切向流超滤：胶乳银纳米颗粒粒径筛选和浓缩的“绿色”技术

​银纳米颗粒（AgNP）因其抗菌特性，广泛应用于消费品、水体消毒剂、治疗药物以及生物医学设备的生产，但其适用性受粒径限制。对均质AgNP进行粒径控制，并消除稳定剂及有机溶剂的毒性影响，在技术和效率上都存在诸多挑战。

切向流超滤（TFU）常用于蛋白质、病毒和细胞的分离，是一项“再循环”的技术，简单来讲，就是料液通过孔径10kD-1000kD的一系列中空纤维膜，样品中较小的悬浮或溶解成分会与溶剂（滤液）一起通过多孔性屏障，而较大的成分被截留（回流液）。TFU既不会损坏样品，也不需要添加额外的溶剂以去除过量的毒性试剂或副产物，所以可以认为是一种“绿色”的技术。通过TFU可对AgNP粒径、浓度和聚集状态起到很好的选择性控制，且相对超速离心更加方便。

操作步骤：

按Creighton法合成4L胶乳AgNP，UV-Vis分光光度法和拉曼光谱法检测胶乳颗粒形状、粒径分布、聚集状态和纯度。

KrosFlo Research 2i [KR2i] 切向流过滤系统

使用KrosFlo研发用IIi切向流超滤系统对胶乳AgNP进行粒径筛选和浓缩,分三步操作进行：

第一步：

1) 通过软管接头将MasterFlex #17进样软管连接到蠕动泵。然后将软管与50nm MidiKros组件连接。用扎带紧固连接以保证密封。将监测器控制界面的软管尺寸选为17。

2) 将泵运行方向设置为逆时针运行。

3) 将泵速降低至300ml/min以下，运行泵。泵速需根据使用的软管进行调整。开始泵的运行速度应尽量小，以避免发生大的泄漏，但也应能足以使液流充满整个系统。管路连接需确保能达到足够的真空，以便从容器内吸取胶乳进入管路和过滤器，可将过滤器底部的软管连接至软管中部Y型接头的顶部。

4) 将过滤器出口的软管置于容器内，用弹簧夹夹闭软管底部，开始泵运行。管路内形成的真空开始虹吸胶乳。

5) 当液体开始自由通过管路，停止泵运行，用软管接头加入管路的断口部分，用扎带密封。打开泵运行。

6) 检查管路循环是否有泄漏。如果发现泄漏，调整接头或重新扎紧扎带以密封。确认管路密封后，可开始增加泵速，直到达到所选软管的最佳耐受泵速。继续过滤，直到容器瓶内的液体排空。

7) 过滤完成后，收集含有粒径50nm及以下AgNP的滤液。也可保留回流液，以进行确认测试。

第一步TFU使用50nm过滤器（11500px2）进行粒径筛选，去除胶乳原液中50nm及以上的AgNP和AgNP聚集体。这一步也产生了少量的浓缩，最终得到3.9L 50nm滤液。

第二步：

8) 用2%的HNO3和超纯水冲洗管路，按之前的步骤安装100kD的MidiKros过滤器。

9) 使用100kD的MidiKros组件重复步骤3）。

10) 过滤完成后，收集回流液（包括管路和过滤器内液体）。体积约为50ml。

第二步进行了较大规模的浓缩，将上一步的滤液过100kD过滤器（200cm²）。最后得到50ml回流液。

第三步：

11) 将MasterFlex #14软管和100kD MicroKros 过滤器连接到蠕动泵，用扎带密封所有连接。将控制界面的软管尺寸选为14，将泵速调低为30 ml/min。

12) 开始过滤操作。检查循环回路是否有泄漏。如果发现泄漏，调整接头或重新扎紧扎带以密封。

13) 确认管路密封后，调节泵速不高于90ml/min。

14) 过滤完成后，将管路和过滤器内残余的料液排出，停止泵运行。

在第三步中，对AgNP进行了进一步的浓缩，使用表面积更小（50cm²）的100kD过滤器，将体积降为4.0ml。

3. 使用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）对胶乳AgNP中的银含量进行定量检测，AgNP产量基本没有损耗。

使用透射电镜观察胶乳AgNP的粒径分布，最终的100kD回流液中基本为粒径1-20nm的无聚集AgNP。

TFU工艺流程图。蓝色方框内为采集样品进行进一步分析的AgNP胶乳悬液。小瓶中样品分别为A）原始胶乳样品，B）原始胶乳经50nm过滤器（460cm²）处理后收集的50nm滤液， C）使用100kD MidiKros 过滤器（200cm²）降低体积后收集的第一次100kD回流液，D）使用100kD MicroKros 过滤器（20cm²）降低体积后收集的最终100kD回流液。100kD滤液外观接近水。

结论：

TFU是进行胶乳AgNP粒径筛选和浓缩的高效、“绿色”技术，且可维持极低的颗粒聚集。因为在处理过程中去除了AgNP合成所使用的化学毒性试剂及有机溶剂，并降低了AgNP的粒径分散度，其催化特性、光电特性、生物传感特性及纳米毒性均可改善，促进了其在医学、工业及科研领域的应用。

在实际应用中，可选择其它规格过滤器对TFU工艺进行优化（过滤器孔径范围10kD-1000kD，膜表面积5.1m2-200px2，疏水性或亲水性），而监测工艺压力或适当清洗，可提高过滤器使用寿命。颗粒的电荷特性也会影响超滤工艺的进行。此外，也可根据下游应用需求，使用TFU进行缓冲液置换等操作。

但需注意的是，如果浓缩倍数过高，可能会降低胶乳悬液的稳定性和保存期限。在10℃条件下，高度浓缩的未功能化AgNP的保存期限约为一到两周。可根据实际情况，调整制备和处理工艺参数，提高产品稳定性和保存期限。

本文内容为编者翻译，如有不当之处，敬请谅解，详细内容，请参考原文。

原文：Anders,C.B., et al.. Tangential Flow Ultrafiltration: A “Green” Method for the SizeSelection and Concentration of Colloidal Silver Nanoparticles. Journal ofVisualized Experiments. 2012.68.

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