CN103896247B

CN103896247B - 一种水溶性富勒烯纳米颗粒的制备方法

Info

Publication number: CN103896247B
Application number: CN201410088515.1A
Authority: CN
Inventors: 林冬冬; 赵文琦; 吴珊; 杨新菊
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: CN103896247A

Abstract

本发明属于纳米材料技术领域，具体为一种水溶性富勒烯纳米颗粒的制备方法。本方法首先通过恒温超声将富勒烯水混合液混合均匀，然后经过特定温度下机械和磁力搅拌得到均一稳定的富勒烯纳米颗粒，其间没有引入其它助溶物质或者分散剂。由原子力显微镜表征，所得富勒烯纳米颗粒大致呈圆形，粒径在2nm左右，且大小均匀。本发明方法制备装置简单而且廉价，在小型实验室便可搭建完成，制备过程不会产生污染物。

Description

一种水溶性富勒烯纳米颗粒的制备方法

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种水溶性富勒烯纳米颗粒的制备方法。

背景技术

富勒烯作为碳的一种同素异形体在1985年被科学家制备出来，并且于1989年被德国科学家Huffman和Kraetschmer的实验证实了C60的笼型结构。正是由于其独特的构型，使其在制药学、材料科学、电子学、纳米技术等多种学科领域有着重要的意义和应用前景，比如现已应用于护肤品、有机太阳能电池等领域。但是，富勒烯在大部分溶剂中溶解度都很差，通常溶于芳香性溶剂，如甲苯、氯苯，或非芳香性溶剂二硫化碳等。富勒烯在水中的溶解度为10⁻¹¹ mg/mL量级，因此，富勒烯在一般条件下难溶于水的特性制约了其在含水体系的应用，特别是生物体系的潜在应用。为此，人们通过共价/非共价修饰的方法在富勒烯表面引入亲水性基团以及与大小合适的客体分子相包裹的方法增大富勒烯在水中的分散性。如发明专利CN 101284660 A中使用葡萄糖作为助溶物质，得到平均粒径在200纳米左右的颗粒；发明专利CN 102674312 A 使用聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、淀粉等一系列助溶物质对富勒烯进行处理，得到粒径在100-200纳米的水溶性富勒烯纳米颗粒。上述方法虽然有效地提高了富勒烯的水溶性，但是所得的纳米颗粒粒径较大，并且操作过程复杂，处理过程需要用到化学药品，从而导致在富勒烯纳米颗粒体系中引入了其他的修饰或包裹物质，一定程度上改变了本身的性质，因此，寻早一种产物体系单一和操作步骤简单绿色的分散方法是当前迫切需要解决的问题。

虽然富勒烯在水中的溶解度非常低，但在特定情况下若干富勒烯分子组成的特定结构可以与水分子结合形成具有一定亲水能力的纳米颗粒（C60_n(H₂O)_n），这为实验上无分散剂和助溶剂制作水溶性富勒烯提供了可能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种无需加入其他助溶性物质，制作设备简单，制作过程方便的，制备水溶性富勒烯纳米颗粒的方法。-

本发明提供的制备水溶性富勒烯纳米颗粒的方法，是使用控温可调功率超声仪、控温磁力机械双模式搅拌仪作为实验仪器，在温度和时间的适当控制下，对富勒烯与水的混合物进行处理，得到均一稳定并且无其他助溶物质的小颗粒富勒烯目的产物。具体步骤如下：用分析天平（精度0.001mg）称取一定量的富勒烯（C60）与超纯水相混合，其中富勒烯和水的质量比为1:100000～1:10000。将混合物使用超声仪在40-60℃水浴条件下超声30min到1h，使富勒烯与水完全混合在一起，并呈现不透明的棕黄色（此时静置几小时会发现富勒烯会发生沉淀，说明第一步的初步混合并不稳定）；因此，在超声之后马上将混合物放到水浴烧杯中，并用搅拌器进行长时间的搅拌，搅拌48h-72h，使溶液变成透明的棕黄色，过滤后存放数周也不会产生沉淀，说明分散液是稳定的，使用原子力显微镜对溶液中的颗粒进行形貌扫描，发现富勒烯纳米颗粒大致呈圆形，粒径在2nm左右，且大小均匀。

进一步，在富勒烯固体粉末与超纯水混合时，超声仪功率可为100-200W，对混合物进行30min到1h的超声操作，并且同时将超声仪中的水加热到特定温度40-60℃，超声过程中维持温度不变。

进一步，在搅拌过程中，所述搅拌器搅拌，可以采用磁力和机械同时进行的搅拌方式。一方面，将磁石充分洗干净后置于混合物烧杯中，依靠搅拌器平台中的磁力转子驱动磁石以一定转数转动；另一方面，搅拌器铁架台上方悬挂一根马达驱动的机械式搅拌杆，将搅拌杆放入混合液面上部分，以静止或与磁石转动相反的方向低速转动即可扰乱磁石带动的涡流，从而带来更好的搅拌效果。

与现有技术相比，本发明有益效果是：放弃了加入其它助溶物质来增强富勒烯分散效果的制作方法，虽然超声纯搅拌的方式使富勒烯在水中的分散量没有前者大，但由于没有引入其它的物质使本方法获得的富勒烯纳米颗粒可以应用于对纳米颗粒纯度要求比较高的体系，这样可以避免助溶物质（修饰侧链或包裹物质）对研究体系的影响，同时也解决了到底是富勒烯的作用效果还是助溶物的作用效果的问题。本方法制备装置简单而且廉价，在小型实验室便可搭建完成，还有整个过程不会产生污染物。

附图说明

图1为机械+磁力搅拌系统示意图。

图2为水浴恒温容器和搅拌杆的放大图。

图3中a为原子力显微镜扫描目的产物得到的形貌图；b为a图中白线标示处的截面图。

图4中a为原子力显微镜扫描目的产物得到的形貌图；b为a图中白线标示处的截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1，用分析天平秤取黑色固体富勒烯粉末1mg（C60，纯度大于99.8%，购于南京先锋纳米科技有限公司），倒入50ml超纯水中，先用玻棒搅拌，混合后将烧杯口用锡箔纸封好放入预先加热到50℃的超声仪水槽中，确保水槽中的液面不超过烧杯高度，以免在超声时水槽中的水流入杯中，超声时间设定为1个小时，超声功率设为100W。超声结束后，将烧杯直接取出换到搅拌器上，搅拌时间为72h。搅拌器结构如图1所示，磁力驱动转子在搅拌器底座3内部，正好在水浴烧杯6的正下方，温度计2在仪器运作时放入烧杯6中，以产生温度反馈给控温系统，使其保持在设定的温度。铁架台1为自己添加的装置，用来固定马达4，马达4与搅拌杆相连接，直接通到烧杯6中。水浴恒温容器和搅拌杆的放大图如图2所示，总共分为四个部分：外烧杯6、内烧杯7、搅拌头8和磁石9。磁石9落在内烧杯7的底部，由搅拌器底座3的磁力驱动使其顺时针转动，并且转数可调。由于单一磁石的搅拌效果不理想，我们引入了机械搅拌，由马达4驱动的搅拌杆5进行逆时针低速转动，以打乱磁石搅拌引起的涡流，增加搅拌效果。搅拌结束后，观察粉末富勒烯全部溶解，溶液呈透明棕黄色，静置一个星期发现未产生凝聚沉淀。将获得的富勒烯纳米颗粒使用原子力显微镜进行形貌的扫面，其结构如图3(a)所示，图像扫描范围1x1μm²，在右下角白线指示处做截面分析，得到富勒烯纳米颗粒粒径在2纳米左右，如图3(b)所示，表明所得固体颗粒只有几个富勒烯分子构成，而且大范围的扫描图显示纳米颗粒的均匀性非常好。

实施例2，用分析天平秤取实例1中黑色固体富勒烯粉末1mg，倒入25ml超纯水中，玻棒搅拌后用锡箔纸封口，超声30分钟，超声水槽温度设为40℃,功率设为200W。超声结束后，混合液呈不透明棕黄色。将混合液转移至搅拌仪上搅拌，水浴温度设定为40℃，搅拌时间为72h。搅拌结束后，观察烧杯底部有部分未分散，过滤静置取上清液，溶液呈透明棕黄色，静置一个星期发现未产生凝聚沉淀。使用原子力显微镜扫描形貌，如图4a所示，图像扫描范围1.7x1.7μm²，从截面图（4b）可看到富勒烯纳米颗粒粒径保持在2纳米左右。

Claims

1.一种水溶性富勒烯的制备方法，其特征在于具体步骤为：

（1）称取一定量的富勒烯，与超纯水相混合，其中富勒烯和水的质量比范围为1:100000～1:10000；将混合物使用超声仪在40-60℃水浴条件下超声30min到1h，使富勒烯与水完全混合在一起，并呈现不透明的棕黄色；

（2）在超声之后马上将混合物放到水浴烧杯中，并用搅拌器搅拌48h-72h，使溶液变成透明的棕黄色，其中，富勒烯纳米颗粒粒径在2 纳米。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述超声仪功率为100-200 W。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述搅拌器搅拌采用磁力和机械同时进行的搅拌方式，一方面，将磁石充分洗干净后置于混合物烧杯中，依靠搅拌器平台中的磁力转子驱动磁石以一定转数转动；另一方面，搅拌器铁架台上方悬挂一根马达驱动的机械式搅拌杆，将搅拌杆放入混合液面上部分，以静止或与磁石转动相反的方向低速转动即可扰乱磁石带动的涡流，从而带来更好的搅拌效果。