專利名稱：一種水相密度梯度離心速率分離納米顆粒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分離納米顆粒的方法，特別是一種按照納米顆粒的尺寸和性質(zhì)，在液相 中依據(jù)顆粒沉降速率不同進(jìn)行分離的方法，屬于無機(jī)先進(jìn)材料分離工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自二十世紀(jì)八十年代以來發(fā)展起來的納米科技已經(jīng)在電子、機(jī)械、物理、材料、化學(xué)、 生物等領(lǐng)域?qū)е铝烁锩缘倪M(jìn)步。 一系列之前未曾想象的優(yōu)良性能在納米材料上逐漸被發(fā)現(xiàn) 和認(rèn)識(shí)。比如，碳納米管(Nature， 1991， 354, 56 - 58)和石墨烯(Science, 2004, 306. 666-669)， 具有超強(qiáng)的機(jī)械特性和優(yōu)異的導(dǎo)電特性，引起電子、物理、材料等學(xué)科的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為 將導(dǎo)致半導(dǎo)體工業(yè)的革命(Science. 2008， 319. 1229-1232 ; Nature Mater. 2007， 6， 183 - 191)。
液相合成法和氣相沉積法是目前主要的納米材料合成方法(Chem. Rev. 2005， 105, 1025—1102; Angew. Chem. Int. Ed. 2006， 45, 3414 - 3439; J. Mater. Chem., 2001， 11， 2887 - 2894; Nature Nanotechnol. 2008， 3， 101-105;)。但是這些方法獲得的納米顆粒往 往由于合成方法的限制，尺寸分布在一個(gè)較寬的范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)也不盡均一，而納米體系的 特異之處恰恰在于其物性與顆粒的尺寸與結(jié)構(gòu)存在密切的聯(lián)系。從應(yīng)用的角度，也必須提高 納米材料的單分散度。比如，將納米顆粒應(yīng)用于藥物載體時(shí)存在明顯的尺寸選擇性(Nano Res. 2008， 1， 203-212)，如果將寬尺寸分布的納米顆粒應(yīng)用于藥物載體，必定會(huì)有由于其本身尺 寸的不均一性導(dǎo)致選擇性的降低。
因此，如何獲得尺寸均一的納米顆粒成為當(dāng)前的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。在此之前的努力 主要集中在合成方法的優(yōu)化，從而一次性獲得具有單分散尺寸的顆粒。但是，特定化合物的 合成往往需要特定的條件，需要大量的實(shí)驗(yàn)來獲得某種化合物的合成條件，其重復(fù)性和穩(wěn)定 些也有待于進(jìn)一步提高。因此，發(fā)展合成后分離成為提升納米材料質(zhì)量的一個(gè)新的重要手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用水相密度梯度離心速率分離納米顆粒的方法，從而克服當(dāng) 前一些分離技術(shù)需要較長時(shí)間，成本較高，受樣品穩(wěn)定性和純度的影響較大且方法復(fù)雜的缺 陷和不足。另外該方法可以與現(xiàn)有的自動(dòng)化方法結(jié)合使用，以適應(yīng)商業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種水相密度梯度離心速率分離膠體納米顆粒的方法,其特征在于該方法的具體步驟為 a.將納米顆粒在水或含表面活性劑的水溶液中超聲，配制成質(zhì)量體積濃度為(0. 01-50mg/ml的膠體納米顆粒溶液；
b. 將密度梯度介質(zhì)分別配成質(zhì)量百分比在2%-70%之間不同濃度的水溶液，配制成密度 梯度介質(zhì)溶液；
c. 依次移取密度梯度介質(zhì)溶液，加入超速離心管中，配成線性或階梯型密度梯度溶液;
d. 緩慢地將步驟a所得膠體納米顆粒溶液加到步驟c所得的密度梯度溶液上；
e. 在溫度為4-25°C，轉(zhuǎn)速為5000-65000轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為5-480分鐘的條件下高速 離心，得到一種按照顆粒大小分布的膠體納米分散液；
f. 將得到的膠體納米分散液從頂部分批次取出，最終得到不同尺寸、不同性質(zhì)的納米顆粒。
上述技術(shù)方案中所用的膠體納米顆粒溶液的密度要高于密度梯度溶液介質(zhì)的密度。 用于分離的納米顆粒是石墨烯、碳納米管、磁性納米顆粒、金屬納米顆粒、氧化物納米 顆?；虬雽?dǎo)體納米顆粒。
技術(shù)方案步驟a所述的納米顆粒的尺寸范圍從1納米到2微米。
技術(shù)方案步驟b所述用于配制密度梯度溶液的密度梯度介質(zhì)采用蔗糖、清蛋白、甘油、 山梨醇、甲泛葡胺或碘克沙醇。
技術(shù)方案步驟f結(jié)束后，重復(fù)步驟c-e,進(jìn)行二次甚至多次分離，以優(yōu)化納米顆粒的尺寸 分布。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果①分離效果好，可一次獲得較純樣 品；②分離尺寸范圍廣，從納米到微米范圍;③該方法既可以按照尺寸大小進(jìn)行分離，又可按 照不同功能分離；④通過調(diào)節(jié)離心參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同的分離目的；⑤該方法是一種無損分離的方 法。6)本發(fā)明方法工藝簡單，操作方便，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明密度梯度離心速率分離納米顆粒的分離機(jī)理示意圖。 圖2是本發(fā)明實(shí)施例二不同粒徑An顆粒離心后的數(shù)碼照片。 圖3是本發(fā)明實(shí)施例二不同粒徑Au顆粒離心后不同位置的TEM照片。 圖4是本發(fā)明實(shí)施例一 4nm FeCo@C納米顆粒在離心210分鐘后的不同位置的TEM照片。 圖5是本發(fā)明實(shí)施例三離心后不同位置組分氧化石墨烯的AFM照片。 圖6是本發(fā)明實(shí)施例四離心后不同位置組分化學(xué)還原石墨烯的AFM照片。 圖7是本發(fā)明實(shí)施例六離心后的單壁碳納米管的AFM照片。 圖8是本發(fā)明實(shí)施例七單次離心及二次離心后在同一位置的AFM照片及分布圖。 圖9是本發(fā)明實(shí)施例八離心后的TEM照片。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供的密度梯度離心速率分離方法的原理是將膠體納米顆粒溶液置于一定的密度梯度溶液之上，并對(duì)體系施加離心力時(shí)，納米顆粒會(huì)在離心力的作用下沿軸向向外移動(dòng)。 不同的被分離物由于密度、大小等不同，會(huì)受到不同的浮力和粘滯阻力作用，從而在同樣的 密度梯度中表現(xiàn)出不同的定向運(yùn)動(dòng)行為，因此會(huì)在一定時(shí)間之后，依據(jù)納米顆粒的尺寸、密 度等特征，在密度梯度中達(dá)到一定的空間分布(見附圖1)。由于該分離方法簡便易行，分離 快速，成本低廉，受樣品穩(wěn)定性和純度的影響小，可以直接將制備出來的納米顆粒不經(jīng)過預(yù) 處理直接分離，同時(shí)還可通過調(diào)控離心參數(shù)來選擇性地增強(qiáng)某一區(qū)間的分離效果，是一種分 離納米材料的普適方法。
本發(fā)明提供的一種水相密度梯度離心速率分離膠體納米顆粒的方法,其特征在于該方法 按如下步驟進(jìn)行
a. 將納米顆粒在水或含表面活性劑的水溶液中超聲，配制成質(zhì)量體積濃度為 0. 01-50mg/ml的膠體納米顆粒溶液；
b. 將密度梯度介質(zhì)分別配成質(zhì)量百分比在2%-70%之間不同濃度的水溶液，配制成密度 梯度介質(zhì)溶液；
c. 依次移取密度梯度介質(zhì)溶液，加入超速離心管中，配成線性或階梯型密度梯度溶液；
d. 緩慢地將步驟a所得膠體納米顆粒溶液加到步驟c所得的密度梯度溶液上；
e. 在溫度為4-25°C，轉(zhuǎn)速為5000-65000轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為5-480分鐘的條件下高速 離心，得到一種按照顆粒大小分布的膠體納米分散液；
f. 將得到的膠體納米分散液從頂部分批次取出，最終得到不同尺寸、不同性質(zhì)的納米顆粒。
上述技術(shù)方案中所用的膠體納米顆粒溶液的密度要高于密度梯度介質(zhì)溶液的密度。 用于分離的納米顆粒是石墨烯、碳納米管、磁性納米顆粒、金屬納米顆粒、氧化物納米 顆粒或半導(dǎo)體納米顆粒。
技術(shù)方案步驟a所述的納米顆粒的尺寸范圍從1納米到2微米。
技術(shù)方案步驟b所述用于配制密度梯度溶液的密度梯度介質(zhì)采用蔗糖、清蛋白、甘油、 山梨醇、甲泛葡胺或碘克沙醇。
技術(shù)方案步驟f結(jié)束后，重復(fù)步驟c-e，進(jìn)行二次甚至多次分離，以優(yōu)化納米顆粒的尺 寸分布。
該方法存在一個(gè)離心時(shí)間與密度梯度的最佳搭配區(qū)域。可以通過增加步驟c所用密度梯 度溶液的濃度，或者縮短步驟e中的離心時(shí)間，增加對(duì)于大顆粒的分離效果；反之，也可以 通過減小步驟c所用密度梯度溶液的濃度，或者延長步驟e中的離心時(shí)間，增加對(duì)于小顆粒 的分離效果。
下面以納米金顆粒、磁性FeCo納米顆粒、石墨烯、碳納米管、銀納米棒等納米顆粒為 例說明如何使用本方法，最終得到尺寸連續(xù)且范圍較窄的金顆粒、FeCoiC顆粒、石墨烯、碳納米管、銀納米棒等納米顆粒組分。 實(shí)施例一
(1) 首先，將O. lmg含有5nm、 10nm和20nm的Au納米顆粒懸浮液加入巰基-聚乙二 醇5000水溶液中，進(jìn)行超聲分散，之后經(jīng)濃縮使其體積減小為0.2ml。
(2) 制作密度梯度:用質(zhì)量百分比為60%的碘克沙醇(密度為1. 32g/ml)溶液稀釋分 別配制成30%、 40%、 50%的碘克沙醇溶液。各取0. 75ml配制成30%+40%+50%+60%的密度梯度 溶液。
(3) 將0. 2ml混合Au膠體納米顆粒溶液緩慢加到密度梯度溶液上。
(4) 15°C， 50000轉(zhuǎn)/分鐘，15分鐘條件下高速離心。
(5) 將離心后的膠體納米分散液，從頂部等體積分批次取出(100ul/次，依次標(biāo)記為 fn)。最終得到大小不同的Au納米顆粒。
分離結(jié)果參見圖2， 3。用同樣密度梯度的蔗糖、清蛋白、甘油、山梨醇、甲泛葡胺溶液 來進(jìn)行分離可以取得類似效果。 實(shí)施例二
(1) 首先，將約0. 5mg 4nm FeCo@C納米顆粒在5ml濃度為lmg/ml的磷脂-甲基聚乙 二醇5000表面活性劑溶液中超聲分散，形成0. lmg/ml的FeCo@C膠體納米顆粒溶液。
(2) 制作密度梯度:用質(zhì)量百分比為60%的碘克沙醇(密度為1. 32g/ml)溶液稀釋分 別配制成10%、 20%、 30%、 40%的碘克沙醇溶液。各取0. 75ml配制成10%+20%+30%+40%的密度 梯度溶液。
(3) 將0. 2ml FeCo@C膠體納米顆粒溶液緩慢加到密度梯度溶液上。
(4) l(TC， 45000轉(zhuǎn)/分鐘，210分鐘條件下高速離心。
(5) 將離心后的膠體納米分散液，從頂部等體積分批次取出(100ul/次，依次標(biāo)記為 fn)。最終得到大小不同的FeCo@C納米顆粒。
分離結(jié)果參見圖4。用同樣密度的清蛋白、甘油、山梨醇、甲泛葡胺、蔗糖溶液來進(jìn)行 分離可以取得類似效果。 實(shí)施例三
(1) 首先，將氧化石墨在水中超聲，制成約2mg/ml氧化石墨烯膠體納米顆粒溶液。
(2) 制作密度梯度首先配成質(zhì)量百分比為70% (密度為1.34g/ral)的蔗糖溶液， 再將70%蔗糖溶液稀釋分別配制成20%、 30%、 40%、 50%、 60%的蔗糖溶液。各取0. 5ml配制成 20%+30%+40°/。+50%+60%+70%的密度梯度溶液。
(3) 將0. 2ml氧化石墨烯膠體納米顆粒溶液緩慢加到密度梯度溶液上。
(4) 15°C， 50000轉(zhuǎn)/分鐘，15分鐘條件下高速離心。
(5) 將離心后的膠體納米分散液，從頂部等體積分批次取出(100ul/次，依次標(biāo)記為fn)。最終得到尺寸不同的氧化石墨烯。
分離結(jié)果參見圖5。用同樣密度梯度的清蛋白、甘油、山梨醇、甲泛葡胺、碘克沙 醇溶液來進(jìn)行分離可以取得類似效果。 實(shí)施例四
(1) 首先，取5ml氧化石墨烯溶液，加入5ml水，加入5 n 1 35%的水合肼溶液和35 Hi 28%的氨水溶液混合均勻后，在95水浴lh，形成化學(xué)還原石墨烯膠體納米顆粒溶液。
(2) 制作密度梯度首先配成質(zhì)量百分比為70% (密度為1.34g/ml)的蔗糖溶液， 再將70%蔗糖溶液稀釋分別配制成20°/。、 30%、 40%、 50°/。、 60%的蔗糖溶液。各取0. 5ml配制成 20%+30%+40%+50%+60%+70%的密度梯度溶液。
(3) 將0. 2ml化學(xué)還原石墨烯膠體納米顆粒溶液緩慢加到密度梯度溶液上。
(4) 20°C， 50000轉(zhuǎn)/分鐘，15分鐘條件下高速離心。
(5) 將離心后的膠體納米分散液，從頂部等體積分批次取出(100ul/次，依次標(biāo)記為 fn)。最終得到尺寸不同的還原石墨烯。
分離結(jié)果參見圖6。由AFM圖可知，化學(xué)還原石墨烯也可以通過此方法進(jìn)行分離。 用同樣密度梯度的清蛋白、甘油、山梨醇、甲泛葡胺、碘克沙醇溶液來進(jìn)行分離可以取得類 似效果。
實(shí)施例五
(1) 首先，取5ml氧化石墨烯溶液，加入1.2gNaOH和lg氯乙酸，超聲制備出含羧基 的氧化石墨烯，再加6臂聚乙二醇氨基和N-(3-二甲氨基丙基)-N'-乙基-碳二亞胺鹽酸鹽超 聲形成聚乙二醇修飾的氧化石墨烯膠體納米顆粒溶液。
(2) 制作密度梯度首先配成質(zhì)量百分比為20%和70%的的山梨醇溶液，通過密度梯 度儀配制20%-70%的線性密度梯度溶液。
(3) 將0. 2ml聚乙二醇修飾的氧化石墨烯膠體納米顆粒溶液緩慢加到密度梯度溶液上。
(4) 4"C， 50000轉(zhuǎn)/分鐘，5分鐘條件下高速離心。
(5) 將離心后的膠體納米分散液，從頂部等體積分批次取出(100ul/次，依次標(biāo)記為 fn)。最終得到尺寸不同的聚乙二醇修飾的氧化石墨烯。
用同樣密度梯度的清蛋白、甘油、蔗糖、甲泛葡胺、碘克沙醇溶液來進(jìn)行分離可以 取得類似效果。 實(shí)施例六
(l)首先，將lmg單壁碳納米管和5mg表面活性劑在5ml水中超聲分散，形成單壁 碳納米管膠體納米顆粒溶液。
(2)制作密度梯度:用質(zhì)量百分比為60%的碘克沙醇(密度為1. 32g/ml)溶液稀釋分別配制成2%、 5%、 7.5%的碘克沙醇溶液。各取0. 6ml配制成2%+5%+7. 5%的密度梯度溶液，再 在底部加入0.4ml 60%的碘克沙醇溶液。
(3) 將0. 2ml單壁碳納米管膠體納米顆粒溶液緩慢加到密度梯度溶液上。
(4) 25°C， 40000rpm， 180分鐘條件下高速離心。
(5) 將離心后的膠體納米分散液，從頂部等體積分批次取出G00ul/次，依次標(biāo)記為 fn)。。最終得到尺寸不同的單壁碳納米管。
分離結(jié)果參見圖7。密度梯度速率離心法不僅適用于零維、二維納米材料的分離，還同 樣適用于一維納米材料的分離。用同樣密度梯度的清蛋白、甘油、山梨醇、甲泛葡胺、蔗糖 溶液來進(jìn)行分離可以取得類似效果。
實(shí)施例七
(1) 首先，將lmg單壁碳納米管和5mg表面活性劑(熒光素-聚乙二醇5000)在5ml水中 超聲分散，形成單壁碳納米管膠體納米顆粒溶液。
(2) 制作密度梯度:用質(zhì)量百分比為60%的碘克沙醇(密度為1.32g/ml)溶液稀釋分別配 制成5%、 10%、 15%的碘克沙醇溶液。各取0. 6ml配制成5%+10%+15%的密度梯度溶液，最后再 在底部加入0.4ml 60%的碘克沙醇溶液。
(3) 將0. 2ml單壁碳納米管膠體納米顆粒溶液緩慢加到密度梯度溶液上。
(4) 15°C， 50000轉(zhuǎn)/分鐘，180分鐘條件下高速離心。
(5) 將離心后的膠體納米分散液，從頂部等體積分批次取出(100lil/次，依次標(biāo)記為fn)。 最終得到尺寸不同的單壁碳納米管。
(6) 制作密度梯度:用質(zhì)量百分比為60%的碘克沙醇(密度為1.32g/ml)溶液稀釋分別配 制成7. 5%、 10%、 12. 5%的碘克沙醇溶液。各取0. 6ml配制成7. 5°/。+10%+12. 5%的密度梯度溶液， 最后再在底部加入0. 4ml 60%的碘克沙醇溶液。
(7) 將取出的100ul fl4層單壁碳納米管膠體納米分散液緩慢加到密度梯度溶液上。此 時(shí)，單壁碳納米管的濃度為0. Olmg/ml.
(8) 15°C， 65000轉(zhuǎn)/分鐘，130分鐘條件下高速離心。
(9) 將離心后的膠體納米分散液，從頂部等體積分批次取出。再取出H4層進(jìn)行AFM表征 分析。通過比較尺寸分布圖，比較二次分離的效果。
分離結(jié)果參見圖8。從柱狀分布圖中可以看出通過改進(jìn)密度梯度，進(jìn)行二次分離可以提 高分離效果。用同樣密度梯度的清蛋白、甘油、山梨醇、甲泛葡胺、蔗糖溶液來進(jìn)行分離可 以取得類似效果。
實(shí)施例八
(1)首先，將約50mg包裹聚乙烯吡咯烷酮表面活性劑的銀納米顆粒在lml水中超聲 分散，形成50mg/ml銀膠體納米顆粒溶液。(2) 制作密度梯度將甘油溶液稀釋成60%、 70%、 80%、 90%的水溶液。各取2. 5ml 配制成60°/。+70%+80%+90%的密度梯度溶液。
(3) 將0. 4ml銀膠體納米顆粒溶液緩慢加到密度梯度溶液上。
(4) 15°C， 5000轉(zhuǎn)/分鐘，120分鐘條件下高速離心。
(5) 將離心后的膠體納米分散液，從頂部等體積分批次取出(2.5ml/次，依次標(biāo)記為 fn)。最終得到大小不同的銀納米顆粒。
分離結(jié)果參見圖9。用同樣密度的清蛋白、葡萄糖、山梨醇、甲泛葡胺、蔗糖溶液 來進(jìn)行分離可以取得類似效果。
權(quán)利要求
1.一種水相密度梯度離心速率分離納米顆粒的方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行a.將納米顆粒在水或含表面活性劑的水溶液中超聲，配制成質(zhì)量體積濃度為0.01-50mg/ml的膠體納米顆粒溶液；b.將密度梯度介質(zhì)分別配成質(zhì)量百分比在2％-70％之間不同濃度的水溶液，配制成密度梯度介質(zhì)溶液；c.依次移取密度梯度介質(zhì)溶液，加入超速離心管中，配成線性或階梯型密度梯度溶液；d.緩慢地將步驟a所得膠體納米顆粒溶液加到步驟c所得的密度梯度溶液上；e.在溫度為4-25℃，轉(zhuǎn)速為5000-65000轉(zhuǎn)/分鐘，時(shí)間為5-480分鐘的條件下高速離心，得到一種按照顆粒大小分布的膠體納米分散液；f.將得到的膠體納米分散液從頂部分批次取出，最終得到不同尺寸、不同性質(zhì)的納米顆粒。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水相密度梯度離心速率分離膠體納米顆粒的方法，其特征在 于所述膠體納米顆粒溶液的密度高于密度梯度介質(zhì)溶液的密度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水相密度梯度離心速率分離膠體納米顆粒的方法，其特征在 于所述的密度梯度溶液包括線性密度梯度和階梯式密度梯度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水相密度梯度離心速率分離膠體納米顆粒的方法，其特征 在于步驟a所述的納米顆粒是石墨烯、碳納米管、磁性納米顆粒、金屬納米顆粒、氧化物 納米顆?；虬雽?dǎo)體納米顆粒。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水相密度梯度離心速率分離膠體納米顆粒的方法，其特征 在于步驟a所述的納米顆粒的尺寸范圍從1納米到2微米。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水相密度梯度離心速率分離膠體納米顆粒的方法，其特征 在于步驟b所述用于配制密度梯度溶液的密度梯度介質(zhì)采用庶糖、清蛋白、甘油、山梨醇、 甲泛葡胺或碘克沙醇。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水相密度梯度離心速率分離膠體納米顆粒的方法，在步驟f結(jié) 束后，重復(fù)步驟c-e，進(jìn)行二次甚至多次分離，以優(yōu)化納米顆粒的尺寸分布。
全文摘要
一種水相密度梯度離心速率分離納米顆粒的方法，該方法主要包括以下步驟1)將納米顆粒通過超聲、攪拌等手段配制成均質(zhì)透明的膠體納米顆粒溶液；2)分別配制不同質(zhì)量百分比濃度的密度梯度溶液；3)在離心管中依次加入一定量的不同濃度的密度梯度介質(zhì)溶液，配成階梯型或線性密度梯度溶液；4)將含膠體納米顆粒的溶液緩慢地加到密度梯度溶液液面上，一定條件下離心。由于不同大小的膠體納米顆粒在密度梯度溶液中的沉降速率不同，它們能夠被滯留在密度梯度溶液的不同位置，從而達(dá)到分離的效果。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于方法簡單，分離快速，成本低廉，受樣品穩(wěn)定性和純度的影響小，可通過調(diào)控離心參數(shù)來選擇性地增強(qiáng)某一區(qū)間的分離效果。
文檔編號(hào)B03B5/32GK101559401SQ20091008558
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者劉軍楓, 孫曉明, 羅大超 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)