CN103328389B - 用于分离纳米粒子的体系、材料和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于从水溶液分离纳米粒子的方法。所述的方法可以包括，例如，提供具有多个纳米粒子和至少一种热滞分子的水性混合物；将所述水性混合物调节至在所述水性混合物内有效形成冰晶的温度；和将所述冰晶从所述水性混合物分离。还公开了用于分离纳米粒子的组合物和体系。

Description

用于分离纳米粒子的体系、材料和方法

背景

领域

本申请涉及从组合物分离纳米粒子的方法。

相关技术描述

多种消费产品包含可能被排放至废水流中的纳米粒子。增加的证据暗示数类纳米粒子可能积累在得自废水处理的污泥中，并且在作为生物固体施加至土地上之后最终积累在土壤中。这些纳米粒子可能积累在食物链中并且造成健康风险。因此，对于从废水流移除这些纳米粒子存在增加的需要。

用于分离纳米粒子的典型方法包括过滤溶液以移除纳米粒子。但是这些方法需要具有非常小尺寸的过滤器以移除纳米尺寸的粒子。因为小孔径需要高压和/或低流速，该方法可能是低效率的。

用于移除纳米粒子的备选方法是聚集纳米粒子以增加粒径。虽然该方法对于高纳米粒子浓度可以是有效的，但是在低浓度它可能不能有效地工作，因为纳米粒子的量不足以获得有效的聚集。

概述

公开了一种用于从混合物分离纳米粒子的方法。该方法包括：提供水性混合物，所述水性混合物具有多个纳米粒子和至少一种热滞分子；将水性混合物调节至在所述水性混合物内有效形成冰晶的温度，其中所述冰晶包含纳米粒子中的至少一部分；以及将所述冰晶从所述水性混合物分离。

在一些实施方案中，所述分离步骤包括基于比重分开所述冰晶。在一些实施方案中，分离步骤包括将所述水性混合物离心。

在一些实施方案中，分离步骤包括将所述冰晶从所述混合物过滤。在一些实施方案中，过滤步骤配置为移除具有大于约1μm的尺寸的组分。

在一些实施方案中，温度等于或低于约0℃。在一些实施方案中，温度等于或低于约-0.5℃。在一些实施方案中，温度等于或高于约-40℃。在一些实施方案中，将水性混合物保持在分离步骤过程中的温度。

在一些实施方案中，冰晶具有至少约5μm的平均尺寸。在一些实施方案中，冰晶具有等于或低于约250μm的平均尺寸。

在一些实施方案中，纳米粒子具有等于或小于约500nm的平均尺寸。在一些实施方案中，纳米粒子具有等于或小于约100nm的平均尺寸。

在一些实施方案中，纳米粒子包含至少一种无机材料。在一些实施方案中，无机材料选自金属和陶瓷。在一些实施方案中，无机材料包括金、银、铜、镉、铅、硒、汞，或其组合。在一些实施方案中，纳米粒子包含至少一种合成聚合物。

在一些实施方案中，水性混合物包含以体积计至少50％的水。在一些实施方案中，水性混合物包含以体积水计至少80％的水。在一些实施方案中，水性混合物包含基本上是水的溶剂。

在一些实施方案中，热滞分子以至少约1μg/mL的浓度存在于水性混合物中。在一些实施方案中，热滞分子以至少约100μg/mL的浓度存在于水性混合物中。在一些实施方案中，热滞分子以等于或低于50mg/mL的浓度存在于水性混合物中。

在一些实施方案中，水性混合物至少包含约10ppm的纳米粒子。

在一些实施方案中，热滞分子是抗冻蛋白或抗冻糖蛋白。在一些实施方案中，热滞分子是I型抗冻蛋白。在一些实施方案中，热滞分子是II型抗冻蛋白。在一些实施方案中，热滞分子是III型抗冻蛋白。在一些实施方案中，热滞分子是抗冻糖蛋白。

在一些实施方案中，热滞分子是合成有机化合物。在一些实施方案中，热滞分子是聚合物。在一些实施方案中，聚合物是聚羧酸、聚甘油、甲基丙烯酸酯-共聚-乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸甲酯-共聚-乙烯基吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇，或其组合。

在一些实施方案中，将至少约50重量％的纳米粒子从水性混合物分离。

本文所公开的一些实施方案包括用于分离纳米粒子的组合物，所述组合物包含：包含水的溶剂；多个纳米粒子；和热滞分子。在一些实施方案中，溶剂包含以体积计至少80％的水。在一些实施方案中，多个纳米粒子包括至少一种无机材料。在一些实施方案中，热滞分子是抗冻蛋白或抗冻糖蛋白。

以上概述仅为了举例说明并且不意图以任何方式限制。除了上面描述的示例性方面、实施方案和特征之外，通过参考附图和以下的详述，其他方面、实施方案和特征将是显见的。

附图简述

图1是用于分离纳米粒子的方法的示例实施方案。

图2是可以在用于分离纳米粒子的方法中使用的螺杆泵的示例实施方案。

图3是可以在用于分离纳米粒子的方法中使用的离心机的示例实施方案。

详述

在以下详述中，参考形成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另外指出，相似的符号典型地表示相似的组件。详述、附图和权利要求中描述的示例实施方案不意味着限定。可以采用其他实施方案，并且可以进行其他变化，而不脱离这里给出的主题的精神或范围。将容易地明白的是，可以将如本文通常描述的，以及附图中示例的本公开的各方面排列、代替、组合，并且设计在宽范围的多种不同的构造中，其全部被明确地预期并且构成本公开的一部分。

本文公开用于分离纳米粒子的方法。这些方法的一些实施方案包括形成含有纳米粒子的冰晶和将这些纳米粒子分离。本文公开的方法可以，例如，是有益的，因为它允许在低浓度在不需要低效率的过滤或聚集程序的情况下分离纳米粒子。本文还公开了用于分离纳米粒子的组合物。

除非本文另外具体指出，下面给出的术语将具有以下定义。

如本文所使用的，“纳米粒子”是指具有低于约2500nm的最大维度(例如，直径)的任意粒子。在一些实施方案中，纳米粒子是固体或半固体。

如本文所使用的，“热滞分子”是建立混合物的凝固点与熔点之间的差别的分子。例如，将热滞分子加入至纯水可以相对于约0℃的熔点将凝固点降低至约-1℃。热滞后可以，例如，使用纳升渗透压仪(nanolitreosmometre)测定。

用于分离纳米粒子的方法

图1是表示本文公开的方法的一个实施方案的流程图。在步骤110处提供具有多个纳米粒子和至少一种热滞分子的水性混合物。例如，可以将热滞分子与含有纳米粒子的水性混合物(例如，溶液)组合。之后在步骤120处可以调节水性混合物的温度以形成含有纳米粒子的至少一部分的冰晶。之后在步骤130处可以将冰晶从混合物分离。如本领域技术人员将明白的，在本申请的教导的引导下，每个步骤可以相继地完成，也可以大约同时完成一个或多个步骤。作为一个实例，可以大约在与将热滞分子与含有纳米粒子的水性混合物组合的同时调节水性混合物的温度。

返回至图1中的步骤110，对水性混合物的组成没有特别地限定。水性混合物可以包含水、纳米粒子和热滞分子。多种组分可以混合在一起以形成分散体。

水性混合物可以，在一些实施方案中，包括足够量的水以使得冰晶形成。例如，水性混合物可以包含水和乙醇作为溶剂。水与乙醇的相对体积可以大于共晶点(eutectic point)使得冰晶形成。水性混合物可以，在一些实施方案中，包括足够量的水以使得水展现热滞后。换言之，水的量足以使得混合物内水的熔点大于凝固点。足以形成晶体的水的量将随着给定的溶剂体系(例如，水/乙醇相对于水/丙酮)而变化。本领域技术人员，在本申请的教导的引导下，可以，例如，使用纳升渗透压仪容易地确定足以在任意给定混合物中形成晶体的水的量。

混合物内水相对于其他溶剂的量可以，例如，是以体积计至少约50％的水；以体积计至少约60％的水；以体积计至少约70％的水；以体积计至少约80％的水；以体积计至少约90％的水；以体积计至少约95％的水；以体积计至少约97％的水；以体积计至少约99％的水。在一些实施方案中，水性混合物包含基本上由水组成的溶剂。换言之，溶剂包含水和任意其他溶剂，条件是水的量足以允许形成冰晶。在一些实施方案中，水性混合物包含由水组成的溶剂。

在一些实施方案中，水性混合物可以包含至少一种有机溶剂。有机溶剂可以，例如，是非极性溶剂、极性质子惰性溶剂、极性质子溶剂，或其组合。在一些实施方案中，有机溶剂与水混溶(例如，极性质子惰性溶剂或极性质子溶剂)。与水混溶的有机溶剂的非限制性实例包括酮、醚，以及有机酸如丙酮、四氢呋喃和乙酸。水性混合物中有机溶剂相对于其他溶剂的量可以是，例如，等于或低于约50体积％；等于或低于约40体积％；等于或低于约30体积％；等于或低于约20体积％；等于或低于约10体积％；等于或低于约5体积％；等于或低于约3体积％；或等于或低于约1体积％。在一些实施方案中，水溶液基本上没有有机溶剂。

对水性混合物内的纳米粒子也不特别地限制。纳米粒子可以，例如，包含无机材料。无机材料可以，在一些实施方案中，包括金属、陶瓷，或其组合。金属的非限制性实例包括包含金、银、铜、镉、铅、硒、汞，或其组合的任意材料。这些金属可以是纯金属、合金或金属氧化物的形式。陶瓷的一个实例将是二氧化硅；然而，本申请不限于任意特定的材料。纳米粒子可以全部是一种类型的纳米粒子，也可以包括两种以上不同纳米粒子的混合物。

在一些实施方案中，纳米粒子可以包含至少一种聚合物。聚合物的一些实例包括，但是不限于，聚环氧乙烷(PEO)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚(2-乙基-2-唑啉)(POZ)、聚(1-三甲基硅烷基-1-丙烯)(PTMSP)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚(乙烯-共聚-丙烯)(EPR)、乙烯-丙烯-丁二烯三元聚合物(EPDM)、聚丙烯酸酯，以及它们的混合物和共聚物。聚合物可以，例如，具有至少约1,000Da；至少约5,000Da；至少约10,000Da；或至少约50,000Da的重均分子量。在一些实施方案中，聚合物是合成聚合物。

在纳米粒子中可以包括其他材料。例如，纳米粒子可以包括富勒烯，如C₆₀(即，巴克球)、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管等。

对纳米粒子的形状没有特别地限定并且本申请的方法可以对于具有不同几何形状的多种纳米粒子使用。例如，纳米粒子可以是中心对称的、棒状的等。在一些实施方案中，纳米粒子是具有两个以上分离的并且不同的组分的“双面(Janus)粒子”。

对纳米粒子的尺寸也不特别地限制。不限定于任意特定尺寸，本申请的方法特别有益于小纳米粒子(例如，在尺寸上小于约50nm)。纳米粒子可以，例如，具有小于约2,500nm；小于约2,000nm；小于约1,000nm；小于约750nm；小于约500nm；小于约250nm；小于约100nm；小于约75nm；小于约50nm；小于约40nm；小于约30nm；或小于约20nm的平均尺寸(例如，直径)。纳米粒子可以，例如，具有至少约5nm；至少约10nm；至少约20nm；至少约30nm；至少约40nm；或至少约50nm的平均尺寸。作为一个实例，纳米粒子可以具有约10nm至约20nm的范围内的平均尺寸。

可以根据本文公开的方法分离的纳米粒子的一些非限制性实例提供在美国公开号2007/0012189；美国专利号7,820,921；美国公开号2008/0206562；美国公开号2008/0234394和美国专利号7,381,465中。

多个纳米粒子的量可以存在于水性混合物内。在一些实施方案中，水性混合物包含大于预定阈值的纳米粒子的量。例如，可以确定的是高于500ppm的纳米粒子的浓度是不希望的。因此，水性混合物可以包含约500ppm以上的纳米粒子浓度。在一些实施方案中，水性混合物被确定为需要移除纳米粒子的至少一部分的混合物。水性混合物可以，例如，包含至少约10ppm的纳米粒子；至少约25ppm的纳米粒子；至少约50ppm的纳米粒子；至少约100ppm的纳米粒子；至少约250ppm的纳米粒子；至少约500ppm的纳米粒子；至少约1g/L的纳米粒子；或至少约5g/L的纳米粒子。水性混合物可以，例如，具有等于或低于约20g/L的纳米粒子的量；包括等于或低于约10g/L；等于或低于约5g/L；等于或低于约1g/L；等于或低于约750ppm；等于或低于约500ppm；等于或低于约250ppm；或等于或低于约100ppm。作为一个实例，水性混合物可以具有在约10ppm至约1g/L的范围内的纳米粒子的量。

本申请也不限制于任何特定热滞分子。在本领域中已知数种热滞分子并且所预期的是本申请的方法可以包括这些已知的热滞分子中的任一种。

热滞分子的一种类型是抗冻蛋白和抗冻糖蛋白。抗冻蛋白和糖蛋白是公知的并且广泛报到的。用于这些抗冻蛋白的很多蛋白质序列已经被确定并且通过公共数据库是可得的。表1提供文献中报告的抗冻蛋白和糖蛋白的非限制性列举。这些分子中的很多得自鱼类；然而，数种其他动物和植物被发现包含抗冻蛋白。表2提供得自非鱼类动物和植物的一些非限制性实例抗冻蛋白和糖蛋白。

在多种出版物中描述了抗冻蛋白和糖蛋白，如(i)P.C.T.公开号WO2000/00512；(ii)Raymond，J.和DeVries，A.Absorption inhibition as amechanism of freezing resistance in polar fishes，Proc.Natl.Acad.Sci.USA74(6)：2589-93(1977)；(iii)Davies，P.等Structure and function of antifreezeproteins，Phil.Trans.R.Soc.Lond.B357：927-935(2002)；(iv)Davies，P.和Hew，C.Biochemistry of fish antifreeze proteins，FASEB J.4：2460-2468(1990)；(v)美国专利号5,627,051；(vi)Hon，W.等Antifreeze Proteins inWinter Rye Are Similar to Pathogenesis-Related Proteins，Plant Physiol.109：879-899(1995)；(vii)Smallwood，M.等Isolation and characterization ofa novel antifreeze protein from carrot(Daucus carota)，Biochem.J.340：385-91(1999)；和(viii)美国专利号5,654,279。

已知抗冻蛋白包括至少三类蛋白：(i)I型蛋白是具有约3,000Da至约5,000Da的范围内的分子量的富丙氨酸多肽；(ii)II型蛋白是具有约12,000Da的分子量的富半胱氨酸多肽；和(iii)不富含半胱氨酸或丙氨酸并且具有约6,000Da的分子量的III型蛋白。同时，抗冻糖蛋白包含丙氨酸、苏氨酸和Gal-GalNAc，并且具有约2,700Da至约36,000Da的分子量。

不限定于任何特别的理论，据信这些动物和植物产生抗冻蛋白和糖蛋白以耐受寒冷条件。例如，大部分具有抗冻蛋白的鱼在其中温度可以达到低于0℃的北极水中发现。虽然作用的确切机制仍有争论，据信抗冻蛋白吸附至晶体的表面以防止冰晶生长。因此，含有抗冻蛋白的水性混合物可以在略低于熔点的温度形成小晶体。

抗冻蛋白和糖蛋白可以，在一些实施方案中，是从在本申请中描述的特定物种(或物种类型)分离的。例如，方法可以包括从胡萝卜分离抗冻蛋白。抗冻蛋白和糖蛋白可以从植物或动物通过传统方法提取。蛋白或糖蛋白的分离和提纯可以通过色谱方式，以及吸收、沉淀和蒸发容易地实现。其他方法，其中很多描述在文献中，可以由本领域技术人员使用。抗冻蛋白和糖蛋白也可以使用传统化学合成或用重组DNA技术合成制备。

热滞分子也可以是聚合物。已知展现热滞后的聚合物的非限制性实例包括，但是不限于聚羧酸、聚甘油、丙烯酸甲酯-共聚-乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸甲酯-共聚-乙烯基吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇和聚(乙烯醇-共聚-乙酸乙烯酯)。这些聚合物的热滞后性质描述在(i)美国专利号4,484,409；(ii)美国专利号6,391,224；(iii)日本未审查专利公布号2009-167292；和(iv)美国专利号6,616,858中。在一些实施方案中，聚合物是聚羧酸，如聚(丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸)，以及其他含有羧酸的丙烯酸酯聚合物。热滞后聚合物可以单独使用，也可以与其他聚合物或热滞分子组合。例如，聚(丙烯酸)可以与抗冻蛋白组合使用。

其他有机化合物已知展现热滞后并且在本申请的范围内。例如，在P.C.T.公开号WO1996/30459和WO1999/18169中显示1，3-顺式-环己二醇提供热滞后。二甲亚砜(DMSO)也被相信发挥热滞分子的功能。

在分离纳米粒子的方法中可以使用热滞分子的多种组合。例如，水溶液可以包含一种、两种、三种或更多种抗冻蛋白或糖蛋白。作为另一个实例，水溶液可以包含展现热滞后的一种、两种、三种或更多种聚合物。在一些实施方案中，水溶液包含至少一种抗冻蛋白或糖蛋白，以及展现热滞后的至少一种聚合物。

不限制水溶液中热滞分子的浓度并且其依赖于多种因素变化，如水溶液中的热滞分子和纳米粒子的量。本领域技术人员，在本申请的教导的引导下，可以容易地确定合适的热滞分子的量。水溶液中热滞分子的浓度可以有效产生至少约0.1℃；至少约0.2℃；至少约0.3℃；至少约0.5℃；至少约1.0℃；至少约1.5℃；至少约2.0℃；或至少约3.0℃的热滞后。

热滞分子的浓度可以是，例如，至少约10μg/mL；至少约50μg/mL；至少约100μg/mL；至少约500μg/mL；至少约1mg/mL；至少约2mg/mL；至少约5mg/mL；至少约10mg/mL；至少约30mg/mL；至少约50mg/mL；或至少约100mg/mL。热滞分子的浓度可以是，例如，低于或等于约300mg/mL；低于或等于约200mg/mL；低于或等于约100mg/mL；低于或等于约50mg/mL；低于或等于约30mg/mL；低于或等于约10mg/mL；低于或等于约5mg/mL；或低于或等于约1mg/mL。

水溶液的pH可以改变热滞分子的活性。参见例如，Wu，D.等，Purification and characterization of antifreeze proteins from larvae of thebeetle Dendroides canadenis，J.Comp.Physiology B161：271-278(1991)。因此，可以任选地保持或调节水性混合物的pH以修改热滞分子的性质。本领域技术人员，在本申请的教导的引导下，可以确定用于分离纳米粒子的合适的pH。合适的pH可以依赖于多种因素变化，如溶液的组成、所要分离的纳米粒子的类型、具体的热滞分子等。可以将pH，例如，调节至或保持在分离纳米粒子之前的pH。在一些实施方案中，可以将水性混合物的pH调节至或保持在预定的pH。

可以将水性混合物的pH调节或保持在至少约2；至少约3；至少约4；至少约5；至少约6；至少约7；或至少约7.5的pH。可以将水性混合物的pH调节或保持在低于或等于约12；低于或等于约11；低于或等于约10；低于或等于约9；或者低于或等于约8的pH。在一些实施方案中，可以将水性混合物的pH调节或保持在约2至约12的范围内的pH。

在一些实施方案中，可以通过加入pH调节剂调节或保持水性混合物的pH。pH调节剂可以包括降低pH的酸化剂，升高pH的碱化剂，以及将pH控制在所需范围内的缓冲剂。pH调节剂的非限制性实例包括羧酸、磷酸和磺酸、酸式盐(例如，柠檬酸单钠、柠檬酸二钠、苹果酸单钠等)、碱金属氢氧化物如氢氧化钠、碳酸盐(例如，碳酸钠、碳酸氢钠、倍半碳酸钠)、硼酸盐、硅酸盐、磷酸盐(例如，磷酸单钠、磷酸三钠、焦磷酸盐等)、咪唑等。

再次回到图1，步骤120包括调节水性混合物的温度以形成冰晶。冰晶可以包括至少一部分纳米粒子，因为冰晶优先在纳米粒子周围形成。不限定于任何特别的理论，据信作为异质成核的结果晶体优先包含纳米粒子。冰晶形成一般包括两个步骤：成核和生长。成核是其中分子排列为新晶体的起始过程，同时生长包括将分子加入至现有晶体。据信后一个过程由热滞分子抑制或延迟。成核可以提供均质成核或异质成核发生。因为异质成核包含降低用于形成新晶体的表面能的相界或杂质，因此异质成核比均质成核更经常出现。据信水溶液中的纳米粒子起到在异质成核的过程中结合至新晶体中的杂质的作用。

一般地，可以将水性混合物调节至在水性混合物内有效形成冰晶的温度。本领域技术人员，在本申请的教导的引导下，可以容易地确定合适的温度。一般地，温度应当足够低以形成冰晶，但是足够高以防止整个溶液冷冻。可以将水性混合物调节至，例如，等于或低于约0℃；等于或低于约-0.1℃；等于或低于约-0.2℃；等于或低于约-0.3℃；等于或低于约-0.5℃；等于或低于约-1.0℃；等于或低于约-1.5℃；等于或低于约-2.0℃；或等于或低于约-2.5℃的温度。可以将水性混合物调节至，例如，等于或高于约-40℃；等于或高于约-30℃；等于或高于约-20℃；等于或高于约-10℃；等于或高于约-8℃；等于或高于约-5℃；或等于或高于约-3℃的温度。

在一些实施方案中，可以通过冷却水性混合物调节水性混合物的温度。例如，可以将水性混合物从室温冷却至约-1.0℃。在一些实施方案中，将温度调节至预定温度。对水性混合物的冷却速率不特别地限制；然而，该速率可以影响晶体形成。因此，在一些实施方案中，根据预定方案冷却水性混合物。例如，可以将水溶液在约3℃/分钟以下冷却直至冰晶形成。

冰晶的尺寸可以依赖于多种因素变化。例如，冰晶的尺寸和几何形状可以依赖于具体的热滞分子和其浓度变化。温度也可以影响晶体尺寸。冰晶可以具有，例如，至少约1μm；至少约4μm；至少约8μm；至少约10μm；至少约12μm；或至少约15μm的平均尺寸。冰晶可以具有，例如，低于或等于约250μm；低于或等于约100μm；低于或等于约50μm；低于或等于约30μm；低于或等于约25μm；或低于或等于约20μm的平均尺寸。

再次回到图1，步骤130包括将所含有的冰晶从水性混合物分离，其中冰晶含有纳米粒子的至少一部分。

对分离冰晶的方法也不特别地限制。在一些实施方案中，分离冰晶包括基于比重分离冰晶。因为冰具有比水更低的密度(例如，冰可以是约0.92g/cm³而水可以是约1.0g/cm³)，可以基于比重差别而分离冰晶。因此，例如，该方法可以包括将水性混合物离心以分离具有更低密度的组分。

图2是可以在本申请的方法中使用的螺杆泵的示例实施方案。螺杆泵200包括含有螺杆220的外壳210。入口导管230可以用于使得水性混合物流动至外壳210中。螺杆220可以旋转，以使得产生离心力和流动，使得较致密的组分流出导管240，而较低密度的组分流出导管250。外壳210可以任选地包括绝缘层260以保持相对恒定的温度。因此，具有冰晶的水性混合物可以通过入口导管220进入螺杆泵200。冰晶的浓缩溶液可以离开导管250，同时具有降低浓度的纳米粒子的溶液可以离开导管240。

图3是可以在本申请的方法中使用的一种离心机的另一个示例实施方案。离心机300可以包括由马达320驱动的旋转体310。入口导管330可以将流体进料至旋转体310中。降低密度的流体可以被抽至上导管340，其包括接近于旋转轴的开口。较密的流体可以被抽至下导管350，其包括相对于上导管340远离旋转轴的开口。因此，可以将具有冰晶的水性混合物通过入口导管330进料，并且可以将冰晶的浓缩溶液通过上导管340抽出。

虽然提供了螺杆泵和离心机的实例，本申请不限制于任意特定装置。一般地，基于比重和/或尺寸分离冰晶的任意方法可以适合于本申请中的方法。

在一些实施方案中，可以基于它们的尺寸分离冰晶。例如，可以过滤水性混合物以移除高于特定尺寸的冰晶。作为具体实例，可以使在直径上具有约10μm的直径的冰晶的水溶液通过具有约1μm的平均孔径的过滤器以移除冰晶。

在一些实施方案中，本申请的方法是有益的，因为它们允许使用配置为移除大于纳米粒子的尺寸的组分的过滤器(例如，具有大于纳米粒子的孔径的过滤器)。本申请的方法可以包括，例如，配置为移除大于约1μm的组分的过滤器。相反，从溶液(例如，不具有任何冰晶的溶液)过滤纳米粒子的传统方法可能需要配置为移除低于约100nm的组分的过滤器。一般地，配置为移除更小组分的过滤器需要更高的压力和/或更低的流动。因此，形成冰晶可以提供更有效的过滤。

因此，用于分离冰晶的过滤器可以配置为移除冰晶。在一些实施方案中，过滤器不配置为移除水溶液的液相中的纳米粒子(例如，未包含在冰晶内的纳米粒子)。用于分离冰晶的过滤器可以配置为移除，例如，具有至少约1μm；至少约4μm；至少约8μm；至少约10μm；至少约12μm；或至少约15μm的尺寸的组分。例如，过滤器可以配置为移除大于具体尺寸的组分，因为过滤器具有低于特定尺寸的平均孔径。

在分离步骤的过程中水性混合物可以在有效保持冰晶的存在的温度。例如，分离步骤过程中的温度可以足够冷以防止冰晶熔化。在一些实施方案中，可以将温度保持在与在图1中的步骤120中将水溶液调节至的温度大约相同的温度。例如，水性混合物可以最初冷却至约-2℃以形成冰晶，并且之后在分离步骤(例如，离心、过滤等)的过程中可以将水性混合物保持在约-2℃。可以将水性混合物保持在，例如，等于或低于约0℃；等于或低于约-0.1℃；等于或低于约-0.2℃；等于或低于约-0.3℃；等于或低于约-0.5℃；等于或低于约-1.0℃；等于或低于约-1.5℃；等于或低于约-2.0℃；或等于或低于约-2.5℃的温度。可以将水性混合物保持在，例如，等于或高于约-40℃；等于或高于约-30℃；等于或高于约-20℃；等于或高于约-10℃；等于或高于约-8℃；等于或高于约-5℃；或等于或高于约-3℃的温度。

如本领域技术人员将明白的，在本申请的教导的引导下，可以将多个分离步骤组合或重复以进一步提纯水性混合物。例如，可以实行多个离心步骤以接连地降低纳米粒子的量。作为另一个实例，可以将水性混合物最初过滤并且之后离心，也可以将水性混合物最初离心并且之后过滤。一个或多个分离步骤可以以连续方式或分批方式进行。

在一些实施方案中，本申请的方法分离水性混合物中至少约50％的纳米粒子。在一些实施方案中，本申请的方法分离水性混合物中至少约60％的纳米粒子。在一些实施方案中，本申请的方法分离水性混合物中至少约70％的纳米粒子。在一些实施方案中，本申请的方法分离水性混合物中至少约80％的纳米粒子。在一些实施方案中，本申请的方法分离水性混合物中至少约90％的纳米粒子。在理想的实施方案中，本申请的方法分离水性混合物中约100％的纳米粒子。

在一些实施方案中，可以重复本申请的方法(例如，图1中描述的方法)以进一步提纯水性混合物。例如，该方法可以对于每个形成和分离冰晶的循环移除90％的纳米粒子。重复该方法第二次可以提供纳米粒子的约99％移除。该方法可以实行一次、两次、三次或更多次以移除纳米粒子。在一些实施方案中，该方法可以反复重复直至纳米粒子的浓度低于预定最大浓度。

本申请的方法在一些实施方案中可以是连续方法。例如，可以将热滞分子和包含纳米粒子的混合物以相对恒定的流速加入至容器。将这些组分在容器中混合并且经由连接至冷却装置的导管抽出。可以在以相对恒定的速率流过导管的同时将组分冷却以形成冰晶。导管可以流体连接至移除冰晶的过滤器。

还将明白的是在本申请的方法之前、之后或过程中可以包括多个另外的处理步骤。例如，可以将含有纳米粒子的混合物初始通过粗过滤器以移除大固体。同样，在一些实施方案中，方法可以产生纳米粒子的浓缩溶液(例如，在离心之后从图3中的下导管350接收的流体)。可以实施移除高浓度的纳米粒子的传统方法，如聚集纳米粒子，以将纳米粒子从该浓缩溶液分离。可以将余下的液体废弃或再循环通过用于分离纳米粒子的方法(例如，图1中所示的方法)。

用于分离纳米粒子的组合物

本文所公开的一些实施方案包括用于分离纳米粒子的组合物。该组合物可以包含，例如，包含水的溶剂；多个纳米粒子；和至少一种热滞分子。

该组合物可以一般地是根据分离纳米粒子的方法制备的任意组合物。因此，例如，组合物可以是在图1中的步骤110或步骤120中提供的组合物。因此，组合物可以具有在本申请中关于方法描述的任意特征。例如，该组合物可以包含溶剂，所述溶剂包含以体积计至少80％的水。作为另一个实例，该组合物可以包含冰晶或保持在低于或等于约-1℃的温度。

在至少一些之前描述的实施方案中，在实施方案中使用的一个或多个要素可以可交换地在另一个实施方案中使用，除非这种交换在技术上是不可行的。本领域技术人员将明白的是可以对上面描述的方法和结构做出多种其他省略、增加和修改而不脱离所要求保护的主题的范围。所有这种修改和变更意图落入如所附权利要求限定的主题的范围内。

关于本文所公开的基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以适合于上下文和/或应用由复数变换至单数和/或由单数变换至复数。为了清楚起见在本文可以清楚地给出多种单数/复数变换。

本领域技术人员将理解，通常，本文中并且尤其是所附权利要求中(例如，所附权利要求的主体)使用的术语，一般意欲作为“开放性”术语(例如，应该将术语“包括(including)”解释为“包括但不限于”，应该将术语“具有”解释为“至少具有”，应该将术语“包括(includes)”解释为“包括但不仅限于”等)。本领域技术人员还将理解，如果意欲引入特定数量的权利要求列举项，这样的意图将在权利要求中明确地列举，并且在不存在这种列举项的情况下，不存在这样的意图。例如，为了有助于理解，以下所附权利要求可以包含引导性的短语“至少一种”和“一个或多个”的使用以引入权利要求列举项。然而，即使当同一个权利要求包含引导短语“一个或多个”或“至少一种”和不定冠词例如“一个”或“一种”时，也不应将这种短语的使用解释为暗示通过不定冠词“一个”或“一种”引入的权利要求列举项将任何包含这样引入的权利要求列举项的特定权利要求限定为仅包含一个这种列举项的实施方案(例如，应将“一个”和/或“一种”解释为意指“至少一种”或“一种或多种”)；这对于用以引入权利要求列举项的定冠词的使用也同样适用。此外，即使明确地叙述特定数量的所引入的权利要求列举项，本领域技术人员也将理解应将这种列举项解释为意指至少所叙述的数目(例如，不带有其他修饰的裸列举项“两个列举项”意指至少两个列举项，或者两个以上列举项)。此外，在使用类似于“A、B和C等中的至少一种”的惯例的那些情况下，通常这种表述意味着本领域技术人员将理解的惯例(例如，“具有A、B和C中的至少一种的体系”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起等的体系)。在使用类似于“A、B或C等中的至少一种”的惯例的那些情况下，通常这种表述意味着本领域技术人员将理解的惯例(例如，“具有A、B或C中的至少一种的体系”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起等的体系)。本领域技术人员将进一步理解实际上任何表现两个或更多个可替换术语的分离性单词和/或短语，不论在说明书、权利要求书还是附图中，都应当被理解为意图包括术语的一个、术语的任何一个或全部两个术语的可能性。例如，应将短语“A或B”理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。

此外，在公开的特征或方面以马库什组的方式描述的情况下，本领域技术人员明白该公开从而也以任何单独的成员或马库什组的成员的小组的方式描述。

本领域技术人员同样明白的是，用于任何和所有目的，如在提供书写描述的方面，本文公开的所有范围也包括任何和所有可能的子范围和其中子范围的组合。任意列出的范围可以容易地被认为是足以描述并能够给出分开为至少两等份、三等份、四等份、五等份、十等份等的相同范围。作为非限制性实例，本文公开的每个范围可以容易地分开为下面的三分之一、中间的三分之一和上面的三分之一等。如本领域技术人员也将明白的是，所有语言如“高达”、“至少”、“大于”、“小于”等包括所叙述的数目并且是指可以随后分开为如上所述的子范围的范围。最终，如本领域技术人员将明白的是，范围包括每个单独的成员。因此，例如，具有1-3个物品的组是指具有1、2或3个物品的组。类似地，具有1-5个物品的组是指具有1、2、3、4或5个物品的组，以及以此类推。

虽然本文已经公开了多个方面和实施方案，其它方面和实施方案对于本领域技术人员将是明显的。本文公开的多个方面和实施方案用于说明的目的并且不意欲限制，并通过后附的权利要求表明真实的范围和精神。

实施例

另外的实施方案在以下实施例中进一步详细公开，其不意图以任何方式限制权利要求的范围。

实施例1

处理含有500ppb(ppb＝0.0000001％)的富勒烯(C₆₀)作为纳米粒子的水。如在Smallwood，M.等Isolation and characterization of a novel antifreezeprotein from carrot(Daucus carota)，Biochem.J.340：385-91(1999)中公开的，抗冻糖蛋白由胡萝卜(野胡萝卜(Daucus carota))根获得。将1mg/mL的抗冻糖蛋白加入至水，同时通过加入磷酸盐缓冲盐水、碳酸氢铵，或其他合适的缓冲溶液而将pH水平调节至约7.5-7.9。将混合物在-0.3℃储存40分钟以形成多个非常小的冰晶。这些冰晶中的至少一部分包含富勒烯。将冰晶用离心分离机移除。

实施例2

处理含有100ppb的作为纳米粒子的金纳米粒子的水。将20mg/mL的得自雪腐黑色小粒菌核病菌(Typhula ishikariensis)的蛋白(参见美国专利号7,442,769)加入至水同时通过加入碳酸氢铵，或其他合适的缓冲溶液而将pH水平调节至约7.9。将混合物在0.9℃储存60分钟以形成多个非常小的冰晶。这些冰晶的至少一部分包含金纳米粒子。将冰晶用过滤器移除。

Claims (23)

1.一种用于从混合物分离纳米粒子的方法，所述方法包括：

提供水性混合物，所述水性混合物包含多个纳米粒子和至少一种热滞分子，其中所述水性混合物包含的所述多个纳米粒子的量小于或等于1g/L；

在不固化整个水性混合物的情况下，将所述水性混合物调节至在所述水性混合物内有效形成冰晶的温度，其中所述冰晶包含所述纳米粒子中的至少一部分；和

将所述冰晶从所述水性混合物分离，其中分离所述冰晶包括下列各项中的至少一种：从所述水性混合物过滤所述冰晶；或基于所述冰晶和所述水性混合物中的液体之间的比重差别而对所述水性混合物施加离心力以分离所述冰晶。

2.权利要求1所述的方法，其中所述分离步骤包括基于所述冰晶和所述水性混合物中的液体之间的比重差别而分开所述冰晶。

3.权利要求1所述的方法，其中所述分离步骤包括将所述水性混合物离心。

4.权利要求1所述的方法，其中所述分离步骤包括从所述混合物过滤所述冰晶。

5.权利要求4所述的方法，其中所述过滤步骤配置为移除具有大于1μm的尺寸的组分。

6.权利要求1所述的方法，其中所述温度等于或低于0℃。

7.权利要求1所述的方法，其中将所述水性混合物在所述分离步骤过程中保持在所述温度。

8.权利要求1所述的方法，其中所述纳米粒子包含至少一种无机材料。

9.权利要求8所述的方法，其中所述无机材料选自由金属和陶瓷组成的组。

10.权利要求8所述的方法，其中所述无机材料包括金、银、铜、镉、铅、硒、汞，或其组合。

11.权利要求1所述的方法，其中所述热滞分子在所述水性混合物中以至少1μg/mL的浓度存在。

12.权利要求1所述的方法，其中所述水性混合物包含至少10ppm的纳米粒子。

13.权利要求1所述的方法，其中所述热滞分子是抗冻蛋白或抗冻糖蛋白。

14.权利要求1所述的方法，其中所述热滞分子是I型抗冻蛋白。

15.权利要求1所述的方法，其中所述热滞分子是II型抗冻蛋白。

16.权利要求1所述的方法，其中所述热滞分子是III型抗冻蛋白。

17.权利要求13所述的方法，其中所述热滞分子是抗冻糖蛋白。

18.权利要求1所述的方法，其中所述热滞分子是合成有机化合物。

19.权利要求1所述的方法，其中所述热滞分子是聚合物。

20.权利要求19所述的方法，其中所述聚合物是聚羧酸、聚甘油、丙烯酸甲酯-共聚-乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸甲酯-共聚-乙烯基吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇，或其组合。

21.一种用于分离纳米粒子的组合物，所述组合物包括：

溶剂，所述溶剂包含水；

多个纳米粒子；和

至少一种热滞分子，其中所述组合物包含的所述多个纳米粒子的量为0.01g/L至1g/L。

22.权利要求21所述的组合物，其中所述热滞分子是抗冻蛋白或抗冻糖蛋白。

23.权利要求21所述的组合物，其中所述组合物包含至少95重量%的水。