CN104483245A

CN104483245A - 一种利用非对称场流仪分离c60纳米晶体颗粒尺度分布的方法

Info

Publication number: CN104483245A
Application number: CN201410509976.1A
Authority: CN
Inventors: 张波; 何义亮; 葛玲
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2014-09-28
Filing date: 2014-09-28
Publication date: 2015-04-01

Abstract

本发明公开了一种利用非对称场流仪分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的方法，包括如下步骤：步骤一、制备C₆₀纳米晶体颗粒；步骤二、将C₆₀纳米晶体颗粒配置成C₆₀溶液；步骤三、检测C₆₀溶液，得到C₆₀纳米晶体颗粒粒径数据；步骤四、处理粒径数据，得到C₆₀纳米晶体颗粒粒径分布结果。本发明的有益效果是，提供一种利用非对称场流仪耦合多角度激光散射检测仪(AF4-MALS)分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的新方法，此方法方便快捷，能够获得连续的测试数据，方便后续数据处理。

Description

一种利用非对称场流仪分离C60纳米晶体颗粒尺度分布的方法

技术领域

本发明涉及材料尺寸分布的分离领域，尤其涉及一种利用非对称流场流技术耦合激光散射检测分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的方法。

背景技术

纳米颗粒粒度分析的方法有很多，现在已有200多种基于各种工作原理的分析测量仪器，并且不断有新的方法和仪器研制出来。传统的粒度测量方法有显微镜法、沉降法、电感应法等，近些年发展出来的有激光散射法、电子显微镜图像分析法、光子相干光谱法、基于颗粒布朗运动的测量法等，不同原理的仪器采用了纳米颗粒不同的与其自身大小相关的物理性质或行为来度量其大小^[1]。由于各分析方法得到的是等效粒径，因此相互之间不能进行横向比较，并且每种方法都具有一定的适用范围。

电子显微镜法包括透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道电镜(STM)和原子力显微镜(AFM)。透射电镜的分辨率为0.1～0.2nm，冷场扫描电镜的分辨率为0.6～3.0nm。电镜法能得到颗粒的原始粒径及形貌，是粒度观测的绝对方法，具有可靠性和直观性。但是电镜法是对局部样品的观测，测量结果缺乏整体统计性，在进行粒度分布分析的时候，需要观测多幅照片，再通过软件分析统计出粒度分布。另外，纳米粒子具有高的表面活性，滴样后容易团聚，使测量结果有所偏差；一些在强电子束轰击下不稳定甚至分解的纳米颗粒很难分析出准确的粒度。对于扫描电子显微镜法，样品在拍摄前需脱水干燥和导电性处理，拍摄时也必须在高真空干燥环境内进行，都对样品颗粒有一定的损伤，并且操作时间长、成本高^[2]。

激光光散射法可测量20～3500nm的粒度分布，其分析的理论模型建立在颗粒为球形、单分散条件上，得到的是等效球体积分布。实际被测颗粒的形状和粒径分布对分析结果准确性的影响很大，被测颗粒的形状越不规则、粒径分布范围越宽，该方法粒度分析结果的误差就越大。激光光散射法的样品用量少、测量速度快、重复性好，但是对样品的浓度限制大，不能分析高浓度体系的粒度。激光光散射法分为静态光散射法和动态光散射法。动态光散射法是通过研究散射光在不同时间下因颗粒布朗运动所引起的变化进行粒径表征，由于大颗粒布朗运动较为缓慢，散射光斑的强度波动也会较缓慢，因此对于大颗粒的表征存在的较大误差。单一的激光光散射法得到的是纳米颗粒的平均粒径以及D_10％、D_90％，无法得到具体的各粒径段的粒子数目及比例。

非对称场流(Asymmetrical field flow，AFF)技术耦合多角度激光散射检测器(MALS)是一种新的有效分离和准确表征纳米颗粒粒度的方法，能分离从几纳米到几十微米的颗粒，与透射电镜和动态光散射等传统方法相比，此技术不会引起明显的颗粒聚集，同时能准确得到颗粒粒径分布情况^[3]。1987年，Giddings博士提出的非对称场流分离技术，用于颗粒分离及表征，该技术是场流分离技术的一个分支，由于其分离条件温和、分辨率高，在纳米颗粒的表征研究中的应用不断地增加。

分离过程是在一个扁平的薄腔内进行的，沿着腔室方向的主体流是抛物线型的层流，作用是洗脱，垂直于主体流的横向流又称交叉流，作用是提供一个使样品分离的力场，在分离时这两股流动分别进入腔室，通过调节它们的流速，可以有效的分离不同粒径的颗粒。样品颗粒在交叉流的作用下会向累积壁迁移，当分子自身的扩散作用与迁移作用平衡时，样品颗粒将处在累积壁上方的一个平衡位置。由于小颗粒的扩散系数比较大，其平衡位置距累积壁较远，因此具有较大的主体流速，会首先从腔室中洗脱出来，大颗粒洗脱出来的时间则晚于小颗粒，由此实现了对不同粒径的颗粒的分离。非对称场流仪后面连接静态光散射仪，则洗脱出来的颗粒按从小到大的顺序依次进入静态光散射仪中进行粒径大小的检测，能检出样品中所有颗粒的粒度，给出样品粒度的详细信息。此种方式下进入静态光散射仪的颗粒浓度较低，有效规避了静态光散射技术对浓度的限制。

非对称场流与常规的分离手段如比尺寸排阻法相比，具有众多优势：样品无需预处理，可直接进样；不用使用固定相，因此不存在剪切力；能使用众多的流动相条件，因此能在与悬浮物形成条件相同的溶剂背景下进行分离操作；允许使用去离子水或者离子强度高达10mM的缓冲液，不用另加其他流动相改良剂，如会影响尺寸和表面电荷的表面活性剂^[4]。通过优化聚焦时间、进样量、主体流流速、交叉流流速可以提高分离的精确度，使粒度分布的结果更加准确。

参考文献：

[1]王书运.纳米颗粒的测量与表征[J].山东师范大学学报:自然科学版,2005,20(2):45-47.

[2]刘攀攀,全灿,李红梅等.非对称场流分离技术用于纳米颗粒的表征[J].分析化学,2013,41(7):1063-1068.DOI:10.3724/SP.J.1096.2013.21224.

[3]全灿,刘攀攀,金君素等.非对称流场流分离技术在纳米材料及生物分子表征方面的应用[J].化学通报,2013,76(1):52-59.

[4]Isaacson C W,Bouchard D.Asymmetric flow field flow fractionation ofaqueous C₆₀nanoparticles with size determination by dynamic light scattering andquantification by liquid chromatography atmospheric pressure photo-ionizationmass spectrometry[J].Journal of Chromatography A,2010,1217(9):1506-1512.

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种检测C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的新方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用非对称场流仪分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的方法，包括如下步骤：步骤一、制备C₆₀纳米晶体颗粒；步骤二、将C₆₀纳米晶体颗粒配置成C₆₀溶液；步骤三、检测C₆₀溶液，得到C₆₀纳米晶体颗粒粒径数据；步骤四、处理粒径数据，得到C₆₀纳米晶体颗粒粒径分布结果。

上述步骤二中，配置C₆₀溶液的具体步骤是：(1)将C₆₀纳米晶体颗粒与溶剂直接混合；(2)在室温和光照条件下连续搅拌，然后静置；(3)用滤膜过滤得到C₆₀溶液。

优选地，步骤(1)溶剂选用超纯水、NaCl母液、腐殖酸母液、富里酸母液之中的任意一种。更优选地，NaCl母液的浓度为1～100mM；腐殖酸母液的浓度为0.5～10mg/L；富里酸母液的浓度为0.5～10mg/L。

优选地，步骤(2)使用磁力搅拌子连续搅拌，搅拌时间为两周，然后静置24h。

优选地，步骤(3)滤膜选用0.45μm或0.7μm孔径的滤膜。

用非对称场流仪耦合多角度激光散射检测仪检测C₆₀纳米晶体颗粒粒径。非对称场流仪具有扁平腔室，扁平腔室的厚度为350μm。扁平腔室下的滤膜为10k Da的聚醚砜树脂膜。选定的测试方法为：非对称场流仪的主体流的流速为1ml/min，交叉流初始流速为0.3ml/min，进过40min线性减小到零，进样量为1ml，聚焦时间为2min。

本发明的有益效果是，提供一种利用非对称场流仪耦合多角度激光散射检测仪分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的新方法，此方法方便快捷，能够获得连续的测试数据，方便后续数据处理。

附图说明

图1是AF4-MALS的检测图谱；

图2是AF4-MALS检测图谱经数据分析后所得颗粒浓度与尺寸的关系图；

图3是AF4-MALS检测图谱经数据分析后所得颗粒的尺度分布图；

图4是相同HA浓度、不同NaCl浓度下C₆₀纳米晶体颗粒的粒径分布图，其中NOM＝5mg/L；

图5是相同HA浓度、不同NaCl浓度下C₆₀纳米晶体颗粒的粒径分布图，其中NOM＝20mg/L；

图6是相同NaCl浓度、不同HA浓度下C₆₀纳米晶体颗粒的粒径分布图，其中NaCl＝1mM；

图7是相同NaCl浓度、不同HA浓度下C₆₀纳米晶体颗粒的粒径分布图，其中NaCl＝10mM。

具体实施方式

非对称场流仪型号为AF4，用非对称场流仪耦合多角度激光散射检测仪(AF4-MALS)检测C₆₀纳米晶体颗粒物的粒径。非对称场流仪扁平腔室的厚度为350μm，腔室下的滤膜为10k Da的聚醚砜树脂(PES)膜。选定的测试方法为：主体流的流速为1ml/min，交叉流初始流速为0.3ml/min，经过40min线性减小到零，进样量为1ml，聚焦时间为2min。AF4的流动相为纯水。用专用注射器吸取待测样品2ml左右，排除注射器中的气泡，向AF4进样口进样约1.5ml左右(进样环体积为1ml)。

实施例1

长期搅拌法制备C₆₀纳米晶体颗粒，将C₆₀纳米晶体颗粒与超纯水直接混合，加入磁力搅拌子，在室温和光照条件下连续搅拌两周，然后静置24h，再用0.45μm或0.7μm孔径的滤膜过滤得到aqu/nC₆₀溶液。

用AF4-MALS检测上述溶液，检测图谱如图1所示，1号曲线代表紫外信号，纵坐标是信号强度，强度越大，表示该时刻进入DAD检测器的溶液浓度越大；2号曲线代表光散射信号，强度越大，表示该时刻进入MALS检测器的溶液光散射能力越大；3号曲线代表随时间进入MALS检测器的粒子粒径情况，纵坐标表示粒径，由于非对称场流的分离作用，粒子基本按照从小到大的顺序流入MALS检测器。

经数据分析后得到颗粒浓度与尺寸的关系图，如图2所示，横坐标表示几何半径，纵坐标表示数目浓度(单位体积的粒子数目)。将所对应的原始数据导出为excel格式，然后可以计算出总的粒子数浓度和任意粒径段的粒子数浓度，从而可以得到任意粒径段的粒子数占总数的比例，即样品的粒径分布。

根据需要，选择不同粒径段，计算出该粒径段的粒子数目浓度，该值除以总的粒子数目浓度，即得到该粒径段的粒子数占总粒子数的比例。图3表示各粒径段的粒子数占总数的比例。

实施例2

称取5.85g固体NaCl粉末，用超纯水溶解后，再用容量瓶定容到100ml，即得到1mol/L的NaCl溶液，作为母液。分别取0.1ml、1ml、10ml NaCl母液，定容到100ml，得到1mM、10mM、100mM NaCl溶液，将其分别加入到装有40mg磨细的C₆₀纳米晶体颗粒的锥形瓶中。其他操作与对照组相同。

称取国际标准腐殖酸(SRHA)和国际标准富里酸(SRFA)各0.01g，用超纯水配置成100ml溶液，得到浓度为100mg/L的腐殖酸和富里酸母液，然后分别取0.5ml、2ml、10ml母液，加入超纯水配置成100ml溶液，即值得浓度为0.5mg/L、2mg/L和10mg/L的腐殖酸和富里酸溶液，然后分别加入装有40mg磨细的C₆₀纳米晶体颗粒的锥形瓶中。其他操作与对照组相同。

图4和图5是相同HA浓度、不同NaCl浓度下C₆₀纳米晶体颗粒的粒径分布。HA表示腐殖酸。图4中，NOM表示天然有机物，NOM＝5mg/L时，NaCl浓度越大，小粒径范围(半径小于120nm范围)的粒子所占比例越大，从近0％增加到50％左右，加入NaCl后粒径大于150nm的粒子基本上不存在。图5中，NOM＝20mg/L时，当不存在NaCl时，半径小于120nm的粒子所占比例为60％左右，NaCl的加入使得小粒径范围(半径小于120nm范围)的粒子消失了，而130～140nm范围的粒子所占比例则随着NaCl浓度的增加而逐渐增加。

实施例3

图6和图7是相同NaCl浓度、不同HA浓度下C₆₀纳米晶体颗粒的粒径分布。图6中，NaCl＝1mM时，不存在NOM的条件下C₆₀纳米晶体颗粒的半径都小于120nm，而NOM加入后形成的C₆₀纳米晶体颗粒的半径集中在120～150nm范围，粒径明显增大。图7中，NaCl＝10mM时，随着NOM浓度的增加，140～150nm粒径范围的颗粒数逐渐减小，因此平均粒径随着NOM浓度的增加稍有减小。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种利用非对称场流仪分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、制备C₆₀纳米晶体颗粒；

步骤二、将所述C₆₀纳米晶体颗粒配置成C₆₀溶液；

步骤三、检测所述C₆₀溶液，得到C₆₀纳米晶体颗粒粒径数据；

步骤四、处理所述粒径数据，得到C₆₀纳米晶体颗粒粒径分布结果。

2.根据权利要求2所述的一种利用非对称场流仪分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的方法，其特征在于，步骤二中，配置所述C₆₀溶液的具体步骤是：

(1)将所述C₆₀纳米晶体颗粒与溶剂直接混合；

(2)在室温和光照条件下连续搅拌，然后静置；

(3)用滤膜过滤得到所述C₆₀溶液。

3.根据权利要求2所述的一种利用非对称场流仪分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的方法，其特征在于，步骤(1)所述溶剂选用超纯水、NaCl母液、腐殖酸母液、富里酸母液之中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的一种利用非对称场流仪分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的方法，其特征在于，所述NaCl母液的浓度为1～100mM；所述腐殖酸母液的浓度为0.5～10mg/L；所述富里酸母液的浓度为0.5～10mg/L。

5.根据权利要求2所述的一种利用非对称场流仪分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的方法，其特征在于，步骤(2)使用磁力搅拌子连续搅拌，搅拌时间为两周，然后静置24h。

6.根据权利要求2所述的一种利用非对称场流仪分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的方法，其特征在于，步骤(3)所述滤膜选用0.45μm或0.7μm孔径的滤膜。

7.根据权利要求1所述的一种利用非对称场流仪分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的方法，其特征在于，用非对称场流仪耦合多角度激光散射检测仪进行检测。

8.根据权利要求7所述的一种利用非对称场流仪分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的方法，其特征在于，非对称场流仪具有扁平腔室，所述扁平腔室的厚度为350μm。

9.根据权利要求8所述的一种利用非对称场流仪分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的方法，其特征在于，所述扁平腔室下的滤膜为10k Da的聚醚砜树脂膜。

10.根据权利要求7所述的一种利用非对称场流仪分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的方法，其特征在于，非对称场流仪的主体流的流速为1ml/min，交叉流初始流速为0.3ml/min，进过40min线性减小到零，进样量为1ml，聚焦时间为2min。