CN110346239B - 一种纳米材料密度的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳米材料密度的检测方法，所述纳米材料密度的检测方法包括：所述纳米材料密度的检测方法包括：将纳米材料配制成质量分数梯度的纳米材料分散液，而后根据线性回归法，通过测试质量分数梯度的纳米材料分散液的密度，从而得到纳米材料的密度；检测方法具有测试简单、精确度高、成本低以及耗时短等优点，测试一个样品仅需几分钟即可完成；样品处理简单，只需要将纳米材料在溶剂中级次稀释，不需要繁杂的处理过程；需要的样品量少，单次测量需要样品的体积可减少至1.0mL；且可避免测试纳米材料的质量和体积，为准确度和精确度提供了保障。
Description
技术领域
本发明属于测量领域，涉及一种纳米材料密度的检测方法。
背景技术
纳米材料是纳米科学与技术发展的重要基础之一。纳米材料具有独特的性质，当物质的尺寸小到一定程度时，它的光学、电学、力学、热学性能等与块体材料相比有显著的不同，就熔点而言，由于纳米材料的表面积大，表面原子处于不安定状态，具有较高的表面能，造成其熔点下降，例如银的常规熔点为670℃,而超微银颗粒的熔点可低于100℃，同样，纳米材料的密度可能跟块体材料略有不同。密度在科学研究和生产生活中有着广泛的应用，但在目前的研究中，我们所使用的纳米材料的密度，通常等同于块体材料的密度，这就给一些高精度的研究带来了误差。另一方面，许多物质本身尺度在纳米级范围，例如蛋白质，蛋白质粒子的密度尚未通过实验测量，迄今为止，研究人员一直在使用估计的密度值，一般在1.32～1.35g/cm3之间，Emilien Folzer用悬浮微通道谐振器，首次实验测得蛋白质的密度，使用的颗粒是三种不同的蛋白质在四种不同的应力条件下的，测量到的密度值在1.28到1.33g/cm3之间变化，低于之前的估计。不同应力条件下牛血清蛋白(BSA)粒子的测量密度在1.31～1.33g/cm3之间。
因此，提供一种能够准确纳米材料的密度的方法非常有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米材料密度的检测方法，该检测方法具有测试简单、精确度高、成本低以及耗时短能优点，测试一个样品仅需几分钟即可完成；样品处理简单，只需要将纳米材料在溶剂中简单分散，不需要繁杂的处理过程；需要的样品量少，单次测量需要样品的体积低至1.0mL。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的在于提供一种纳米材料密度的检测方法，所述纳米材料密度的检测方法包括：将纳米材料配制成质量分数梯度的纳米材料分散液，而后根据线性回归法，通过测试质量分数梯度的纳米材料分散液的密度，从而得到纳米材料的密度。
在本发明中，所述纳米材料包括纳米金属颗粒、纳米氧化物、富勒烯或蛋白质中的任意一种或至少两种的组合。
在本发明中，所述纳米材料包括纳米二氧化硅和/或牛血清白蛋白。
在本发明中，所述纳米材料的粒径为1-100nm，例如1nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm等。
本发明中通过线性回归计算纳米材料的密度，具有测试结果精确、测试方法简单、成本低以及耗时短等优点；纳米材料在溶解中难以溶解，也不会分解或电离，是悬浮在溶剂中，且纳米材料的表面积过大，表面原子处于不安定转移，具有较高的表面能，能造成其熔点下降，且极易吸附键结外来原子，不能准确检测其体积以及质量，难以用常规的密度仪直接测量；本发明中采用级次稀释-线性回归测试纳米材料的密度，无需直接测试纳米材料的质量和体积，将纳米材料的密度转换为测纳米材料不同浓度分散液的密度，通过准确测试各纳米材料分散液的密度，从而确定纳米材料的密度。
在本发明中，所述质量分数梯度的纳米材料溶液的溶剂为无机溶剂和/或有机溶剂，优选无机溶剂。
在本发明中，所述有机溶剂包括乙醇、甲醇、丙酮、二氯甲烷或正己烷中的任意一种或至少两种的组合。
在本发明中，所述无机溶剂包括水、氯化钠溶液、硫酸溶液或硝酸溶液中的任意一种或至少两种的组合，优选水。
在本发明中，所述质量分数梯度的纳米材料分散液中纳米材料的质量分数为x，其中x为0.05-25％，例如0.05％、1％、3％、5％、8％、10％、12％、15％、17％、20％、22％、25％等。
在本发明中，所述质量分数梯度的纳米材料分散液的配制方法包括：将纳米材料分散到溶剂中，而后通过稀释，得到所述质量分数梯度的纳米材料分散液。
在本发明中，所述分散的方式为超声。
在本发明中，所述分散的时间为10-30min，例如10min、12min、15min、17min、20min、22min、25min、27min、30min等。
在本发明中，所述稀释的方式包括逐级稀释或直接稀释。
在本发明中，所述线性回归计算公式包括：
m1+m2＝m 式(1)；
其中，m1为纳米材料的质量，m2为溶剂的质量，m为纳米材料分散液的质量；
m1＝ρ1V1＝xρV 式(2)
V1+V2＝V 式(3)
m＝ρV 式(5)
其中，ρ1为纳米材料的密度，V1为纳米材料的排水体积，x为纳米材料分散液中纳米材料的质量分数；ρ2为溶剂的密度，V2为溶剂的体积；ρ为纳米材料分散液的密度，V为纳米材料分散液的体积；
由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)可得：
在本发明中，所述纳米材料的密度包括所述纳米材料的密度包括通过质量分数梯度的纳米材料分散液及其对应的密度线性回归曲线并结合式(6)得到的。
在本发明中，所述质量分数梯度的纳米材料分散液的密度和溶剂的密度均是通过高精度数字式密度计测得的。
在本发明中，所述高精度数字式密度计的测量范围为0-3g/cm3，例如0.3g/cm3、0.5g/cm3、0.8g/cm3、1g/cm3、1.2g/cm3、1.5g/cm3、1.7g/cm3、2g/cm3、2.2g/cm3、2.5g/cm3、2.7g/cm3、3g/cm3等。
在本发明中，所述高精度数字式密度计的工作参数包括：温度：0-100℃，例如0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃等。
本发明中采用高精度数字式密度计测试纳米材料溶液的密度是根据U型管内充满不同介质时震荡频率不同的原理进行液体密度测量的，每一个U型玻璃管都有其特征频率或按固有频率振动，当玻璃管内充满液体后其频率会发生变化，不同的物质频率变化会有所不同，其频率为管内填充物质质量的函数，由于待测溶液中所含纳米材料的含量不同，其质量不同，故而溶液密度有微小的差异，进而求出纳米材料的密度。所使用的密度计精度高，可精确到小数点后六位有效数字，这使得所使用的样品用量少，几百微克就可以得出其密度；温度恒定，物质在不同的温度下密度略有不同，所使用的密度计可保持温度不变，确保不同质量分数的溶液在相同的条件下测量，使结果更准确。
在本发明中，所述纳米材料密度的检测方法包括：
(1)将纳米材料超声分散到溶剂中，分散10-30min，得到已知质量分数的纳米材料分散液；
(2)将步骤(1)得到的已知质量分数的纳米材料分散液稀释得到质量分数梯度的纳米材料分散液；
(3)通过测试步骤(2)中质量分数梯度的纳米材料分散液的密度以及步骤(1)中用溶剂的密度，根据式(6)计算纳米材料的密度。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的检测方法具有测试简单、精确度高(误差在5％以内)、成本低以及耗时短等优点，测试一个样品仅需几分钟即可完成；样品处理简单，只需要将纳米材料在溶剂中简单分散，不需要繁杂的处理过程；需要的样品量少，单次测量需要样品的体积低至1.0mL；且可避免测试纳米材料的质量和体积，为准确度和精确度提供了保障。
附图说明
图1是实施例1中质量分数梯度的二氧化硅材料溶液以及对应的密度的曲线图；
图2是实施例2中质量分数梯度的BSA溶液以及对应的密度的曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种二氧化硅纳米材料密度的测试方法，测试方法如下：
(1)将0.4768g粒径为20nm的二氧化硅颗粒加入到9.4149g水中，超声分散20min，得到质量分数为4.82％的二氧化硅纳米材料的分散液；
(2)将步骤(1)得到质量分数为4.82％的二氧化硅纳米材料的分散液分别取1.2747g、0.9g、0.5607g、0.2312g，而后均加约2g水进行稀释，得到质量分数分别为2.55％、1.86％、1.15％、0.46％的二氧化硅材料的分散液；
(3)将步骤(1)以及步骤(2)得到的5个溶液和纯水(质量分数为0)均放入抽气装置中抽气15min，去除溶液中的气泡，减少气泡对纳米材料排水体积的干扰；
(4)将高精度数字式密度计的测试温度保持在25℃，按照质量分数从低至高依次测量纯水以及质量分数梯度的二氧化硅材料分散液的密度；
(5)将质量分数以及测得的分散液的密度，依据公式
拟合曲线，得到二氧化硅纳米材料的密度。
图1为本实施例中不同质量分数的二氧化硅材料分散液以及对应的密度的曲线图，其中曲线为依据公式
拟合得到的曲线，得到回归方程
由回归方程得到相关系数(R2)为0.99989，说明该曲线线性良好，图1中的点值代表高精度数字式密度计测试的质量分数分别为4.82％、2.55％、1.86％、1.15％、0.46％的二氧化硅纳米材料分散液的密度值，从图1可以看出，仪器测试的实验值均落在曲线上，进一步说明曲线的准确性。
表1为将上述步骤重复三次进行测量，测得密度为2.1x±0.02，其中x分别为4.82％、2.55％、1.86％、1.15％、0.46％，具体情况如下：
表1
| 第一次测量 | 第二次测量 | 第三次测量 | |
| R<sup>2</sup> | 0.99989 | 0.99908 | 0.99977 |
| ρ<sub>1</sub> | 2.08628 | 2.12421 | 2.11202 |
| 标准偏差 | 0.01029 | 0.03573 | 0.01455 |
从表1可知，通过三次测量，测量的标准偏差均控制在5％以内，说明测试可重现性高。
采用其他方法测得的二氧化硅颗粒密度为2.2g/cm3，更接近块体材料的密度，通过本实施例可以测粒径非常微小(<10nm)、表面及体缺陷非常多的纳米颗粒的密度，这是其他方法不易准确测量得，说明本实施例中提供的方法对于测量微小、多缺陷颗粒密度的准确性较高。
实施例2
本实施例提供一种牛血清白蛋白(BSA)密度的测试方法，测试方法如下：
(1)将粒径为10nm的BSA加入到3.057g水中，超声分散10min，得到质量分数为8.05％的BSA的溶液；
(2)将步骤(1)得到质量分数为8.05％的BSA的溶液分别取0.8513g、0.3869g、0.1097g、0.0585g，而后均加约2g水进行稀释，得到质量分数分别为2.69％、1.05％、0.32％、0.15％的BSA的溶液；
(3)将步骤(1)以及步骤(2)得到的5个BSA溶液和纯水(质量分数为0)均放入抽气装置中抽气15min，去除溶液中的气泡，减少气泡对蛋白质排水体积的干扰；
(3)将高精度数字式密度计的测试温度保持在25℃，按照质量分数从低至高依次测量纯水以及步骤(1)和步骤(2)得到的质量分数梯度的BSA溶液的密度；
(4)将质量分数以及测得的溶液的密度，依据公式
拟合曲线，得到BSA的密度。
图2为本实施例中质量分数梯度的BSA溶液以及对应的密度的曲线图，其中曲线为依据公式
拟合得到的曲线，得到回归方程
由回归方程得到相关系数(R2)为1，说明该曲线线性良好，图2中的点值代表高精度数字式密度计测试的质量分数分别为2.69％、1.05％、0.32％、0.15％的BSA溶液的密度值，从图2可以看出，仪器测试的实验值均落在曲线上，进一步说明曲线的准确性。
表2为将上述步骤重复三次进行测量，测得密度为1.33x±0.003，其中x选自2.69％、1.05％、0.32％、0.15％，具体情况如下：
表2
| 第一次测量 | 第二次测量 | 第三次测量 | |
| R<sup>2</sup> | 1 | 0.99981 | 0.99939 |
| ρ<sub>1</sub> | 1.33224 | 1.33296 | 1.33130 |
| 标准偏差 | 4.23084E<sup>-4</sup> | 0.00302 | 0.00549 |
从表1可知，通过三次测量，测量的标准偏差均控制在1％以内，说明测试可重现性高。
将该BSA采用悬浮微通道谐振器进行测试，测得其密度为1.31-1.33g/cm3，通过本实施例中得到的BSA的密度和采用悬浮微通道谐振器测试得到的密度对比，说明本实施例中提供的方法准确性高，能够用于BSA密度的测试。
对比例1
本对比例采用简单阿基米德法测试二氧化硅纳米材料的密度，测试方法包括：称取4g二氧化硅纳米材料，浸入盛满水的容器中，测排水的体积，根据质量和体积计算二氧化硅纳米材料的密度。
本对比例中，测出排水体积为2ml，根据质量和体积算出二氧化硅纳米材料的密度为2.0g/cm3，通过对比例和实施例1的数据对比，说明通过简单阿基米德法测试误差较大，测试结果不准确，且通过连续几次测量，测试误差在20％左右，说明纳米材料密度的计算方法采用简单的排水法并不可靠。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (19)
1.一种纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述纳米材料密度的检测方法包括：将纳米材料配制成质量分数梯度的纳米材料分散液，而后根据线性回归法，通过测试质量分数梯度的纳米材料分散液的密度，从而得到纳米材料的密度；
所述质量分数梯度的纳米材料分散液中纳米材料的质量分数为x，其中x为0.05-25％。
2.根据权利要求1所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述纳米材料包括纳米金属颗粒、纳米氧化物、富勒烯或蛋白质中的任意一种或至少两种的组合。
3.根据权利要求1所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述纳米材料包括纳米二氧化硅和/或牛血清白蛋白。
4.根据权利要求1所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述纳米材料的粒径为1-100nm。
5.根据权利要求1所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述质量分数梯度的纳米材料分散液的溶剂为无机溶剂和/或有机溶剂。
6.根据权利要求5所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述质量分数梯度的纳米材料分散液的溶剂为无机溶剂。
7.根据权利要求5所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述有机溶剂包括乙醇、甲醇、丙酮、二氯甲烷或正己烷中的任意一种或至少两种的组合。
8.根据权利要求5所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述无机溶剂包括水、氯化钠溶液、硫酸溶液或硝酸溶液中的任意一种或至少两种的组合。
9.根据权利要求5所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述无机溶剂为水。
10.根据权利要求1所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述质量分数梯度的纳米材料分散液的配制方法包括：将纳米材料分散到溶剂中，而后通过稀释，得到所述质量分数梯度的纳米材料分散液。
11.根据权利要求10所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述分散的方式为超声。
12.根据权利要求10所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述分散的时间为10-30min。
13.根据权利要求10所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述稀释的方式包括逐级稀释或直接稀释。
14.根据权利要求1所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述线性回归计算公式包括：
m1+m2＝m 式(1)；
其中，m1为纳米材料的质量，m2为溶剂的质量，m为纳米材料分散液的质量；
m1＝ρ1V1＝xρV 式(2)
V1+V2＝V 式(3)
m＝ρV 式(5)
其中，ρ1为纳米材料的密度，V1为纳米材料的排水体积，x为纳米材料分散液中纳米材料的质量分数；ρ2为溶剂的密度，V2为溶剂的体积；ρ为纳米材料分散液的密度，V为纳米材料分散液的体积；
由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)可得：
15.根据权利要求14所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述纳米材料的密度是通过质量分数梯度的纳米材料分散液及其对应的密度的线性回归曲线，并结合式(6)得到的。
16.根据权利要求15所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述质量分数梯度的纳米材料分散液的密度和溶剂的密度均可通过高精度震荡式数字密度计测得的。
17.根据权利要求16所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述高精度数字式密度计的测量范围为0-3g/cm3。
18.根据权利要求16所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述高精度数字式密度计的测试温度为0-100℃。
19.根据权利要求1-18任一项所述的纳米材料密度的检测方法，其特征在于，所述纳米材料密度的检测方法包括：
(1)将纳米材料超声分散到溶剂中，分散10-30min，得到已知质量分数的纳米材料分散液；
(2)将步骤(1)得到的已知质量分数的纳米材料分散液稀释得到质量分数梯度的纳米材料分散液；
(3)通过测试步骤(2)中质量分数梯度的纳米材料分散液的密度以及步骤(1)中用溶剂的密度，根据线性回归法并结合式(6)，得到纳米材料的密度。
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