微米級(jí)納米顆粒聚集體的噴霧干燥輔助制備及其應(yīng)用

在當(dāng)今材料科學(xué)與工程領(lǐng)域，納米顆粒因其獨(dú)特的量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等物理化學(xué)特性，展現(xiàn)出了卓越的應(yīng)用潛力，在諸如生物醫(yī)藥、催化、能源以及環(huán)境等諸多關(guān)鍵領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，納米顆粒本身存在著一些局限性，例如其極高的比表面積使得它們?cè)诜稚Ⅲw系中容易團(tuán)聚，穩(wěn)定性較差，而且由于粒徑微小，在實(shí)際的分離、回收以及進(jìn)一步加工操作中面臨諸多不便。為了克服這些問(wèn)題并充分發(fā)揮納米顆粒的優(yōu)勢(shì)，將納米顆粒組裝成微米級(jí)聚集體成為了一種極具前景的策略。噴霧干燥技術(shù)作為一種成熟且高效的干燥與顆粒成型技術(shù)，在輔助制備微米級(jí)納米顆粒聚集體方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這也正是本文所聚焦探討的核心內(nèi)容。

二、噴霧干燥輔助制備的原理與方法

（一）原料準(zhǔn)備

制備微米級(jí)納米顆粒聚集體的首要步驟是精心配置含有納米顆粒的分散液。在此過(guò)程中，選擇合適的溶劑至關(guān)重要，需要綜合考慮納米顆粒的溶解性、穩(wěn)定性以及后續(xù)噴霧干燥過(guò)程中的揮發(fā)性等因素。例如，對(duì)于一些親水性的納米氧化物顆粒，水通常是較為理想的溶劑，但對(duì)于疏水性的有機(jī)納米顆粒，則可能需要選擇有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等。同時(shí)，為了確保納米顆粒在分散液中能夠均勻分散，避免團(tuán)聚現(xiàn)象的過(guò)早發(fā)生，添加合適的分散劑也是不可或缺的環(huán)節(jié)。常見(jiàn)的分散劑包括表面活性劑、高分子聚合物等，它們通過(guò)吸附在納米顆粒表面，形成空間位阻或者靜電排斥作用，使納米顆粒能夠穩(wěn)定地分散在溶劑中。

（二）霧化過(guò)程

配置好分散液后，便進(jìn)入霧化階段。霧化是通過(guò)特定的霧化裝置將分散液轉(zhuǎn)化為微小液滴的過(guò)程，這是噴霧干燥技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。目前，常用的霧化器類(lèi)型主要有壓力式霧化器、離心式霧化器以及氣流式霧化器等。壓力式霧化器依靠高壓將分散液通過(guò)微小的噴嘴噴出，形成霧滴，其特點(diǎn)是霧滴粒徑相對(duì)較細(xì)且分布較為均勻，適用于低粘度的分散液；離心式霧化器則是利用高速旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)或轉(zhuǎn)輪，將分散液在離心力的作用下甩出形成霧滴，它對(duì)于處理高粘度分散液具有較好的適應(yīng)性，并且能夠產(chǎn)生較大范圍的霧滴粒徑；氣流式霧化器借助高速氣流對(duì)分散液進(jìn)行沖擊和破碎，從而形成霧滴，它可以精確控制霧滴的粒徑，但能耗相對(duì)較高。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)納米顆粒分散液的具體性質(zhì)以及對(duì)聚集體粒徑的要求等因素來(lái)選擇合適的霧化器。

（三）干燥與聚集體形成

霧化后的微小液滴在干燥室中與熱空氣等干燥介質(zhì)充分接觸，溶劑迅速揮發(fā)，這一過(guò)程是微米級(jí)納米顆粒聚集體形成的核心階段。隨著溶劑的不斷揮發(fā)，液滴逐漸收縮變小，納米顆粒在液滴內(nèi)部由于布朗運(yùn)動(dòng)、范德華力以及其他相互作用力的影響下開(kāi)始聚集在一起。在此過(guò)程中，噴霧干燥的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)最終聚集體的性質(zhì)起著決定性的作用。例如，進(jìn)風(fēng)溫度直接影響溶劑的蒸發(fā)速率，過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致納米顆粒表面性質(zhì)發(fā)生變化或者聚集體出現(xiàn)開(kāi)裂等缺陷，而過(guò)低的溫度則會(huì)使干燥不完全；進(jìn)料速度決定了單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入干燥室的分散液量，進(jìn)而影響霧滴的濃度和干燥效果；霧化器的轉(zhuǎn)速同樣會(huì)影響霧滴的粒徑大小和分布，最終影響聚集體的粒徑和形貌。因此，精確調(diào)控這些參數(shù)對(duì)于制備高質(zhì)量的微米級(jí)納米顆粒聚集體至關(guān)重要。

三、微米級(jí)納米顆粒聚集體的性質(zhì)表征

（一）微觀(guān)形貌表征

利用掃描電子顯微鏡（SEM）可以對(duì)制備出的微米級(jí)納米顆粒聚集體的微觀(guān)形貌進(jìn)行直觀(guān)且詳細(xì)的觀(guān)察。通過(guò) SEM 圖像，能夠清晰地看到聚集體的整體形狀，是球形、不規(guī)則形還是其他特定的幾何形狀；可以分辨出聚集體表面的粗糙度情況，表面是光滑平整還是存在諸多微小的凸起或凹陷；同時(shí)，還能觀(guān)察到納米顆粒在聚集體內(nèi)部以及表面的分布情況，顆粒之間是緊密堆積還是相對(duì)疏松地結(jié)合在一起等。這些微觀(guān)形貌信息對(duì)于深入了解聚集體的形成機(jī)制以及預(yù)測(cè)其在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的性能表現(xiàn)具有重要意義。

（二）粒徑分布測(cè)定

激光粒度儀是準(zhǔn)確測(cè)定微米級(jí)納米顆粒聚集體粒徑分布的關(guān)鍵工具。它基于光散射原理，能夠快速、精確地測(cè)量出聚集體粒徑的大小范圍以及不同粒徑顆粒所占的比例。通過(guò)對(duì)粒徑分布數(shù)據(jù)的分析，可以判斷制備過(guò)程是否穩(wěn)定，是否能夠按照預(yù)期得到相對(duì)集中且符合要求的微米級(jí)粒徑的聚集體。例如，如果粒徑分布過(guò)于寬泛，可能意味著霧化過(guò)程不均勻或者干燥條件不穩(wěn)定，需要對(duì)噴霧干燥的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化調(diào)整。

（三）晶體結(jié)構(gòu)分析

采用 X 射線(xiàn)衍射（XRD）等技術(shù)對(duì)聚集體內(nèi)部納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。在噴霧干燥制備過(guò)程中，納米顆粒經(jīng)歷了復(fù)雜的物理化學(xué)變化，有可能導(dǎo)致其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。通過(guò) XRD 圖譜，可以清晰地識(shí)別出納米顆粒的晶相組成，判斷是否有新的晶相生成或者原有晶相是否出現(xiàn)了晶格畸變等情況。這對(duì)于評(píng)估制備方法對(duì)納米顆粒原有物理化學(xué)性質(zhì)的保留程度以及聚集體的穩(wěn)定性等方面有著關(guān)鍵作用。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

（一）生物醫(yī)藥領(lǐng)域

在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，微米級(jí)納米顆粒聚集體有著廣闊的應(yīng)用前景。一方面，可作為藥物載體，將藥物分子包裹或吸附在聚集體內(nèi)部或表面。利用聚集體的特殊結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)藥物的緩控釋?zhuān)ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)聚集體的孔隙率、粒徑大小以及表面性質(zhì)等因素，能夠精準(zhǔn)控制藥物在體內(nèi)的釋放速率，使藥物在特定的時(shí)間和部位緩慢釋放，提高藥物的療效并降低藥物的毒副作用。另一方面，聚集體還可以提高藥物的靶向性，通過(guò)對(duì)聚集體表面進(jìn)行修飾，例如連接上特定的靶向分子，使其能夠主動(dòng)識(shí)別病變細(xì)胞并與之特異性結(jié)合，將藥物精準(zhǔn)地輸送到病灶部位，減少對(duì)正常組織的損傷。此外，聚集體的存在還能夠增強(qiáng)藥物的穩(wěn)定性，防止藥物在體內(nèi)復(fù)雜的生理環(huán)境中過(guò)早地被降解或失活。

（二）催化領(lǐng)域

對(duì)于催化反應(yīng)而言，微米級(jí)納米顆粒聚集體憑借其較大的比表面積和獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)成為了理想的催化劑載體。其較大的比表面積為活性催化劑成分提供了豐富的負(fù)載位點(diǎn)，能夠使更多的催化劑均勻地分散在聚集體表面，提高催化劑的利用率。同時(shí)，聚集體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)可以為反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散提供通道，有利于加快反應(yīng)速率，提高催化效率。例如，在一些有機(jī)合成反應(yīng)或者環(huán)境污染物的催化降解反應(yīng)中，負(fù)載有貴金屬催化劑的微米級(jí)納米顆粒聚集體展現(xiàn)出了卓越的催化性能，能夠在相對(duì)溫和的條件下實(shí)現(xiàn)高效的反應(yīng)轉(zhuǎn)化。