专利名称：介孔二氧化硅纳米马达及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及纳米马达的制备方法及其应用。
背景技术：
纳米尺度的人造马达是近年来纳米科学界的新研究热点，通过催化过氧化氢产生氧气气泡作为推动力，从而可在含有过氧化氢的溶液中游动。尽管目前通过电化学沉积、超分子组装、金属溅射沉积等方法可以制备各种马达，但其尺寸很难扩展到IOOnm以下。发展真正意义上的纳米马达无疑将极大地扩展纳米马达的应用范围，具有催化能力的纳米马达(尤其是纳米尺寸的马达)在生物研究、医疗药物运输与释放、环境检测等领域具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明是要解决现有的马达的尺寸大的技术问题，而提供介孔二氧化硅纳米马达及其制备方法和应用。本发明的介孔二氧化硅纳米马达是粒径为50 90nm的、部分表面溅射金属钼层的介孔二氧化硅粒子。本发明的介孔二氧化硅纳米马达的制备方法按以下步骤进行一、合成粒径为50 90nm的介孔二氧化硅纳米粒子；二、硅片清洗及亲水性的处理先将硅片依次放入丙酮、酒精中进行超声清洗，然后再用去离子水冲洗干净，再用氮气吹干，接着将硅片放入浓硫酸与过氧化氢的混合溶液中，加热至温度为60°C 70°C并保持2 3小时，然后将硅片取出，用去离子水冲洗干净并干燥，得到亲水性硅片，其中浓硫酸与过氧化氢的混合溶液是由质量浓度为95% 98%的浓硫酸与质量浓度为20% 30%的过氧化氢按体积比为(2 3) I的比例混合而成的；三、将步骤一合成的介孔二氧化硅粒子分散在乙醇中，分散均匀后，得到混合溶液；再将混合溶液滴在步骤二得到的亲水性硅片上，在室温下干燥，得到排列单粒子层的硅片;四、用金属真空镀膜机将金属钼溅射在步骤三得到的排列单粒子层的硅片上；五、将经步骤四处理的硅片放入去离子水中，再放入超声仪中，在超声的功率为？ ？、频率为60Hz IOOHz的条件处理I 10s，过滤，干燥，得到介孔二氧化硅纳米马达。步骤一中介孔二氧化硅粒子的制备方法按以下步骤进行先将O. 25g O. 5g十六烷基三甲基溴化铵溶于150mL 180mL的去离子水中，再加入ImL 2. Oml浓度为2mol/L 4mol/L的氢氧化钠溶液，混合均匀后加热到60 80°C，再加入1. 5 2. OmL正硅酸乙酯,反应混合物在60 80°C下搅拌2 4小时后，将产物用甲醇清洗，再用去离子水清洗，在40 70°C下进行真空干燥10 12小时，得到介孔二氧化硅粒子。步骤四中，金属钼溅射是从硅片的垂直方向进行金属钼的溅射，使介孔二氧化硅纳米粒子的上半部带有金属钼催化层，而介孔二氧化硅纳米粒子的下半部仍保持原来的介孔结构。本发明先将介孔硅二氧化硅纳米粒子分散到乙醇中，得到分散液，经过分散后介孔二氧化硅纳米粒子不会粘结在一起，再将硅片处理后，使其具有亲水性，然后将含有介孔二氧化硅纳米粒子的分散液滴在亲水硅片上，介孔二氧化硅粒子则在硅片上排列成单粒子层，再通过金属真空镀膜机，将金属小颗粒溅射在介孔硅二氧化硅单粒子层上，然后通过低能量的超声震动，将带有一半金属覆盖的介孔二氧化硅从硅片上取下，获得介孔二氧化硅纳米马达。本发明的介孔二氧化硅纳米马达不仅具有不对称的介孔二氧化硅结构，而且具有明显的阴阳特征，其一部分有具有催化功能的金属层，另一部分为介孔结构。介孔二氧化硅纳米马达的制备方法操作简单，成本低廉，而且一次合成量大。本发明的介孔二氧化硅纳米马达的应用是将介孔二氧化硅纳米马达放入过氧化氢溶液中使用。所述的过氧化氢溶液的质量浓度大于0%且小于等于30%。本发明的介孔二氧化硅纳米马达应用时，所负载的物质可以装载在二氧化硅纳米粒子的介孔中，通过催化过氧化氢产生氧气气泡作为推动力，从而可在含有过氧化氢的溶液中运动，将负载的物质运送至目的地。该介孔二氧化硅纳米马达不仅可以用于承载物质运输，而且自身具有自发的运输动力。本发明的制备的介孔二氧化硅纳米马达可用于生物医学、化学、环境检测等领域。
图1是试验一的步骤一制备的介孔二氧化硅粒子的扫描电镜照片；图2是试验一步骤一制备的介孔二氧化硅粒子的透射电镜照片；图3试验一步骤五制备的带有催化金属钼层的介孔二氧化硅纳米马达扫描电镜照片，即图中明亮的部分为钼层，另一部分为介孔二氧化硅；图4是试验一经步骤五制备的介孔二氧化硅纳米马达的透射电镜照片；图5是介孔二氧化硅纳米马达放入过氧化氢溶液中I秒时的超分辨荧光显微镜照片;图6是介孔二氧化硅纳米马达放入过氧化氢溶液中2秒时的超分辨荧光显微镜照片;图7是介孔二氧化硅纳米马达放入过氧化氢溶液中3秒时的超分辨荧光显微镜照片;图8介孔二氧化硅纳米马达放入过氧化氢溶液中4秒时的超分辨荧光显微镜照片。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式的介孔二氧化硅纳米马达是粒径为50 90nm的、部
分表面覆盖有金属钼层的介孔二氧化硅粒子。本实施方式的介孔二氧化硅纳米马达不仅具有不对称的介孔二氧化硅结构，而且具有明显的阴阳特征，其一部分有具有催化功能的金属层，另一部分为介孔结构。所负载的物质可以装载在二氧化硅纳米粒子的介孔中，通过催化过氧化氢产生氧气气泡作为推动力，从而可在含有过氧化氢的溶液中运动，将负载的物质运送至目的地。该介孔二氧化硅纳米马达不仅可以用于承载物质运输，而且自身具有自发的运输动力。
具体实施方式
二具体实施方式
一所述的介孔二氧化硅纳米马达的制备方法按以下步骤进行一、合成粒径为50 90nm的介孔二氧化硅纳米粒子；二、硅片清洗及亲水性的处理先将硅片依次放入丙酮、酒精中进行超声清洗，然后再用去离子水冲洗干净，再用氮气吹干，接着将硅片放入浓硫酸与过氧化氢的混合溶液中，加热至温度为60°C 70°C并保持2 3小时，然后将硅片取出，用去离子水冲洗干净并干燥，得到亲水性硅片，其中浓硫酸与过氧化氢的混合溶液是由质量浓度为95% 98%的浓硫酸与质量浓度为20% 30%的过氧化氢按体积比为(2 3) I的比例混合而成的；三、将步骤一合成的介孔二氧化硅粒子分散在乙醇中，分散均匀后，得到混合溶液；再将混合溶液滴在步骤二得到的亲水性硅片上，在室温下干燥，得到排列单粒子层的硅片;四、用金属真空镀膜机将金属钼溅射在步骤三得到的排列单粒子层的硅片上；五、将经步骤四处理的硅片放入去离子水中，再放入超声仪中，在超声的功率为180 300W、频率为40kHz 59kHz的条件处理I 10s，过滤，将得到的固相物干燥，得到介孔二氧化硅纳米马达。本实施方式制备的介孔二氧化硅纳米马达不仅具有不对称的介孔二氧化硅结构，而且具有明显的阴阳特征，其一部分有具有催化功能的金属层，另一部分为介孔结构。所负载的物质可以装载在二氧化硅纳米粒子的介孔中，通过催化过氧化氢产生氧气气泡作为推动力，从而可在含有过氧化氢的溶液中运动，将负载的物质运送至目的地。该介孔二氧化硅纳米马达不仅可以用于承载物质运输，而且自身具有自发的运输动力。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
二不同的是步骤一中介孔二氧化硅粒子的制备方法按以下步骤进行先将O. 25g O. 5g十六烷基三甲基溴化铵溶于150mL 180mL的去离子水中，再加入ImL 2. Oml浓度为2mol/L 4mol/L的氢氧化钠溶液，混合均匀后加热到60 80°C，再加入1. 5 2. OmL正硅酸乙酯，反应混合物在60 80°C下搅拌2 4小时后，将产物用甲醇清洗，再用去离子水清洗，在40 70°C下进行真空干燥10 12小时，得到介孔二氧化硅粒子。其他与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
二或三不同的是步骤四中，金属钼溅射是从硅片的垂直方向进行金属钼的溅射，使介孔二氧化硅纳米粒子的上半部带有金属钼催化层。其它与具体实施方式
二或三相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
二至四不同的是步骤二中硅片清洗及亲水性的处理过程如下先将硅片依次放入丙酮、酒精中进行超声清洗，然后再用去离子水冲洗干净，再用氮气吹干，接着将硅片放入浓硫酸与过氧化氢的混合溶液中，加热至温度为65°C 69°C并保持2. 2 2. 8小时，然后将硅片取出，用去离子水冲洗干净并干燥，得到亲水性硅片，其中浓硫酸与过氧化氢的混合溶液是由质量浓度为95% 98%的浓硫酸与质量浓度为20% 30%的过氧化氢按体积比为(2. 2 2. 8) I的比例混合而成的。其它与具体实施方式
二至四相同。
本实施方式将硅片处理后，使其具有亲水性，将含有介孔硅二氧化硅纳米粒子的溶液滴在亲水硅片上后，介孔二氧化硅粒子则在硅片上排列成单粒子层。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
二至五不同的是步骤四中金属钼层的厚度为10 20nm。其它与具体实施方式
二至五相同。本实施方式中因为介孔硅二氧化硅粒子是在硅片上呈单粒子层排列方式，将金属钼小颗粒溅射在介孔二氧化硅单粒子层上时，单个介孔二氧化硅粒子的上半部分溅射有金属钼层，而下半部分没有金属钼层，保留原来的介孔结构。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
二至六不同的是步骤五中在超声的功率为180 300w、频率为50kHz的条件处理2 8s。其它与具体实施方式
二至六相同。通过超声振动，将上半部分覆盖金属钼层的介孔硅二氧化硅粒子从硅片上脱下来，得到单个的上半部分覆盖金属钼层的介孔硅二氧化硅粒子，即为介孔二氧化硅纳米马达。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
二至七不同的是步骤五中在干燥是指在温度为50 70°C真空的条件下干燥10 12小时。其它与具体实施方式
二至七相同。
具体实施方式
九具体实施方式
一所述的介孔二氧化硅纳米马达的应用是将介孔二氧化硅纳米马达放入过氧化氢溶液中使用。本实施方式的介孔二氧化硅纳米马达的应用，是将所负载的物质装载在二氧化硅纳米粒子的介孔中，通过催化过氧化氢产生氧气气泡作为推动力，从而可在含有过氧化氢的溶液中运动，将负载的物质运送至目的地。该介孔二氧化硅纳米马达不仅可以用于承载物质运输，而且自身具有自发的运输动力具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
九不同的是所述的过氧化氢溶液的质量浓度大于0%且小于等于30%。其他与具体实施方式
九相同。用以下试验验证本发明的有益效果试验一本试验的介孔二氧化硅纳米马达的制备方法按以下步骤进行一、介孔二氧化硅粒子的合成先将O. 25g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶于150mL的去离子水中，再加入ImL浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液，混合均匀后加热到80°C，再加入1. 5mL正硅酸乙酯(TEOS)，反应混合物在80°C下搅拌2小时后，将产物用甲醇清洗三次，再用去离子水清洗3次，在温度为20°C、真空度为O. 009MPa的条件下进行真空干燥5小时，得到介孔二氧化硅粒子；二、硅片的处理先将硅片依次放入丙酮、酒精中进行超声清洗，然后再用去离子水冲洗干净，再用氮气吹干，接着将硅片放入浓硫酸与过氧化氢的混合溶液中，加热至温度为60°C并保持2小时，然后将硅片取出，用去离子水冲洗干净并干燥，得到亲水性硅片；其中浓硫酸与过氧化氢的混合溶液中由质量浓度为98%的浓硫酸与质量浓度为30%的过氧化氢按体积比为3 I的比例混合而成的；三、制作单粒子排列层将O. 01克步骤一合成的介孔二氧化硅粒子分散在I毫升无水乙醇中，分散均匀后，得到混合溶液；再将混合溶液滴在步骤二得到的亲水性硅片上，在温度为20°C的室温下干燥8小时，得到排列单粒子层的硅片；四、将步骤三得到的排列单粒子层的硅片放入到金属真空镀膜机中，从硅片的垂直方向溅射金属钼，钼层的厚度为IOnm ；
五、将经步骤四处理的硅片放入去离子水中，再放入超声仪中，在超声的功率为300w、频率为59kHz的条件处理10s，过滤，将得到的固相物在温度为60°C的真空条件下干燥10小时，得到介孔二氧化硅纳米马达。本试验步骤一制备的介孔二氧化硅粒子的透射电镜照片如图1所示，从图1可以看出，介孔二氧化娃粒子的直径为60 80nm。本试验步骤三制备的排列单粒子层的硅片的扫描电镜照片如图2所示，从图2可以看出，介孔二氧化硅粒子是单层排列在硅片上的。
本试验步骤四五制备的带有催化金属层二氧化硅纳米粒子的扫描电镜照片如图3所示，从图3中明亮的部分为钼层，另一部分为介孔二氧化硅。本试验步骤五制备的介孔二氧化硅纳米马达的透射电镜照片如图4所示，从图4可以看出，介孔二氧化硅纳米马达一部分具有金属催化层的阴阳结构，另一部分仍为原来的介孔结构。利用介孔二氧化硅纳米马达的介孔孔道，携带染料作为模型药物，用超分辨显微镜表征其运动情况。先将本试验制备的介孔二氧化硅纳米马达浸泡到含有异硫氰酸荧光素(FITC)的溶液中，浸泡24小时，然后将介孔二氧化硅纳米马达过滤出来，干燥，然后放到质量浓度为30 %的过氧化氢溶液中，用超分辨荧光显微镜表征其运动进行情况，4秒钟内的运动分解图和轨迹如图5、6、7和8所示。其中图5是I秒时介孔二氧化硅纳米马达的超分辨荧光显微镜照片，图6是2秒时介孔二氧化硅纳米马达的超分辨荧光显微镜照片；图7是3秒时介孔二氧化硅纳米马达的超分辨荧光显微镜照片，图8是4秒时介孔二氧化硅纳米马达的超分辨荧光显微镜照片。从图5、6、7和8可以看出，介孔二氧化硅纳米马4秒内携带FITC染料的运动轨迹程弧形，运动距离25 μ m左右。
权利要求
1.介孔二氧化娃纳米马达，其特征在于介孔二氧化娃纳米马达是粒径为50 90nm的、部分表面覆盖有金属钼层的介孔二氧化硅粒子。
2.制备如权利要求1所述的介孔二氧化硅纳米马达的方法，其特征在于介孔二氧化硅纳米马达的制备方法按以下步骤进行 一、合成粒径为50 90nm的介孔二氧化娃纳米粒子； 二、硅片清洗及亲水性的处理先将硅片依次放入丙酮、酒精中进行超声清洗，然后再用去离子水冲洗干净，再用氮气吹干，接着将硅片放入浓硫酸与过氧化氢的混合溶液中，力口热至温度为60°C 70°C并保持2 3小时，然后将硅片取出，用去离子水冲洗干净并干燥，得到亲水性硅片，其中浓硫酸与过氧化氢的混合溶液是由质量浓度为95% 98%的浓硫酸与质量浓度为20% 30%的过氧化氢按体积比为(2 3) I的比例混合而成的； 三、将步骤一合成的介孔二氧化硅粒子分散在乙醇中，分散均匀后，得到混合溶液；再将混合溶液滴在步骤二得到的亲水性硅片上，在室温下干燥，得到带有单粒子排列层的硅片; 四、用金属真空镀膜机将金属钼溅射在步骤三得到的带有单粒子排列层的硅片上； 五、将经步骤四处理的硅片放入去离子水中，再放入超声仪中，在超声的功率为180 300W、频率为40kHz 59kHz的条件下处理I 10s，过滤，将得到的固相物干燥，得到介孔二氧化硅纳米马达。
3.根据权利要求2所述的介孔二氧化硅纳米马达的制备方法，其特征在于步骤一中介孔二氧化硅粒子的制备方法按以下步骤进行先将O. 25g O. 5g十六烷基三甲基溴化铵溶于150mL 180mL的去离子水中，再加入ImL 2. Oml浓度为2mol/L 4mol/L的氢氧化钠溶液，混合均匀后加热到60 80°C，再加入1. 5 2. OmL正硅酸乙酯，反应混合物在60 80°C下搅拌2 4小时后，将产物用甲醇清洗，再用去离子水清洗，在40 70°C下进行真空干燥10 12小时，得到介孔二氧化硅粒子。
4.根据权利要求2或3所述的介孔二氧化硅纳米马达的制备方法，其特征在于步骤四中，金属钼溅射是从硅片的垂直方向进行金属钼的溅射。
5.根据权利要求2或3所述的介孔二氧化硅纳米马达的制备方法，其特征在于步骤二中硅片清洗及亲水性的处理过程如下先将硅片依次放入丙酮、酒精中进行超声清洗，然后再用去离子水冲洗干净，再用氮气吹干，接着将硅片放入浓硫酸与过氧化氢的混合溶液中，加热至温度为65°C 69°C并保持2. 2 2. 8小时，然后将硅片取出，用去离子水冲洗干净并干燥，得到亲水性硅片，其中浓硫酸与过氧化氢的混合溶液是由质量浓度为95% 98%的浓硫酸与质量浓度为20 % 30%的过氧化氢按体积比为(2. 2 2. 8) I的比例混合而成的。
6.根据权利要求2或3所述的介孔二氧化硅纳米马达的制备方法，其特征在于步骤四中金属钼层的厚度为10 20nm。
7.根据权利要求2或3所述的介孔二氧化硅纳米马达的制备方法，其特征在于步骤五中在超声的功率为200 280W、频率为50kHz的条件下处理2 8s。
8.根据权利要求2或3所述的介孔二氧化硅纳米马达的制备方法，其特征在于步骤五中在干燥是指将固相物在50 70°C的真空条件下干燥6 8小时。
9.如权利要求1所述的介孔二氧化硅纳米马达的应用，其特征在于介孔二氧化硅纳米马达的应用是将介孔二氧化硅纳米马达放入过氧化氢溶液中使用。
10.根据权利要求1所述的介孔二氧化硅纳米马达的应用，其特征在于所述的过氧化氢溶液的质量浓度大于O且小于等于30%。
全文摘要
介孔二氧化硅纳米马达及其制备方法和应用，本发明涉及马达及其制备方法和应用。本发明是要解决现有马达的尺寸大的技术问题。本发明的介孔二氧化硅纳米马达是粒径为50～90nm的、部分表面溅射金属铂层的介孔二氧化硅粒子。制备方法一、先合成介孔二氧化硅纳米粒子；二、硅片的亲水性处理；三、将二氧化硅纳米粒子分散液滴在亲水性硅片上，干燥；三、将金属铂溅射在步骤三得到的排列单粒子层的硅片上；四、超声振落后，干燥，得到介孔二氧化硅纳米马达。其应用是将介孔二氧化硅纳米马达放入过氧化氢溶液中使用。该纳米马达有阴阳结构特征，运载功能，且制备方法操作简单，一次合成量大。可用于生物医学、化学、环境检测领域。
文档编号B82B3/00GK103011067SQ201210583500
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者贺强, 玄明君 申请人:哈尔滨工业大学