化繁为简 无惧复杂|看核磁在分析纳米材料比表面积中如何发挥威力

目前，对纳米材料在储存和使用环境中的定性和定量分析的测量与表征技术在逐步发展中。细数起来，表征技术不下10种，为什么有这么多的表征技术？究其原因，纳米颗粒的物理化学性质的表征与检测也受到其自身材料特性的影响，一种检测方法走天下已经不太现实，更何况纳米材料品类众多，性质状态更是千差万别，因此就需要多种方法各司其职。科研人员根据检测对象的特性有针对性的选择。

常见的纳米材料检测技术有扫描电子显微镜（SEM），透射电子显微镜（TEM），动态光散射（DLS），紫外可见分光光度计（UV-Vis），核磁共振 （NMR），傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），元素分析，比表面物理化学吸附仪（BET）， 热重-差热分析仪（TG/DTA）等等。

每种方法的原理不同，适用情况也不尽相同。以最为常用的BET的方法为例。首先BET的测量满足吸附理论，当流动氮气与纳米材料接触时， 部分氮气会在纳米材料表面聚集，产生吸附现象。其特点可以定量测量不同分压下其吸附和脱附质量，进而推导出比表面积。然而抛开繁琐、耗时这些问题不说，对于热敏性的材料测试温度则会有较大问题，此外如果要求无损的话，吸附质和吸附剂对不同表面官能团在储存和使用条件下其数量的测量比较困难。

由于大多数人工合成的纳米颗粒具有亲水性的表面，与气态分子相比（例如 N2，Ar 和 He 或者小分子如表面活性剂，聚合物，金属离子等），液态水分子作为探针研究纳米颗粒的溶剂化作用有明显优势且也比较便捷。

低场核磁共振技术（LF-NMR）作为一种有效的检测技术。我们知道LF-NMR一般利用弛豫时间的不同来研究分子运动性及分子之间作用性的差异。有了这个基础，我们就能区分吸附溶剂分子和自由溶剂分子的弛豫时间，根据二者运动性的差异，通过弛豫时间反馈出来。

如图所示，溶液中的溶剂分子有两部分组成，一部分是处在自由状态下的溶剂水分子，另一部分为吸附在纳米颗粒表面的束缚溶剂水分子。这部分的束缚溶剂分子与纳米颗粒直接吸附作用，进而可以反映颗粒的表面特性。溶剂被颗粒吸附后，弛豫会加快，如果样品比表面积越大，吸附的溶剂越多，那么样品的弛豫时间就会越短。

通过分析我们发现，测试过程是溶剂分子作为探针，避免引入其他物质，测试的是纳米颗粒在悬浮状态下的湿式比表面积。更重要的一点是，该方法无需对样品进行处理，直接原位、无损测量，所以非常快速大约1-3分钟就能测完一个样品。并且不受样品颜色、浓度、状态的影响，只对样品有一个要求：因为测试样品颗粒与液体接触的表面，因此样品的悬浮状态必须良好。

其实，除了简单的测试比表面积这个数值，核磁共振另外一个主要的功能是做过程性研究。因为无损、原位的优势，能真实反映溶液的状态如分散性等。所以更适合做过程类的工艺优化、新材料的研发评估等等。

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