专利名称：一种水相密度梯度离心速率分离纳米颗粒的方法
技术领域：
本发明涉及一种分离纳米颗粒的方法，特别是一种按照纳米颗粒的尺寸和性质，在液相 中依据颗粒沉降速率不同进行分离的方法，属于无机先进材料分离工艺技术领域。
背景技术：
自二十世纪八十年代以来发展起来的纳米科技已经在电子、机械、物理、材料、化学、 生物等领域导致了革命性的进步。 一系列之前未曾想象的优良性能在纳米材料上逐渐被发现 和认识。比如，碳纳米管(Nature， 1991， 354, 56 - 58)和石墨烯(Science, 2004, 306. 666-669)， 具有超强的机械特性和优异的导电特性，引起电子、物理、材料等学科的广泛关注，被认为 将导致半导体工业的革命(Science. 2008， 319. 1229-1232 ; Nature Mater. 2007， 6， 183 - 191)。
液相合成法和气相沉积法是目前主要的纳米材料合成方法(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;)。但是这些方法获得的纳米颗粒往 往由于合成方法的限制，尺寸分布在一个较宽的范围之内，结构也不尽均一，而纳米体系的 特异之处恰恰在于其物性与颗粒的尺寸与结构存在密切的联系。从应用的角度，也必须提高 纳米材料的单分散度。比如，将纳米颗粒应用于药物载体时存在明显的尺寸选择性(Nano Res. 2008， 1， 203-212)，如果将宽尺寸分布的纳米颗粒应用于药物载体，必定会有由于其本身尺 寸的不均一性导致选择性的降低。
因此，如何获得尺寸均一的纳米颗粒成为当前的一个重点和难点问题。在此之前的努力 主要集中在合成方法的优化，从而一次性获得具有单分散尺寸的颗粒。但是，特定化合物的 合成往往需要特定的条件，需要大量的实验来获得某种化合物的合成条件，其重复性和稳定 些也有待于进一步提高。因此，发展合成后分离成为提升纳米材料质量的一个新的重要手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用水相密度梯度离心速率分离纳米颗粒的方法，从而克服当 前一些分离技术需要较长时间，成本较高，受样品稳定性和纯度的影响较大且方法复杂的缺 陷和不足。另外该方法可以与现有的自动化方法结合使用，以适应商业规模的生产。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案
一种水相密度梯度离心速率分离胶体纳米颗粒的方法,其特征在于该方法的具体步骤为 a.将纳米颗粒在水或含表面活性剂的水溶液中超声，配制成质量体积浓度为(0. 01-50mg/ml的胶体纳米颗粒溶液；
b. 将密度梯度介质分别配成质量百分比在2%-70%之间不同浓度的水溶液，配制成密度 梯度介质溶液；
c. 依次移取密度梯度介质溶液，加入超速离心管中，配成线性或阶梯型密度梯度溶液;
d. 缓慢地将步骤a所得胶体纳米颗粒溶液加到步骤c所得的密度梯度溶液上；
e. 在温度为4-25°C，转速为5000-65000转/分钟，时间为5-480分钟的条件下高速 离心，得到一种按照颗粒大小分布的胶体纳米分散液；
f. 将得到的胶体纳米分散液从顶部分批次取出，最终得到不同尺寸、不同性质的纳米颗粒。
上述技术方案中所用的胶体纳米颗粒溶液的密度要高于密度梯度溶液介质的密度。 用于分离的纳米颗粒是石墨烯、碳纳米管、磁性纳米颗粒、金属纳米颗粒、氧化物纳米 颗粒或半导体纳米颗粒。
技术方案步骤a所述的纳米颗粒的尺寸范围从1纳米到2微米。
技术方案步骤b所述用于配制密度梯度溶液的密度梯度介质采用蔗糖、清蛋白、甘油、 山梨醇、甲泛葡胺或碘克沙醇。
技术方案步骤f结束后，重复步骤c-e,进行二次甚至多次分离，以优化纳米颗粒的尺寸 分布。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果①分离效果好，可一次获得较纯样 品；②分离尺寸范围广，从纳米到微米范围;③该方法既可以按照尺寸大小进行分离，又可按 照不同功能分离；④通过调节离心参数实现不同的分离目的；⑤该方法是一种无损分离的方 法。6)本发明方法工艺简单，操作方便，可以实现工业化生产。
图1是本发明密度梯度离心速率分离纳米颗粒的分离机理示意图。 图2是本发明实施例二不同粒径An颗粒离心后的数码照片。 图3是本发明实施例二不同粒径Au颗粒离心后不同位置的TEM照片。 图4是本发明实施例一 4nm FeCo@C纳米颗粒在离心210分钟后的不同位置的TEM照片。 图5是本发明实施例三离心后不同位置组分氧化石墨烯的AFM照片。 图6是本发明实施例四离心后不同位置组分化学还原石墨烯的AFM照片。 图7是本发明实施例六离心后的单壁碳纳米管的AFM照片。 图8是本发明实施例七单次离心及二次离心后在同一位置的AFM照片及分布图。 图9是本发明实施例八离心后的TEM照片。
具体实施例方式
本发明提供的密度梯度离心速率分离方法的原理是将胶体纳米颗粒溶液置于一定的密度梯度溶液之上，并对体系施加离心力时，纳米颗粒会在离心力的作用下沿轴向向外移动。 不同的被分离物由于密度、大小等不同，会受到不同的浮力和粘滞阻力作用，从而在同样的 密度梯度中表现出不同的定向运动行为，因此会在一定时间之后，依据纳米颗粒的尺寸、密 度等特征，在密度梯度中达到一定的空间分布(见附图1)。由于该分离方法简便易行，分离 快速，成本低廉，受样品稳定性和纯度的影响小，可以直接将制备出来的纳米颗粒不经过预 处理直接分离，同时还可通过调控离心参数来选择性地增强某一区间的分离效果，是一种分 离纳米材料的普适方法。
本发明提供的一种水相密度梯度离心速率分离胶体纳米颗粒的方法,其特征在于该方法 按如下步骤进行
a. 将纳米颗粒在水或含表面活性剂的水溶液中超声，配制成质量体积浓度为 0. 01-50mg/ml的胶体纳米颗粒溶液；
b. 将密度梯度介质分别配成质量百分比在2%-70%之间不同浓度的水溶液，配制成密度 梯度介质溶液；
c. 依次移取密度梯度介质溶液，加入超速离心管中，配成线性或阶梯型密度梯度溶液；
d. 缓慢地将步骤a所得胶体纳米颗粒溶液加到步骤c所得的密度梯度溶液上；
e. 在温度为4-25°C，转速为5000-65000转/分钟，时间为5-480分钟的条件下高速 离心，得到一种按照颗粒大小分布的胶体纳米分散液；
f. 将得到的胶体纳米分散液从顶部分批次取出，最终得到不同尺寸、不同性质的纳米颗粒。
上述技术方案中所用的胶体纳米颗粒溶液的密度要高于密度梯度介质溶液的密度。 用于分离的纳米颗粒是石墨烯、碳纳米管、磁性纳米颗粒、金属纳米颗粒、氧化物纳米 颗粒或半导体纳米颗粒。
技术方案步骤a所述的纳米颗粒的尺寸范围从1纳米到2微米。
技术方案步骤b所述用于配制密度梯度溶液的密度梯度介质采用蔗糖、清蛋白、甘油、 山梨醇、甲泛葡胺或碘克沙醇。
技术方案步骤f结束后，重复步骤c-e，进行二次甚至多次分离，以优化纳米颗粒的尺 寸分布。
该方法存在一个离心时间与密度梯度的最佳搭配区域。可以通过增加步骤c所用密度梯 度溶液的浓度，或者縮短步骤e中的离心时间，增加对于大颗粒的分离效果；反之，也可以 通过减小步骤c所用密度梯度溶液的浓度，或者延长步骤e中的离心时间，增加对于小颗粒 的分离效果。
下面以纳米金颗粒、磁性FeCo纳米颗粒、石墨烯、碳纳米管、银纳米棒等纳米颗粒为 例说明如何使用本方法，最终得到尺寸连续且范围较窄的金颗粒、FeCoiC颗粒、石墨烯、碳纳米管、银纳米棒等纳米颗粒组分。 实施例一
(1) 首先，将O. lmg含有5nm、 10nm和20nm的Au纳米颗粒悬浮液加入巯基-聚乙二 醇5000水溶液中，进行超声分散，之后经浓縮使其体积减小为0.2ml。
(2) 制作密度梯度:用质量百分比为60%的碘克沙醇(密度为1. 32g/ml)溶液稀释分 别配制成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) 将0. 2ml混合Au胶体纳米颗粒溶液缓慢加到密度梯度溶液上。
(4) 15°C， 50000转/分钟，15分钟条件下高速离心。
(5) 将离心后的胶体纳米分散液，从顶部等体积分批次取出(100ul/次，依次标记为 fn)。最终得到大小不同的Au纳米颗粒。
分离结果参见图2， 3。用同样密度梯度的蔗糖、清蛋白、甘油、山梨醇、甲泛葡胺溶液 来进行分离可以取得类似效果。 实施例二
(1) 首先，将约0. 5mg 4nm FeCo@C纳米颗粒在5ml浓度为lmg/ml的磷脂-甲基聚乙 二醇5000表面活性剂溶液中超声分散，形成0. lmg/ml的FeCo@C胶体纳米颗粒溶液。
(2) 制作密度梯度:用质量百分比为60%的碘克沙醇(密度为1. 32g/ml)溶液稀释分 别配制成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) 将0. 2ml FeCo@C胶体纳米颗粒溶液缓慢加到密度梯度溶液上。
(4) l(TC， 45000转/分钟，210分钟条件下高速离心。
(5) 将离心后的胶体纳米分散液，从顶部等体积分批次取出(100ul/次，依次标记为 fn)。最终得到大小不同的FeCo@C纳米颗粒。
分离结果参见图4。用同样密度的清蛋白、甘油、山梨醇、甲泛葡胺、蔗糖溶液来进行 分离可以取得类似效果。 实施例三
(1) 首先，将氧化石墨在水中超声，制成约2mg/ml氧化石墨烯胶体纳米颗粒溶液。
(2) 制作密度梯度首先配成质量百分比为70% (密度为1.34g/ral)的蔗糖溶液， 再将70%蔗糖溶液稀释分别配制成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) 将0. 2ml氧化石墨烯胶体纳米颗粒溶液缓慢加到密度梯度溶液上。
(4) 15°C， 50000转/分钟，15分钟条件下高速离心。
(5) 将离心后的胶体纳米分散液，从顶部等体积分批次取出(100ul/次，依次标记为fn)。最终得到尺寸不同的氧化石墨烯。
分离结果参见图5。用同样密度梯度的清蛋白、甘油、山梨醇、甲泛葡胺、碘克沙 醇溶液来进行分离可以取得类似效果。 实施例四
(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%的氨水溶液混合均匀后，在95水浴lh，形成化学还原石墨烯胶体纳米颗粒溶液。
(2) 制作密度梯度首先配成质量百分比为70% (密度为1.34g/ml)的蔗糖溶液， 再将70%蔗糖溶液稀释分别配制成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) 将0. 2ml化学还原石墨烯胶体纳米颗粒溶液缓慢加到密度梯度溶液上。
(4) 20°C， 50000转/分钟，15分钟条件下高速离心。
(5) 将离心后的胶体纳米分散液，从顶部等体积分批次取出(100ul/次，依次标记为 fn)。最终得到尺寸不同的还原石墨烯。
分离结果参见图6。由AFM图可知，化学还原石墨烯也可以通过此方法进行分离。 用同样密度梯度的清蛋白、甘油、山梨醇、甲泛葡胺、碘克沙醇溶液来进行分离可以取得类 似效果。
实施例五
(1) 首先，取5ml氧化石墨烯溶液，加入1.2gNaOH和lg氯乙酸，超声制备出含羧基 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-碳二亚胺盐酸盐超 声形成聚乙二醇修饰的氧化石墨烯胶体纳米颗粒溶液。
(2) 制作密度梯度首先配成质量百分比为20%和70%的的山梨醇溶液，通过密度梯 度仪配制20%-70%的线性密度梯度溶液。
(3) 将0. 2ml聚乙二醇修饰的氧化石墨烯胶体纳米颗粒溶液缓慢加到密度梯度溶液上。
(4) 4"C， 50000转/分钟，5分钟条件下高速离心。
(5) 将离心后的胶体纳米分散液，从顶部等体积分批次取出(100ul/次，依次标记为 fn)。最终得到尺寸不同的聚乙二醇修饰的氧化石墨烯。
用同样密度梯度的清蛋白、甘油、蔗糖、甲泛葡胺、碘克沙醇溶液来进行分离可以 取得类似效果。 实施例六
(l)首先，将lmg单壁碳纳米管和5mg表面活性剂在5ml水中超声分散，形成单壁 碳纳米管胶体纳米颗粒溶液。
(2)制作密度梯度:用质量百分比为60%的碘克沙醇(密度为1. 32g/ml)溶液稀释分别配制成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) 将0. 2ml单壁碳纳米管胶体纳米颗粒溶液缓慢加到密度梯度溶液上。
(4) 25°C， 40000rpm， 180分钟条件下高速离心。
(5) 将离心后的胶体纳米分散液，从顶部等体积分批次取出G00ul/次，依次标记为 fn)。。最终得到尺寸不同的单壁碳纳米管。
分离结果参见图7。密度梯度速率离心法不仅适用于零维、二维纳米材料的分离，还同 样适用于一维纳米材料的分离。用同样密度梯度的清蛋白、甘油、山梨醇、甲泛葡胺、蔗糖 溶液来进行分离可以取得类似效果。
实施例七
(1) 首先，将lmg单壁碳纳米管和5mg表面活性剂(荧光素-聚乙二醇5000)在5ml水中 超声分散，形成单壁碳纳米管胶体纳米颗粒溶液。
(2) 制作密度梯度:用质量百分比为60%的碘克沙醇(密度为1.32g/ml)溶液稀释分别配 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) 将0. 2ml单壁碳纳米管胶体纳米颗粒溶液缓慢加到密度梯度溶液上。
(4) 15°C， 50000转/分钟，180分钟条件下高速离心。
(5) 将离心后的胶体纳米分散液，从顶部等体积分批次取出(100lil/次，依次标记为fn)。 最终得到尺寸不同的单壁碳纳米管。
(6) 制作密度梯度:用质量百分比为60%的碘克沙醇(密度为1.32g/ml)溶液稀释分别配 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) 将取出的100ul fl4层单壁碳纳米管胶体纳米分散液缓慢加到密度梯度溶液上。此 时，单壁碳纳米管的浓度为0. Olmg/ml.
(8) 15°C， 65000转/分钟，130分钟条件下高速离心。
(9) 将离心后的胶体纳米分散液，从顶部等体积分批次取出。再取出H4层进行AFM表征 分析。通过比较尺寸分布图，比较二次分离的效果。
分离结果参见图8。从柱状分布图中可以看出通过改进密度梯度，进行二次分离可以提 高分离效果。用同样密度梯度的清蛋白、甘油、山梨醇、甲泛葡胺、蔗糖溶液来进行分离可 以取得类似效果。
实施例八
(1)首先，将约50mg包裹聚乙烯吡咯烷酮表面活性剂的银纳米颗粒在lml水中超声 分散，形成50mg/ml银胶体纳米颗粒溶液。(2) 制作密度梯度将甘油溶液稀释成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) 将0. 4ml银胶体纳米颗粒溶液缓慢加到密度梯度溶液上。
(4) 15°C， 5000转/分钟，120分钟条件下高速离心。
(5) 将离心后的胶体纳米分散液，从顶部等体积分批次取出(2.5ml/次，依次标记为 fn)。最终得到大小不同的银纳米颗粒。
分离结果参见图9。用同样密度的清蛋白、葡萄糖、山梨醇、甲泛葡胺、蔗糖溶液 来进行分离可以取得类似效果。
权利要求
1.一种水相密度梯度离心速率分离纳米颗粒的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行a.将纳米颗粒在水或含表面活性剂的水溶液中超声，配制成质量体积浓度为0.01-50mg/ml的胶体纳米颗粒溶液；b.将密度梯度介质分别配成质量百分比在2％-70％之间不同浓度的水溶液，配制成密度梯度介质溶液；c.依次移取密度梯度介质溶液，加入超速离心管中，配成线性或阶梯型密度梯度溶液；d.缓慢地将步骤a所得胶体纳米颗粒溶液加到步骤c所得的密度梯度溶液上；e.在温度为4-25℃，转速为5000-65000转/分钟，时间为5-480分钟的条件下高速离心，得到一种按照颗粒大小分布的胶体纳米分散液；f.将得到的胶体纳米分散液从顶部分批次取出，最终得到不同尺寸、不同性质的纳米颗粒。
2. 根据权利要求1所述的水相密度梯度离心速率分离胶体纳米颗粒的方法，其特征在 于所述胶体纳米颗粒溶液的密度高于密度梯度介质溶液的密度。
3. 根据权利要求1所述的水相密度梯度离心速率分离胶体纳米颗粒的方法，其特征在 于所述的密度梯度溶液包括线性密度梯度和阶梯式密度梯度。
4. 根据权利要求1或2所述的水相密度梯度离心速率分离胶体纳米颗粒的方法，其特征 在于步骤a所述的纳米颗粒是石墨烯、碳纳米管、磁性纳米颗粒、金属纳米颗粒、氧化物 纳米颗粒或半导体纳米颗粒。
5. 根据权利要求1或2所述的水相密度梯度离心速率分离胶体纳米颗粒的方法，其特征 在于步骤a所述的纳米颗粒的尺寸范围从1纳米到2微米。
6. 根据权利要求1或2所述的水相密度梯度离心速率分离胶体纳米颗粒的方法，其特征 在于步骤b所述用于配制密度梯度溶液的密度梯度介质采用庶糖、清蛋白、甘油、山梨醇、 甲泛葡胺或碘克沙醇。
7. 根据权利要求1所述的水相密度梯度离心速率分离胶体纳米颗粒的方法，在步骤f结 束后，重复步骤c-e，进行二次甚至多次分离，以优化纳米颗粒的尺寸分布。
全文摘要
一种水相密度梯度离心速率分离纳米颗粒的方法，该方法主要包括以下步骤1)将纳米颗粒通过超声、搅拌等手段配制成均质透明的胶体纳米颗粒溶液；2)分别配制不同质量百分比浓度的密度梯度溶液；3)在离心管中依次加入一定量的不同浓度的密度梯度介质溶液，配成阶梯型或线性密度梯度溶液；4)将含胶体纳米颗粒的溶液缓慢地加到密度梯度溶液液面上，一定条件下离心。由于不同大小的胶体纳米颗粒在密度梯度溶液中的沉降速率不同，它们能够被滞留在密度梯度溶液的不同位置，从而达到分离的效果。本发明的优点在于方法简单，分离快速，成本低廉，受样品稳定性和纯度的影响小，可通过调控离心参数来选择性地增强某一区间的分离效果。
文档编号B03B5/32GK101559401SQ20091008558
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月26日 优先权日2009年5月26日
发明者刘军枫, 孙晓明, 罗大超 申请人:北京化工大学