一种双亲性Janus金纳米粒子的制备方法与流程

本发明涉及金属纳米粒子合成技术领域，尤其涉及一种双亲性Janus金纳米粒子的制备方法。

背景技术：

Janus本意为古罗马的“双面神”。在1991年诺贝尔奖颁奖大会上，法国物理学家德热纳(De Gennes)首次用它来描述一类由两个半球组成，且具有两种截然不同化学性质的粒子。两面性使这种粒子能形成特殊结构，具备比单一性质的纳米粒子更多的应用前景。Janus粒子可以根据形貌分为雪人状、橡子状、哑铃状、双组分粒子、半覆盆子状等，也可以根据粒子的表面性质分为具有疏水和亲水分区的双亲Janus粒子及带有正、负电荷分区的Janus粒子。其中，双亲性Janus粒子的性质与表面活性剂分子相似，它的一面亲水，一面疏水，在油水界面吸附能力是同尺寸均一表面纳米粒子的3倍，不存在超细纳米粒子界面吸附不够稳定的问题，不仅可以作为Pickering乳液固体稳定剂，还可以用于抗癌药物封装、肿瘤显像与热疗、双相催化以及燃料电池等领域。

制备双亲性Janus粒子的方法主要有部分镶嵌法、模板法和液/液界面配体交换法等，其关键在于纳米粒子进行表面修饰的过程中防止纳米粒子翻转，导致修饰分子自由混合，难以形成亲、疏水分子的分区排布。部分镶嵌法主要用于较大尺寸的纳米粒子，如Granick(《Janus Colloidal Matchsticks》,Steve Granick et.al,J.Am.Chem.Soc.2012,134,12901-12903)等通过冷却固体石蜡的Pickering乳液来固定SiO₂粒子，避免了SiO₂粒子的自发性旋转，成功制备了具有荧光标记的Janus型SiO₂粒子，并可以一次制备克级以上量的Janus粒子。模板法主要是对纳米晶体生长或者表面修饰提供某种空间约束，进而得到非对称的结构，如Li等(《Amphiphilic Janus Gold Nanoparticles via Combining“Solid-StateGrafting-to”and“Grafting-from”Methods》,Christopher Y.Li et.al,J.AM.CHEM.SOC.2008,130,11594-11595)利用附着巯基的聚氧乙烯单晶(HS-PEO)作模板，运用固态接枝技术成功制备了PEO和PMMA修饰的双亲性Janus金纳米粒子；Chen等(Chen,T.et.al,J.Am.Chem.Soc.2008,130,11858～11859)则利用双亲性嵌段聚合物PS₁₅₄-b-PMAA₆₀作用下疏水和亲水小分子修饰金纳米粒子的微相分离，得到了Au-PS₁₅₄-b-PMAA₆₀的混合Janus粒子。利用不互溶液/液界面的分隔作用，可以通过配体交换制备双亲性Janus纳米粒子，如Luo等(《Multiple-Sized Amphiphilic Janus Gold Nanoparticles by Ligand Exchange at Toluene/Water Interface》,Kun Luo,et.al,J.Mater.Sci.Technol.2016,32(8):733-737)通过对三羟甲基氧化磷(THPO)保护的金纳米粒子进行甲苯/水界面进行配体交换，使甲苯中的三苯基磷(PPh₃)替换部分THPO附着于金纳米粒子的表面，配体替换导致界面吸附的金纳米粒子形成取向性，防止粒子的翻转，使得后续替换过程可以顺利进行，最终形成THPO和PPh₃两种配体保护的Janus金纳米粒子。

目前，双亲性Janus纳米粒子的制备方法普遍比较繁复，对仪器设备依赖程度高，后处理比较复杂。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双亲性Janus金纳米粒子的小批量制备方法，利用乳液反应一步制备双亲性Janus金纳米粒子，制备方法操作简单易行，具有良好的稳定性和重现性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种双亲性Janus金纳米粒子的制备方法，包含以下步骤：

(1)将三苯基磷氯金有机溶液与强碱性水溶液强烈搅拌混合，得到水包油结构乳液；

(2)将四羟甲基氯化磷水溶液引入所述步骤(1)得到的水包油结构乳液进行氧化还原反应，得到双亲性Janus金纳米粒子。

优选地，所述步骤(1)中三苯基磷氯金有机溶液的浓度为1～5mmol/L，所述强碱性水溶液的浓度为5～50mmol/L；所述三苯基磷氯金有机溶液与强碱性水溶液的体积比为1：1.2～3.0。

优选地，所述步骤(2)中水包油结构乳液中三苯基磷氯金与四羟甲基氯化磷的摩尔比为1:1～1.5。

优选地，所述步骤(2)中四羟甲基氯化磷水溶液的浓度为10～300mmol/L。

优选地，所述步骤(2)中氧化还原反应的时间为1～5h，所述氧化还原反应的温度为15～45℃。

优选地，所述步骤(1)中三苯基磷氯金有机溶液的溶剂包括甲苯、苯、二氯乙烷和硝基苯中的一种或几种的混合物。

优选地，所述步骤(2)中的氧化还原反应后还包括以下步骤：

将所述氧化还原反应得到的乳液体系中再加入有机溶剂，使有机溶剂总量与水溶液总量体积比为1.1～3：1，然后强烈搅拌混合，得到油包水乳液，通过相反转提高三苯基磷氯金利用率；

将所述油包水乳液分层，得到含有金纳米粒子的中间层；

将所述中间层依次进行分离、洗涤和干燥，得到双亲性Janus金纳米粒子。

优选地，所述有机溶剂包括甲苯、苯、二氯乙烷和硝基苯中的一种或几种的混合物。

优选地，所述干燥为冷冻干燥，所述冷冻干燥的温度为-60～-10℃，所述干燥的时间为24～48h。

本发明提供了一种双亲性Janus金纳米粒子的制备方法，将三苯基磷氯金有机溶液与强碱性水溶液强烈搅拌混合，得到水包油结构乳液，将四羟甲基氯化磷水溶液引入水包油结构乳液进行氧化还原反应，得到双亲性Janus金纳米粒子。为了提高三苯基磷氯金的利用率，对水包油结构乳液中加入体积超过水溶液对有机溶剂进行相反转，使氧化还原反应在油包水结构乳液中继续进行。本发明利用有机溶剂/水乳液反应一步制备双亲性Janus金纳米粒子，即利用三苯基磷氯金与四羟甲基氯化磷在有机溶剂/水乳滴微界面反应，形成小批量双亲性Janus金纳米粒子，制得的Janus金纳米粒子可在室温环境下稳定保存，并可以方便地分散到N,N-二甲基甲酰胺或氯仿中，形成双亲性Janus金纳米粒子单分散胶体溶液，便于在催化剂或药物封装等领域的应用。本发明提供的双亲性Janus金纳米粒子的制备方法操作简单易行，具有良好的稳定性和重现性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例1制备的双亲性Janus金纳米粒子的透射电镜照片；

图2为本发明实施例1制备的双亲性Janus金纳米粒子的粒径分析结果；

图3为本发明实施例1制备的双亲性Janus金纳米粒子的高分辨透射电镜分析谱图；

图4为本发明实施例1制备的双亲性Janus金纳米粒子的选区电子衍射分析谱图；

图5为本发明实施例1制备的双亲性Janus金纳米粒子红外光谱；

图6为本发明实施例1制备的双亲性Janus金纳米粒子拉曼光谱；

图7为本发明实施例1制备的双亲性Janus金纳米粒子X光电子能谱；

图8为本发明实施例1制备的双亲性Janus金纳米粒子¹H NMR谱图；

图9为本发明实施例1制备的双亲性Janus金纳米粒子NOESY二维核磁共振分析谱图。

具体实施方式

本发明提供了一种双亲性Janus金纳米粒子的制备方法，包含以下步骤：

(1)将三苯基磷氯金有机溶液与强碱性水溶液强烈搅拌混合，得到水包油结构乳液；

(2)将四羟甲基氯化磷水溶液引入所述步骤(1)得到的水包油结构乳液进行氧化还原反应，得到双亲性Janus金纳米粒子。

本发明将三苯基磷氯金有机溶液与强碱性水溶液强烈搅拌混合，得到水包油结构乳液。在本发明中，所述三苯基磷氯金与强碱性水溶液中OH^-的摩尔比优选为1：5～60，更优选为1：20～50，最优选为1：30～40。

所述三苯基磷氯金有机溶液的浓度优选为1～5mmol/L，更优选为2～4mmol/L；所述强碱性水溶液的浓度优选为5～50mmol/L，更优选为10～40mmol/L，最优选为25～35mmol/L；所述三苯基磷氯金有机溶液与强碱性水溶液的体积比优选为1：1.2～3.0，更优选为1：2～2.5。

在本发明中，所述三苯基磷氯金有机溶液的有机溶剂优选包括苯、甲苯、二氯乙烷和硝基苯中的一种或几种的混合物，更优选为苯、甲苯和硝基苯中的一种或两种；当有机溶剂为两种时，优选为苯和甲苯的混合物，本发明对有机溶剂中苯和甲苯的质量比没有限制，本领域技术人员可根据实际需要选择任意质量比的苯和甲苯的有机溶剂混合物。

在本发明中，对所述强碱性水溶液中强碱性物质的种类没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的强碱性物质即可；在本发明中，所述强碱性物质优选为氢氧化物，更优选为氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化钙中的一种或几种的混合物，更优选为氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化钙中的一种或两种；当所述强碱性物质为两种时，优选为氢氧化钾和氢氧化钠的混合物，本发明对强碱性物质中氢氧化钾和氢氧化钠的质量比没有限制，本领域技术人员可根据实际需要选择任意质量比的氢氧化钾和氢氧化钠的强碱性物质混合物。

本发明对所述混合的方式没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可；在本发明的实施例中，优选采用搅拌方式混合，本发明对搅拌方式没有特殊要求，按照本领域人员所熟知的技术手段进行强烈搅拌，能够形成均匀的乳液即可，更优选为在乳化机中进行搅拌，所述乳化机的搅拌速率优选为2000～8000rpm，更优选为3000～6000rpm，最优选为3500～4500rpm；所述乳化机的搅拌时间优选为5～30min，更优选为10～25min，最优选为15～20min。

得到水包油结构乳液后，本发明将所述水包油结构乳液与四羟甲基氯化磷水溶液混合进行氧化还原反应，得到双亲性Janus金纳米粒子。

在本发明中，所述水包油结构乳液中三苯基磷氯金与四羟甲基氯化磷的摩尔比优选为1：1～1.5，更优选为1：1～1.2，最优选为1：1～1.1。

在本发明中，所述四羟甲基氯化磷水溶液的浓度优选为10～300mmol/L，更优选为10～100mmol/L，最优选为40～60mmol/L。在本发明中，所述四羟甲基氯化磷水溶液与水包油结构乳液的体积比为1：60～120，更优选为1：70～100，最优选1：80～95。

在本发明中，所述氧化还原反应的时间优选为1～5h，更优选为3～4h；所述氧化还原反应的温度优选为15～45℃，更优选为20～25℃。

在氧化还原反应中，三苯基磷氯金在界面被四羟甲基氯化磷还原形成金纳米粒子，反应产物中的三苯基磷和三羟甲基氧化磷也随之吸附于金纳米粒子表面。由于液/液界面的分隔与限制作用，这两种有机磷小分子分别吸附于纳米金接触甲苯和水的区域的界面上，形成双亲性Janus金纳米粒子。

本发明对所述水包油结构乳液与四羟甲基氯化磷水溶液的混合时的加料顺序没有特殊的限定。在本发明实施例中优选将四羟甲基氯化磷水溶液注入水包油结构乳液中。

本发明对所述水包油结构乳液与四羟甲基氯化磷水溶液的混合的方式没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的强烈搅拌混合方式即可；在本发明的实施例中，优选采用乳化机搅拌方式混合，所述搅拌的转速优选为2000～8000rpm，更优选为3000～6000rpm，最优选为3500～4500rpm；所述搅拌的时间优选为5～30min，更优选为10～25min，最优选为15～20min。

在本发明中，所述氧化还原反应后，为了使氧化还原反应更加完全，本发明优选将得到的反应液进行后处理，得到双亲性Janus金纳米粒子，所述后处理优选包括以下步骤：

将所述氧化还原反应得到的乳液体系中再加入有机溶剂，然后强烈搅拌混合，得到油包水乳液，通过相反转提高三苯基磷氯金利用率；

将所述油包水乳液分层，得到含有金纳米粒子的中间层；

将所述中间层依次进行分离、洗涤和干燥，得到双亲性Janus金纳米粒子。

本发明将氧化还原产物与有机溶剂混合，得到油包水乳液。在本发明中，所述有机溶剂优选包括苯、甲苯、二氯乙烷和硝基苯中的一种或几种的混合物，更优选为苯、甲苯和硝基苯中的一种或两种；当有机溶剂选择上述两种时，优选为苯和甲苯的混合物，本发明对有机溶剂中苯和甲苯的质量比没有限制，本领域技术人员可根据实际需要选择任意质量比的苯和甲苯的有机溶剂混合物。

在本发明中，所述使有机溶剂总量与水溶液总量体积比为1.1～3:1,最优选为1.2～1.5:1。

得到油包水乳液后，本发明将所述油包水乳液分层，得到含有金纳米粒子的中间层，所述油包水乳液分层后，将下层的水溶液移除，得到含有金纳米粒子的中间层，上层为有机层。在本发明中，对所述分层的方式没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的分层方式即可；在本发明实施例中优选采用分液漏斗静置的方式进行，所述静置的时间优选为8～24h，更优选为12～20h，最优选为15～18h。

得到含有金纳米粒子的中间层后，本发明将所述中间层依次进行分离、洗涤和干燥，得到双亲性Janus金纳米粒子。本发明对所述分离的方式没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的分离方式即可；在本发明实施例中优选采用离心分离的方式进行，所述离心分离的转速优选为8000～14000rpm，更优选为10000～13000rpm，最优选为11000～12000rpm；所述离心分离的时间优选为5～40min，更优选为10～35min，最优选为15～30min。

在本发明中，所述洗涤的洗涤剂包括去离子水和丙酮。在本发明实施例中，依次进行水洗和丙酮洗，所述洗涤的次数独立地优选为2～5次，更优选为3～4次。

在本发明中，对所述干燥的方式没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的干燥方式即可；在本发明实施例中，所述干燥方式优选为冷冻干燥，所述冷冻干燥的温度优选为-60～-10℃，更优选为-50～-20℃，最优选为-40～-30℃；所述干燥的时间优选为24～48h，更优选为30～45h，最优选为35～40h。

本发明提供了一种双亲性Janus金纳米粒子的制备方法，将三苯基磷氯金有机溶液与强碱性水溶液混合，得到水包油结构乳液，将水包油结构乳液与四羟甲基氯化磷水溶液混合进行氧化还原反应，得到双亲性Janus金纳米粒子，利用有机溶剂/水乳液反应一步制备双亲性Janus金纳米粒子，三苯基磷氯金在有机溶剂/水界面被四羟甲基氯化磷还原形成金纳米粒子，反应产物中的三苯基磷和三羟甲基氧化磷也随之吸附于金纳米粒子表面，由于液/液界面的分隔与限制作用，这两种有机磷小分子分别吸附于纳米金接触有机溶剂和水的区域的界面上，形成双亲性Janus金纳米粒子，即利用三苯基磷氯金与四羟甲基氯化磷在有机溶剂/水乳滴微界面反应，形成小批量双亲性Janus金纳米粒子，制得的Janus金纳米粒子可在室温环境下稳定保存，并可以方便地分散到N,N-二甲基甲酰胺或氯仿中，形成双亲性Janus金纳米粒子单分散胶体溶液，便于在催化剂或药物封装等领域的应用。本发明提供的双亲性Janus金纳米粒子的制备方法操作简单易行，具有良好的稳定性和重现性。

下面结合实施例对本发明提供的双亲性Janus金纳米粒子的制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

在250mL的锥形瓶中加入80mL、31.25mmol/L的氢氧化钠水溶液，接着加入50mL、1.5mmol/L三苯基磷氯金甲苯溶液，在4000r/min的乳化机中混合30min，形成水包油结构乳液。

用移液器将1.65mL、50mmol/L的四羟甲基氯化磷水溶液缓慢地注入水包油结构乳液中，于30℃下反应2h。向反应产物中再加入50mL甲苯进行乳液反转，形成油包水乳液，将油包水乳液转入分液漏斗，在室温中静置8h进行分层，将分液漏斗下层的水溶液移除，得到处于中间的含有纳米粒子的液层。将含有纳米粒子的液层放入离心机内以8000r/min转速离心分离30min，将溶液移除后加入去离子水和丙酮，各进行3次清洗，清洗后残留固体在-60℃下冷冻干燥24h，即获得双亲性Janus金纳米粒子。

采用透射电镜、红外光谱、拉曼光谱和X光电子能谱分析表征双亲性Janus金纳米粒子的结构与表面成分，采用NOESY二维核磁共振分析配体的排布，确定表面修饰分子的空间排布。取分液漏斗上层甲苯溶液分析三苯基磷氯金含量，测定还原转化率。结果表明，所获双亲性Janus金纳米粒子为直径为2nm左右的纳米晶体，表面含有三苯基氧化磷和三羟甲基氧化磷分子，且分区排布在纳米粒子两个半球，有多达92％的三苯基磷氯金转化为双亲性Janus金纳米粒子。

图1为双亲性Janus金纳米粒子的透射电镜照片，图2为双亲性Janus金纳米粒子的粒径分析结果，从图1、2中可以看出，制备得到的Janus金纳米粒子的平均直径在2nm左右。

图3为双亲性Janus金纳米粒子的高分辨透射电镜分析，发现了金纳米粒子特有的晶格条纹，证明了双亲性Janus金纳米粒子由纳米晶组成。

图4为双亲性Janus金纳米粒子的选区电子衍射分析，进一步表明了金纳米粒子为多晶结构。

图5为双亲性Janus金纳米粒子红外光谱分析结果，可以看出：在高频区3429cm^-1处的峰对应于-OH的伸缩振动；1632cm^-1、568cm^-1处出现的峰对应于芳香族苯环的骨架伸缩振动和苯环上的C-H面外弯曲振动，说明有配体三苯基磷(PPh₃)或三苯基氧化磷(PPh₃O)的存在；1373cm^-1、1123及1034cm^-1处出现的峰对应于醇类-OH基团的面内弯曲振动和C-O的伸缩振动，说明有配体THP或THPO的存在。

图6为双亲性Janus金纳米粒子拉曼光谱分析，可以看出在4个位置出现了较为明显的Raman散射峰：在570cm^-1的微小振动峰，对应于C-P的伸缩振动峰，2842cm^-1处的峰对应的-OH的伸缩振动峰，对应于为配体三羟甲基磷(THP)及三羟甲基氧化磷(THPO)；在1367cm^-1和1586cm^-1位置出现的两个大的振动峰，分别为苯环的伸缩和苯环的简并环伸缩引起的，其位置较单一苯环有所偏移，很可能是因为取代基的干扰，表明配体三苯基磷(PPh₃)或三苯基氧化磷(PPh₃O)的存在。

图7为双亲性Janus金纳米粒子X光电子能谱分析分峰拟合结果，根据XPS总谱分析，可以发现Janus金纳米粒子上面有4个主要的峰，分别对应于O_1s，C_1s，P_2p和Au_4f。将以上结果进行分峰拟合分析，可以得到亲、疏水两类配体的成分，并估算两种配体比例关系。

对C元素分峰拟合，在284.8eV、285.5eV和286.6eV处得到三个峰，对应于苯环中的C-C键，C-OH和C＝O键，由此估算疏水配体(PPh₃和PPh₃O)含量为68.66％，亲水配体(THP和THPO)含量为11.11％，考虑到疏水配体每个分子带有18个C原子，而亲水配体每个分子带有3个C原子，因此疏水配体与亲水配体分子比例为1.03:1。

对P元素分峰拟合，在130.8eV,131.6eV,132.2eV,133.2eV和134.4eV得到5个峰,分别对应于PPh₃(28.67％),THP(14.03％),PPh₃O(18.07％),THPO(35.64％)，Au(PPh₃)Cl(3.59％)，由此估算疏水配体(PPh₃和PPh₃O)和亲水配体(THP和THPO)含量分别为22.55％和20.23％，亲疏水配体分子比例约为1.11:1，这与C元素的拟合结果接近。

对O元素进行分峰拟合，在530.5eV,531.4eV和532.2eV处获得3个峰,分别对应于P＝O,C-OH和C＝O键。对Au元素进行分峰拟合，在83.9eV和87.6eV处得到2个峰,对应于Au_4f7/2和Au_4f5/2单质金，而在85.0eV处对小峰应当归结于Au⁺_4f7/2(<2.9％),表明Au(PPh₃)_xCl(x＝1或2)的存在。

以上分析结果都表明，在双亲性Janus金纳米粒子表面存在有含量接近的疏水配体(PPh₃和PPh₃O)和亲水配体(THP和THPO)。

图8为双亲性Janus金纳米粒子¹H NMR谱图，可以看到5个峰，其中在0.85ppm是的峰对应于-OH基团，在1.27ppm的峰对应于-CH₂基团，由此可知在双亲性Janus金纳米粒子表面上有亲水的THP或THPO分子存在。1.56ppm位置的峰对应于是H₂O，在7.26ppm位置的峰对应于溶剂CDCl₃。7.52ppm的峰对应于-C₆H₅基团，表明疏水配体PPh₃和PPh₃O的存在。通过分峰拟合估算亲疏水配体的比例1.27:1，略高于XPS分析结果。上述分析表明双亲性Janus金纳米粒子表面存在含量相当的亲疏水配体。

图9为双亲性Janus金纳米粒子NOESY二维核磁共振分析谱图，可以看出，所制备的金纳米粒子上表面配体分子之间的交互作用集中出现在对角线上，而在并且另一个对角线方向上没有任何图像，说明交互作用只发生在同类分子之间，亦即亲疏水配体实际上是分别排布在金纳米粒子表面的两个半球上，具有双亲性Janus纳米粒子结构。

实施例2

在250mL的锥形瓶中加入80mL、50mmol/L的氢氧化钠水溶液，接着加入50mL、2mmol/L三苯基磷氯金甲苯溶液，在3000r/min的乳化机中混合20min，形成水包油结构乳液。

用移液器将2mL、60mmol/L的四羟甲基氯化磷水溶液缓慢地注入水包油结构乳液中，于15℃下反应5h。向反应产物中再加入60mL甲苯进行乳液反转，形成油包水乳液，将油包水乳液转入分液漏斗，在室温中静置24h进行分层，将分液漏斗下层的水溶液移除，得到处于中间的含有纳米粒子的液层。将含有纳米粒子的液层放入离心机内以14000r/min转速离心分离5min，将溶液移除后加入去离子水和丙酮，各进行3次清洗，清洗后残留固体在-10℃下冷冻干燥48h，即获得双亲性Janus金纳米粒子。

实施例3

在250mL的锥形瓶中加入60mL、20mmol/L的氢氧化钠水溶液，接着加入30mL、2mmol/L三苯基磷氯金甲苯溶液，在3000r/min的乳化机中混合25min，形成水包油结构乳液。

用移液器将1mL、80mmol/L的四羟甲基氯化磷水溶液缓慢地注入水包油结构乳液中，于20℃下反应3h。向反应产物中再加入60mL甲苯进行乳液反转，形成油包水乳液，将油包水乳液转入分液漏斗，在室温中静置12h进行分层，将分液漏斗下层的水溶液移除，得到处于中间的含有纳米粒子的液层。将含有纳米粒子的液层放入离心机内以10000r/min转速离心分离15min，将溶液移除后加入去离子水和丙酮，各进行3次清洗，清洗后残留固体在-20℃下冷冻干燥30h，即获得双亲性Janus金纳米粒子。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。