表面到均匀液相内部的电势差
注:单位为伏特(V. [GB/T32668一2016,定义3.1.2]
GB/T24369.3一2017 3.5 滑移面slippingplane 剪切面shearplane 颗粒在电场中发生泳动时,在剪切应力的作用下,固-液界面附近的液体相对于表面发生滑移的抽 象面
[GB/T32668一2016,定义3.1.3] 3.6 电位zetapotential zeta 悬浮在液体介质中的胶体颗粒双电层的滑动面与溶液体相之间的电位差 注:单位为伏特(V)[通常用毫伏mV)表示]
[GB/T32668一2016,定义3.1.9] 原理 胶体颗粒表面的带电状态由离子在其周围的空间分布决定,这种电荷分布称之为双电层
经典双 电层模型是斯特恩(Sterm)扩散双电层模型;第一层为紧密层,又称斯特恩层,由牢固吸附于固体表面的 离子和参与部分溶剂化的水分子组成
第二层称为扩散层,由过量的反离子(与表面电荷符号相反的离 子)和少量的共离子(与表面电荷符号相同的离子)组成
古埃-查普曼-斯特恩(Gouy-Chapman-Stern) 模型扩散双电层模型见示意图1[
胶体粒子在外加电场的作用下,斯特恩层与扩散层发生相对移动 时的面称为滑移面或剪切面
滑移面处的电位即为zeta电位,见图1
颗粒表面 金纳米棒表面 b 说明: 斯特恩层; 带电的颗粒a)或带正电的金纳米棒b); 带相反电荷的扩散层 -斯特恩面; 滑移面; 6 德拜长度 表面活性剂层/表面配体层 ！ 表面电位; zeta电位
图1基于古埃-查普曼-斯特恩模型的双电层结构示意图
GB;/T24369.3一2017 仪器 电位仪
Zeta 测试样品前处理 使用与测试样品溶液体系相同的液体作为稀释剂,将测试样品稀释至合适倍数后进行测试
样品 浓度应位于仪器所规定的测试浓度范围内
测量步骤 7.1打开仪器,预热至仪器稳定
采用ea电位标准物质对zecta电位仪进行校准
7.2 7.3设定材料类型、温度,平衡时间、样品池类型和扫描次数等测量参数 7.4用移液器将制备好的样品加人样品池中 7.5将含待测试样的样品池置于样品槽中,开始扫描 7.6将仪器所测谐图或图像保存,并记录仪器状态和测量数据
7.7推荐取3个试样,每个试样测试3次 德拜长度计算 离子强度计算见式(1) 习c,Z" 式中， 离子强度,单位为摩尔每升(molL-I) 第i种离子浓度,单位为摩尔每升(molL') 乙 第i种离子价态
德拜长度为双电层的厚度,计算见式(2)和式(3) eekT 2000eIN 当水相温度为298K时， 0.304 3 其中 德拜长度,单位为纳米(nm); 介质相对介电常数,无量纲 真空介电常数,单位为法拉每米(F
m-l); E
玻尔兹曼常数,单位为焦耳每开尔文K l); 绝对温度,单位为开尔文(K); 电子电量单位为库仑(C) eo 阿佛伽德罗常数,单位为每摩尔(mol-l)
N
GB/T24369.3一2017 9 表面电荷密度计算 颗粒表面电荷密度计算的近似公式见式(4)8习 2KEET zea /ea业 -tanh6 sinh 2T 4T 这e kdn 当颗粒表面曲率忽略不计时,表面电荷密度可根据古埃-查普曼方程计算见式(5)o 2eo 口=8TEEnsinh 其中,对于相对较小的zeta电位值(<50mV)近似有式(6)5门 中=(1十D/a1)e的 式中 表面电荷密度,单位为库仑每平方米(cm-a); 电解质价态,无量纲 表面电位,单位为伏特(V); 小 颗粒斯托克斯半径,即体积等效半径,单位为米(m)5;若金纳米棒长度为L,直径为d,以 a1 圆柱模型计算,则ai= -液相中单位体积内电解质个数,单位为每立方米(m-3); eta电位,单位为伏特(V); ,[s们 D -滑动层到颗粒表面的距离,通常取0.5nm" 注1当ka1>0.5时,式(4)计算所得表面电荷密度的误差在5%以内ea 注2:在低离子强度,德拜长度小于颗粒半径的1/50时(ra>50),式(4)中颗粒表面曲率影响可以忽略的 <50mv,电解质浓度位于10-》mol
I-'至10-'nmolI 注3，当表面电位必 L-'区间,表面电势近似等于zetu 电位[0 注4;对于存在着尺寸和形状分布的多分散溶胶体系,目前唯一简便的近似方法是采用“等效球”的概念用球形颗粒 理论来计算zeta电位m 10测量结果 10.1金纳米棒表面电荷密度计算实例参见附录A
0.2金纳米棒长径比和浓度对zeta电位的影响参见附录B
0.3表面电荷密度测试报告格式参见附录c
GB;/T24369.3一2017 附 录 A 资料性附录 金纳米棒表面电荷密度计算实例 实验样品 A.1 十六烧基三甲基溴化铵(CTAB)包覆金纳米棒水溶胶([NaC]=10mmol/1)
A.2实验内容 通过zeta电位计算金纳米棒表面电荷密度
3 实验分析方法 A， 电泳光散射法
测试条件 A.4 eta电位仪:ZetasizerNanoZS;平衡时间:2min;温度:25C;样品池;DTS1070C一次性毛细管样 品池;金纳米棒浓度(Au720):0.25nmol/L;盐(NaCD)浓度:l0mmol/L;CTAB浓度:0.1mmol/L
A.5分析结果 对CTAB包覆的金纳米棒([CTAB=0.lmmol/L,[NaC]=10mmol/L)水溶胶进行zeta电位测 试,取8个样品,每个样品测试3次,共测试9次,测试数据见表A.1
由于所测的zeta电位相对较小 采用式(6)计算表面电势
将式(4)中已知量带人,计算获得口-0.117C[sinh(58.4,)十0.419tanh (29.2)](注式中
单位为mol
L,其他参数单位采用国际单位制)表面电荷密度计算结果表示为 (51.7士3.4)mC”m-3(平均值士不确定度，置信区间为95%时,ka的= n=2.26),具体计算情况请见表A.2
此外,利用式(5)计算了表面电荷密度,与式(4)相比,表面电荷密度无明显差异,可以忽略颗粒曲率对表 面电荷密度的贡献
表A.1金纳米棒zeta电位的测量数据表 取样次数 电位的测试值/mV zeta 27.9 第 -次取样 28.4 30.0 29.9 第二次取样 28.2 30,4
GB/T24369.3一2017 表A.1(续) 取样次数 zeta电位的测试值/mV 31.6 第三次取样 30.6 29.8 平均值 29.6士1.2 表A.2金纳米棒表面电荷密度计算数据表 计算数据 参数 式(4) 式(5) 离子强度1/mol/1) 0.01 德拜长度K-/nm 3.04 TEM测量的颗粒尺寸d×L/nm×nm 17×56 颗粒等效半径a1/nm 14.5 0.5 滑动层到颗粒表面的距离D/nm 1十D/a)e" 1.22 34.0,34.6,36.6 表面电势少/mV 36.5、34.4、37.1 38.6,37.3,36.4 45,5、47.1,52.8 41.8、43.4、48.9 表面电荷密度a/mCm-" 52.5、46.6,54.3 48.6、42.8、50.4 59.l,54.9,52.2 55.l,51.0,48.3 平均值士不确定度/mCm-2(ka=2.26 51.7士3.4 47.8士3.3
GB;/T24369.3一2017 附录 B 资料性附录 金纳米棒长径比和浓度对zeta电位的影响 实验样品 B.1 CTAB包覆金纳米棒水溶胶([NaC]=10mmol/L)
B.2实验内容 金纳米棒长径比和浓度对zeta电位的影响
B.3实验分析方法 电泳光散射法
B.4测试条件 eta电位仪:ZetasizerNanoZS;平衡时间:2min;温度:25C;样品池;DTS1070C一次性毛细管样 品池;金纳米棒浓度:0.25nmol/L;盐(NaCI)浓度:10mmol/L;CTAB浓度:0.1mmol/L
B.5分析结果 B.5.1金纳米棒长径比对zeta电位的影响 CTAB在金纳米棒表面形成双层结构使后者带有正电荷
理论计算表明CTAB在Au(100)和 Au(110)面的填充密度分别为1.417/nm和1.336/nm?,因而对于具有相似表面积、不同长径比的金纳 米棒,在相同的棒颗粒浓度租cTAB浓度,其cTAB表面覆盖度相似,即相似的表面电荷密度a 其他条件不变的情况,测量等效半径相似的金球和不同长径比金纳米棒的zcta电位,见表B.1l,其中金 球Au530和金纳米棒Au720典型的zeta电位分布图见图B.1
将表B1的金纳米棒长径比对测量所 获得的a电位平均值作图,见图B2
由图B可以有出.金球相长径比介18至a8之间的金纳 米棒zeta电位基本无差别;当金纳米棒的长径比为4.7时,其zeta电位有所增大
以上实验表明长径比 在1至3.8之间的金纳米棒,其zeta电位与相似等效半径的球形颗粒具有相似的zeta电位值,可以用式 4)和式(5)计算特定长径比(1一4)金纳米棒的表面电荷密度
表B.1不同长径比金纳米棒zeta电位测试结果 Au560 Au640 Au800 Au880 金纳米颗粒编号 Au530 (GSB02-3282 GSB02-2993 Au720 GSB02-2629 GSB02-3283 标准样品编号 2016) 2013 2016 2016 TEM尺寸d×L 17X56 30.9×30.9 23.,3×36.8 21×46 16.7×60.5 12.6×57,6 nm×nm)
GB/T24369.3一2017 表B.1(续 Au56o Au640 Au800 Au880 金纳米颗粒编号 Au530 (GSB02-3282一GSB02-2993 Au720 (GSB02-2629一(GSB02-3283 标准样品编号) 2016) 20137 2016 2016 4.7" 长径比 1.0 l1.6 2.3 3.3 3.8 颗粒等效半径a1/ 5.5 15.5 15.6 4.5 14.7 12.0 nm zeta电位/mV 27.6,29.8,28.629.2,27.1,25.527.0,27.6,28.328.7、29.l,28.732.2、26.9,29.235.0,30.8,33.7 平均值士标准偏差 28.7土1.l 27.3士1.9 27.6士0,7 28.8士0.2 29.4土2.6 33.1土2.2 mmV 200000 200000r 150000- 150000 彩 芒 1oa 新 10000o 50000- 50000 -扣切切-0-勃0加0D -面-切D箱前前而 A电做m 电TMv 图B.1金球Au530(左)和金纳米棒A720(右)典型的zeta电位分布图 40 35. 30 -+ 25 20 15 长径比 图B.2金纳米棒长径比与zeta电位的关系图 B.5.2金纳米棒浓度对zeta电位的影响 其他条件不变,测试金纳米棒在不同浓度下的zeta电位,见表B.2和图B.3
由图B.3可以看出,在 金纳米棒浓度为0.0313nmol/I至0.375nmol/L,zeta电位值基本不随金纳米棒浓度改变而变化
GB;/T24369.3一2017 表B.2不同长径比金纳米棒的eta电位测试 平均值士标准偏差/nv 金纳米棒浓度/nmol/L zeta电位/mV 0.375 35.4、31.7、34.0 33.7士l.9 0.25 31.6士2.5 29.l、34.0、31.6 0.125 32.3、29.1、29.5 30.3士1.7 0.0625 28.6,32.0,30.9 30.5士1." 0.0313 33.9,29.6、,29.3 30.9士2.6 45 40. 35
30- 25 20 15 0.0 0.2 金纳米棒浓度/(wmol/) 图B.3金纳米棒浓度与zeta电位的关系图
GB/T24369.3一2017 附 录 资料性附录) 表面电荷密度测试报告格式 表面电荷密度测试报告 报告编号 委托者 名称 地址 联系方式 测试样品 名称 编号 测试依据 zeta电位仪 型号 制造单位 编号 o 仪器检定/校准证书编号: 检定/校准结果 样品测试条件 样品池型号 温度: 平衡时间: 溶剂及其黏度 分析模型 测试次数 每次测量累计次数 测试结果 原始谱图 盐浓度 离子强度: 德拜长度: 金纳米棒尺寸 等效半径: 电位: 表面电势 Zeta 表面电荷密度 测试机构 校验人员: 测试人员: 测试日期 地址 机构名称 授权证书编号， 授权机构: 0
GB;/T24369.3一2017 参考文 献 GB/T32671.1一2016胶体体系zeta电位测量方法第1部分;电声和电动现象 [2]RUssELwB.sAvLLEDA,SCHowALTERwR.colodal山ispersions[M].Cambridge 入 onmechanicsand lsted 1applhed mathematicsCambridgeUnirs ,Canbridge, monographs iversitypress， ion,1989. E [3]BEHRENSSH,GRIERDG.Thechar of assandsiliceasurfaces[].J.Chem.Phys.2001. 1argeG 1l5;6716-6721. [4]SHAWDJ.Introductiontocolloidandsurfacechemistry[M].Butterworth-Heinenm mann Ltd,4threvisededition,1992:177-180 [5WUW.Baselinestudiesoftheclaymineralssocietysourceclays:colloidandsurfacephe [].ClaysandClayMinerals,2001,49(5);446-452. nOmena [[6]VANOSsCJ,GIESERF,COSTANZ0PM.DLV0andnon-DLVOinteractionsinheeto ite[].ClaysandClayMinerals,1990,38:151-159. [7]GIESERF,VANOSsCJ.Colloidandsurfacepropertiesofclaysandrelatednminerals[M]. MarcelDekkenInc,lstedition,2002:130-131. [[8]PARKs,sINHAN,HAMADsCHIFFERL.IK.EIfectivesizeandzetapotentialofnanorods byFergusonanalysisJ].langmuir2010,26(16):13071-13075 [[9]IRIGoYENJ,MOYAsE,ITURRIJJ.etal.Specificpotentialresponseoflayer-by-layer coatedcolloidalparticlestriggeredbypolyelectrolyteioninteractionsJ门.Iangmuir2009，25: 3374-3380. [10]JACHowIcZJ,BERTHIAUMEM.GARCIAM.Theeffeetoftheamphiproticnatureof humanhairkeratinontheadsorptionofhighehargedensityeationicpolyeleetrolytes[].Colloid Polym.Sci.1985,263;847-858. 11]DelgadoAV,GONZALEZ-CABALLEROF,HUNTERRJ,etal.Measurementandinter pretationofelectrokineticphenomena].JColloidlnterSei.2007,309;194-224 [[12]HUZJ.JIYL,HOUs.etal.Minimizingtheefeetofnear-distancedielectricsensitivityon retrievingaverageaspectratioofgoldnanorodbyopticalextinctionspeetroscopy;inthecaseofCTAB adsorption[].Chin.Sei.Bul.2014,59(16):1822-1831 [13]XIEY,GU0sM.GUocF,etal.Controlabletwo=stagedropletevaporationmethodand itsnanoparicleself-assemblymeehanism[].Langmuir2013,29;6232-6241.
金纳米棒表征第3部分：表面电荷密度测量方法GB/T24369.3-2017
金纳米棒作为一种颇有潜力的纳米材料，其表面性质的研究具有重要意义。其中，表面电荷密度是一个关键参数，它对于纳米棒的生物学、光学和电子学应用都有着至关重要的影响。因此，准确地测量金纳米棒表面电荷密度是非常必要的。
GB/T24369.3-2017标准提供了一种适用于金纳米棒表面电荷密度测量的方法。该方法基于激光光散射技术和离子液体电导率方法，可以在不破坏样品的情况下进行测量，具有高精度和高可重复性。
该方法的主要步骤包括：
- 1. 制备金纳米棒悬浮液；
- 2. 通过动态光散射仪（DLS）和静态光散射仪（SLS）测试金纳米棒的粒径和形态；
- 3. 测量离子液体的电导率，并计算出其浓度；
- 4. 将金纳米棒悬浮液与离子液体混合，测量混合液的电导率；
- 5. 根据电导率的变化计算出金纳米棒表面电荷密度。
该方法不仅可以用于研究金纳米棒的性质，还可以应用于其他纳米材料的表面电荷密度测量。相信随着纳米科技的不断发展，这种方法将会得到更加广泛的应用。
金纳米棒表征第3部分：表面电荷密度测量方法的相关资料
- 评价金纳米棒光热效应的方法GB/T32006-2015
- 金纳米棒聚集体结构的消光光谱表征GB/T32669-2016
- 纳米技术活细胞内金纳米棒含量测定消光光谱法GB/T33249-2016
- 金纳米棒表征第3部分：表面电荷密度测量方法GB/T24369.3-2017
- 金纳米棒表征第2部分：光学性质测量方法GB/T24369.2-2018
- 金纳米棒表征第3部分：表面电荷密度测量方法GB/T24369.3-2017
- 轮胎电阻测量方法GB/T26277-2010
- 绝对发光强度分布的测量方法GB/T26184-2010
- 光源显色性的表示和测量方法GB/T26180-2010
- 光源的光谱辐射度测量GB/T26179-2010
- 光通量的测量方法GB/T26178-2010
- 金纳米棒表征第3部分：表面电荷密度测量方法GB/T24369.3-2017
