CN111285355B

CN111285355B - 单一手性碳纳米管及其镜像体宏量分离方法

Info

Publication number: CN111285355B
Application number: CN201811503891.7A
Authority: CN
Inventors: 杨德华; 刘华平; 周维亚; 解思深
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2038-12-10
Also published as: CN111285355A

Abstract

本发明提供一种单一手性碳纳米管及其镜像体宏量分离的方法，以下步骤：1)制备碳纳米管与复合表面活性剂水溶液的分散液；2)设定分离温度，将凝胶色谱柱、碳纳米管分散液、洗脱液调控至设定的分离温度；3)将步骤2)得到的碳纳米管分散液载入凝胶柱中，使用步骤2)得到的洗脱液选择性分步洗脱；4)改变分离温度，将另外的凝胶色谱柱、未被吸附的碳纳米管分散液、洗脱液调控至改变后的分离温度；5)将步骤4)得到的碳纳米管分散液载入凝胶柱中，使用洗脱液选择性分步洗脱。本发明的方法简单、高效、低成本、易于自动化分离，能够宏量分离出传统方法难以分离的碳纳米管。

Description

单一手性碳纳米管及其镜像体宏量分离方法

技术领域

本发明属于纳米材料的制备和分离领域，具体涉及一种从混合结构碳纳米管中宏量分离出多种单一手性碳纳米管及其镜像体的方法。

背景技术

碳纳米管是由石墨烯卷曲形成的一维管状分子，它不仅具有石墨烯优异的力学性能、热学性能、极高的载流子迁移率等特点，而且由于其一维螺旋结构，表现出优异的化学稳定性和结构可调的光学和电学性质，在电子、光电子集成电路、光通讯、生物医药等领域具有广泛的应用前景。但是碳纳米管特殊的性质来源于其结构，结构上的微小差异将导致性质的巨大不同。长期以来，合成的碳纳米管通常是以各种结构的混合物形式存在，由于结构的多样性，合成的碳纳米管的性质具有不可预测性，难以直接被应用，这是影响其性质研究和应用的瓶颈。

在过去的20余年，对碳纳米管的结构控制一直是碳纳米管研究领域的热点和难点。当前，对于碳纳米管的结构控制主要有两种途径：一种是通过生长直接控制碳纳米管结构；另一种是先合成包含不同结构的碳纳米管混合物，再通过后续的分离技术分离出所需结构的碳纳米管。通过生长直接实现对碳纳米管结构的精确控制是最理想的办法，可以简单、高效、低成本地制备需要的碳纳米管。然而经过多年的研究，碳纳米管结构通过生长精确控制还较难实现。相对于直接生长法，生长之后的处理分离技术对碳纳米管的结构具有较易控制的特点。近年来，溶液分离技术分离碳纳米管结构的研究取得了突破性的进展。先后报道了密度梯度离心法、离子交换色谱法、两相分离法、聚合物分离法以及凝胶色谱法等分离技术。这些分离技术表现出较强的碳纳米管结构分辨能力，能够分离多种近单一手性半导体碳纳米管。其中，凝胶色谱法具有操作简单、高效、低成本等特点，易于实现规模化分离。这使其相较于其他分离方法，在保证分离质量的前提下，在扩大规模和降低成本两方面具备极大优势。

当前，基于凝胶色谱法发展出来的各种分离手段已经能够分离出多种单一手性半导体碳纳米管甚至其镜像体，然而分离产量和纯度方面还有待进一步提高，特别是对于小手性角的碳纳米管的分离效率仍然较低，从而阻碍了碳纳米管物性的研究及其实际应用。

因此，当前需要发展和建立新的分离碳纳米管的方法，从而提高单一手性碳纳米管特别是小手性角（0°<α<20°）碳纳米管及其镜像体的分离效率。

发明内容

因此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种单一手性碳纳米管及其镜像体宏量分离的方法。本发明提供的方法以多段凝胶色谱技术为基础，将温度调控与复合表面活性剂体系相结合，协同调控使碳纳米管和凝胶之间相互作用，从而增强了碳纳米管在凝胶柱中的选择性吸附和脱附，实现了多种近锯齿型的单一手性碳纳米管及其镜像体的高效宏量分离，同时也实现了多种大手性角（20°<α<30°）单一手性碳纳米管及其镜像体的分离。

如本文所定义的，所述复合表面活性剂水溶液为含有两种或更多种表面活性剂的水溶液。

本发明是通过如下的技术方案实现的：

一种单一手性碳纳米管及其镜像体宏量分离的方法，所述方法包括以下步骤：

1）制备碳纳米管与复合表面活性剂水溶液的分散液；

2）根据拟分离的目标碳纳米管的结构设定分离温度为8-20℃，将凝胶色谱柱、步骤1）得到的碳纳米管分散液、洗脱液调控至设定的分离温度；

3）将步骤2）得到的碳纳米管分散液载入凝胶色谱柱中，使用步骤2）得到的洗脱液洗脱吸附在色谱柱中的碳纳米管及其镜像体并收集，得到一种或多种单一手性碳纳米管及其镜像体；

4）改变步骤2）所述的分离温度，将另外的凝胶色谱柱、未被吸附的碳纳米管分散液、洗脱液调控至改变后的分离温度；和

5）将步骤4）得到的碳纳米管分散液载入凝胶柱中，使用步骤4）得到的洗脱液选择性分步洗脱吸附在色谱柱中的碳纳米管及其镜像体并收集，得到另外的一种或多种单一手性碳纳米管及其镜像体；

其中，所述改变后的分离温度不高于30℃，并且所述改变后的分离温度不低于8℃。

根据本发明的分离方法，所述的方法还包括以下步骤：

重复步骤4）和步骤5），得到不同的单一手性碳纳米管及其镜像体；

优选地，所述方法还包括：

在步骤3）和步骤5）中，通过改变洗脱液中表面活性剂的各组分的浓度、比例或组成进行选择性分步洗脱。

根据本发明提供的分离方法，其中，在步骤2）中，如果首次分离的目标碳纳米管的手性角为0°<α<20°，分离温度为8-20℃，优选地为8-16℃，更优选地为10±1℃；

优选地，在步骤4）中，改变步骤2）所述的分离温度为逐步升高分离温度，升温梯度为1-5℃，优选地，升温梯度为1-2℃；优选地，所述分离温度最终改变至20±1℃。

根据本发明提供的分离方法，其中，在步骤1）中，所述分散液通过包括以下步骤的方法实现：

①将混合结构的碳纳米管超声分散在复合表面活性剂水溶液中，离心纯化以去除金属催化剂颗粒、碳纳米管束以及无定型碳杂质，得到碳纳米管分散液；或者，

②将混合结构的碳纳米管超声分散在一种表面活性剂水溶液中，离心纯化以去除金属催化剂颗粒、碳纳米管束以及无定型碳杂质，然后引入另外一种或多种表面活性剂以形成复合表面活性剂水溶液，得到碳纳米管分散液；

优选地，所述分散液中碳纳米管的浓度为0.001-4 mg/mL。

由于直接制备出来的碳纳米管中，碳纳米管处于相互缠绕成束的状态，在对不同结构的单一手性碳纳米管及其镜像体的分离前，需要将它们分散为单根。发明人发现，采用超声处理和添加表面活性剂溶液相结合的方式，可以得到单分散的碳纳米管分散液。为了除去分散液中金属催化剂、无定型碳和未充分分散的成束状碳纳米管，在超声梳理后，还需要采用离心的方式对分散液进行处理。

根据本发明提供的分离方法，其中，在步骤1）中，所述复合表面活性剂水溶液中的表面活性剂选自阴离子表面活性剂

优选地，所述复合表面活性剂包含两种或多种阴离子表面活性剂；更优选地，所述阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠、胆酸钠及其同族化合物；进一步优选地，所述阴离子表面活性剂选自八烷基硫酸钠、十烷基硫酸钠、十二烷基硫酸钠、正十六烷基硫酸钠胆酸钠、水合胆酸钠、脱氢胆酸钠、脱氧胆酸钠和脱氧胆酸钠水合物中的一种或多种；更进一步地优选地，所述阴离子表面活性剂选自十二烷基硫酸钠（SDS）、胆酸钠（SC）和脱氧胆酸钠（DOC）中的一种或多种。

更优选地，所述复合表面活性剂水溶液为胆酸钠和十二烷基硫酸钠的水溶液，或胆酸钠、十二烷基硫酸钠和脱氧胆酸钠的水溶液；

优选地，所述复合表面活性剂中各表面活性剂的浓度分别为：脱氧胆酸钠（DOC）0-0.3wt%、胆酸钠（SC）0.01-1wt%、十二烷基硫酸钠（SDS）0.1-3wt%；在步骤4）中，还包括在改变步骤2）所述的分离温度的同时，任选地改变未被吸附的碳纳米管分散液中复合表面活性剂的组分和/或浓度的步骤：

优选地，通过以下方法改变复合表面活性剂的组分和/或浓度：

I. 向未被吸附的碳纳米管分散液中直接加入一种或多种表面活性剂粉末，搅拌或使用超声分散，使之溶解在分散液中，加水稀释；

II. 配制含有复合表面活性剂的水溶液，与未被吸附的碳纳米管分散液混合，搅拌或使用超声分散，使之混合均匀；

Ⅲ. 将未被吸附的碳纳米管从分散液中提取出，重新制备碳纳米管与复合表面活性剂水溶液的分散液；

优选地，所述提取可以使用包括以下步骤的方法进行：

通过超速离心使未被吸附的碳纳米管沉降、或蒸发未被吸附的碳纳米管分散液中的水使碳纳米管沉积，或对未被吸附的碳纳米管分散液进行抽滤，将未被吸附的碳纳米管从分散液中提取出，洗去残留的表面活性剂，根据上述方法制备分散液，并改变其中的一种或多种表面活性剂的组分和/或浓度；或

Ⅳ. 使用透析、过滤、离心超滤、反渗透或切向流超滤，在未被吸附的碳纳米管分散液中进行复合表面活性剂的替换，用不同组分浓度或不同种类的复合表面活性剂替换原分散液中的复合表面活性剂。

根据本发明提供的分离方法，其中，在步骤2）和步骤4）中，所述洗脱液相同或不同；

优选地，所述洗脱液选自复合表面活性剂溶液或单一表面活性剂溶液；

优选地，所述洗脱液包含阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、或非离子型表面活性剂中的一种或多种；优选地，所述洗脱液包含一种或多种阴离子表面活性剂；更优选地，所述阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠、胆酸钠及其同族化合物；进一步优选地，所述阴离子表面活性剂选自八烷基硫酸钠、十烷基硫酸钠、十二烷基硫酸钠、正十六烷基硫酸钠胆酸钠、水合胆酸钠、脱氢胆酸钠、脱氧胆酸钠和脱氧胆酸钠水合物中的一种或多种；更进一步地优选地，所述阴离子表面活性剂选自十二烷基硫酸钠（SDS）、胆酸钠（SC）和脱氧胆酸钠（DOC）中的一种或多种。

根据本发明提供的分离方法，其中，所述复合表面活性剂溶液为胆酸钠和十二烷基硫酸钠的水溶液，或胆酸钠、十二烷基硫酸钠和脱氧胆酸钠的水溶液；

优选地，所述洗脱液的浓度为：脱氧胆酸钠（DOC）0-0.5wt%、胆酸钠（SC）0.01-2wt%、十二烷基硫酸钠（SDS）0.1-5wt%；

更优选地，在步骤3）和步骤5）中，通过改变洗脱液中表面活性剂的各组分的浓度、比例或组成进行选择性分步洗脱时，

所述洗脱液的浓度梯度为：起始时，脱氧胆酸钠（DOC）0-0.3wt%、胆酸钠（SC）0.01-1wt%、十二烷基硫酸钠（SDS）0.1-3wt%，分步洗脱过程中逐步提高其中一种或多种表面活性剂的浓度，浓度梯度为0.01-1wt%；

根据本发明提供的分离方法，其中，所述单一表面活性剂溶液为十二烷基硫酸钠、胆酸钠或脱氧胆酸钠的水溶液；

优选地，所述洗脱液的浓度为0.01-5wt%；

所述洗脱液的浓度梯度如下：

十二烷基硫酸钠水溶液：起始浓度为1-5wt%，升高浓度，浓度梯度0.5-3wt%；

胆酸钠水溶液：起始浓度为0.1-0.5wt%，升高浓度，浓度梯度0.1-3wt%；

脱氧胆酸钠水溶液：起始浓度为0.01-0.5wt%，升高浓度，浓度梯度0.01-0.1wt%；

根据本发明提供的分离方法，在步骤2）和3）中，具体温度应根据复合表面活性剂中各表面活性剂的组分和/或浓度以及分离的目标碳纳米管的结构具体选择；

优选地，在步骤3）中，填料基质根据步骤2）所设定的分离温度和复合表面活性剂组分和/或浓度，选择性地吸附具有相应的手性角的碳纳米管；

根据本发明提供的分离方法，其中，本发明中使用的填料基质经过洗脱液冲洗完毕，使用纯水反复清洗后，可以重复使用多次。

根据本发明提供的分离方法，其中，所述混合结构的碳纳米管为原始的未被分离过的碳纳米管、经其他方法或本方法初步分离后管径或手性结构分布较窄的碳纳米管；更优选地，在一些实施方案中，所述混合结构碳纳米管为原始的未经分离过的碳纳米管。在一些优选的实施方案中，所述混合结构碳纳米管为经过初步分离后管径和手性结构分布较窄的碳纳米管。更优选地，在一些实施方案中，所述的经过初步分离后的碳纳米管溶液中含有2-10种手性角相差较大的、管径在0.8-1.2nm的单壁碳纳米管。

根据本发明提供的分离方法，其中，所述步骤2）-5）中分离过程为人工操作或以液相色谱仪自动完成。

在一些实施方案中，对步骤3）的环境温度进行了调整。

本发明中作为分离对象的碳纳米管，只要为结构混合的碳纳米管均可适用，不受制备方法、管径、管长和碳纳米管结构（单壁和多壁）的限制。

本发明中使用填料基质吸附和分离单一手性碳纳米管及其镜像体，由于本发明中实现碳纳米管结构分离的要素在于通过改变温度来调节复合表面活性剂分子对不同结构碳纳米管的包覆，从而扩大它们与填料基质的作用力差异，达到分离效果，整个过程中未对填料基质的结构和种类进行过调整。填料基质购买自商售的色谱柱分离用凝胶填料：琼脂糖系列Separose（如，美国安玛西亚的公司生产）；葡聚糖-聚丙烯酰胺系列Sephacryl S（如，美国GE等公司生产）；葡聚糖系列SephadexTM（如，美国GRACE ALLTECH等公司生产）；琼脂糖-葡聚糖系列SurperdexTM等。

根据本发明提供的分离方法，其中，所述填料基质为多糖、蛋白质、高分子聚合物以及有机或无机高分子分离介质中的任意一种或两种以上组合。

本发明的发明思路如下，发明人以凝胶色谱技术为基础，发明了通过温度和复合表面活性剂协同调控碳纳米管与凝胶之间的相互作用，实现单一手性碳纳米管及其镜像体宏量分离的方法。基本原理如下：表面活性剂分子在碳纳米管表面的包覆，一方面利用其位阻和库伦排斥效应将碳纳米管分散和悬浮在水溶液中；另一方面调控碳纳米管在凝胶色谱柱中的吸附作用。由于不同结构碳纳米管包覆的表面活性剂分子形态和密度存在差异，从而导致它们与凝胶之间的作用力差异，实现碳纳米管结构的分离。本发明的方法中通过引入复合表面活性剂，分别从碳纳米管的直径和手性角对碳纳米管进行选择性吸附，增强不同结构碳纳米管表面包覆的表面活性剂分子密度的差异，从而提高凝胶媒介对碳纳米管结构的识别能力。更为出乎意料的是，发明人发现温度可以更精细地调控不同表面活性剂分子在碳纳米管表面的包覆结构，另一方面，洗脱液的组分和/或浓度改变后，不同结构的碳纳米管吸附能力对于温度的响应也有不同程度的改变。基于以上两个方面的因素，发明人同时调节了碳纳米管溶液的分离温度和洗脱液的组分和/或浓度，从而扩大它们吸附在不同碳纳米管上的吸附密度差异，有效缩短了分离的流程，提高了凝胶色谱法对分离效率。

发明人发现，利用复合表面活性剂胆酸钠/十二烷基硫酸钠或胆酸钠/十二烷基硫酸钠/脱氧胆酸钠分散的碳纳米管水溶液，在较低的分离温度下，载入凝胶柱后吸附的碳纳米管种类明显更少，与单一表面活性剂十二烷基硫酸钠分散的碳纳米管溶液情况相似。然而，不同的是在复合表面活性剂情况下，选择相对较低的温度（8-16℃）时，吸附的碳纳米管主要是手性角较小的半导体碳纳米管。但在20℃以上时，这两个体系下，填料基质对碳纳米管的选择性吸附却比较相似。具体地讲，在8-16℃下，在十二烷基硫酸钠的单一体系中，吸附能力较强的是手性角较大的碳纳米管，小手性角碳纳米管很难吸附在凝胶柱中，相反地，在两种或以上表面活性剂体系中大手性角碳纳米管吸附能力明显下降，而小手性角碳纳米管表现出了较强的吸附能力。这样，吸附在凝胶柱的小手性角碳纳米管通过洗脱液对其选择性脱附便可以分离出来。对于大手性角的碳纳米管，在较高的温度下吸附在凝胶柱中，利用洗脱液分步洗脱，实现其单一手性结构及镜像体的分离。基于该发明，可以高效地分离出更多种类的单一手性碳纳米管及其镜像体，特别是手性角较小的半导体碳纳米管。尤其是在样品中碳管种类较少、结构差异较大时，使用本发明的方法，同时调控温度和洗脱液，这种选择性吸附对分离起到了决定性作用。基于此，针对目标碳纳米管结构的不同，选择了不同的分离温度和复合表面活性剂配比。

本发明的常规步骤可以描述为将填料基质注入色谱柱中，装好色谱柱；调节碳纳米管分散液中的各个表面活性剂的浓度及配比；根据需要配置洗脱液；将分离所需的碳纳米管分散液、装入填料基质的色谱柱以及各浓度的洗脱液预先放置在温控设备中。完成这些准备工作，待温度稳定在设定温度后，将混合结构的碳纳米管分散液载入色谱柱，在该温度下，色谱柱中的填料基质选择性地吸附其中某种或某几种结构的碳纳米管，不能被吸附的其他碳纳米管随着溶液从色谱柱中流穿而出。首先，收集这部分未被吸附的碳纳米管，它们可作为原料，通过改变温度或各种表面活性剂的组分和/或浓度继续分离。而后，向色谱柱中加入洗脱液，收集从中脱附的手性富集的碳纳米管。根据实验需要，可以使用多步洗脱的方式，将各个组分不同洗脱液依次加入色谱柱，分别收集每种洗脱液洗脱的碳纳米管溶液。

洗脱后的碳纳米管溶液通过以下方法表征：

1. 吸收光谱表征

碳纳米管手性结构分布可以使用紫外-可见-近红外吸收光谱进行表征。不同结构、不同手性的碳纳米管在一定的波长范围内均具有特定的、分立的吸收峰，依靠吸收光谱中各个吸收峰的峰位可以准确判断所测样品中的碳纳米管的种类，也可以根据各个吸收峰的峰面积的相对值来计算该类碳纳米管的纯度。

2. 荧光光谱测试

荧光光谱利用了光致发光（PL）的原理，半导体碳纳米管具有分立的能带结构，当激发光的能量与某种半导体碳纳米管的能级间隙匹配时，碳纳米管吸收能量，电子向下跃迁后发射出另一特定波长的光，被探测器接收到。因此，荧光光谱也可以作为鉴别碳纳米管手性结构的重要参考。

3. 圆二色光谱测试

圆二色光谱是判断非对称结构分子构型和构象的常用手段。对于手性碳纳米管，手性指数相同的碳纳米管也可能具有不同的螺旋结构，它们的性质极为相似，这也导致对不同螺旋结构碳纳米管的分离更加困难。光吸收谱虽然能够依照手性指数准确辨识碳纳米管，但无法区分螺旋结构。具有螺旋结构的手性碳管纳米管，对于左旋和右旋圆偏振光的吸收系数也是不同的，这表现在圆二色光谱上，就是一系列正直或负值的吸收峰，依靠特定峰的峰位和强度可以鉴别碳纳米管的螺旋手性。

与现有技术相比，本发明的方法具有以下优点：

与传统的单一表面活性剂体系下的凝胶色谱法分离碳纳米管不同，本发明分离过程简单、高效、低成本、易于自动化分离，能够宏量分离出传统方法难以分离的碳纳米管，尤其对小手性角的碳纳米管具有非常好的分离效果，有利于促进碳纳米管的性质研究和实际应用。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1是根据本发明的实施例1，原始碳纳米管分散液和不同分离温度下凝胶色谱柱末端流出液的吸收光谱图；

图2A和图2B是根据本发明的实施例1，凝胶色谱柱末端流出液的荧光光谱图。

图3是是根据本发明的实施例2，不同组分和/或浓度的复核表面活性剂洗脱液依次加入凝胶色谱柱后凝胶色谱柱末端流出液的吸收光谱图；

图4A-E是根据本发明的实施例3，载入凝胶色谱柱前的各个样品和凝胶色谱柱末端流出液的吸收光谱图。

图5是将图4A-E中色谱柱末端流出液的吸收光谱整合到了一起；

图6是根据本发明的实施例3，凝胶色谱柱末端流出液的照片；

图7A-E是根据本发明的实施例3，凝胶色谱柱末端流出液的圆二色光谱图；

图8是根据本发明的对比例1，原始碳纳米管分散液及凝胶色谱柱末端流出液的吸收光谱图。

具体实施方式

以下结构附图和实施例对本发明做详细说明。

实施例1

本实施例用于具体说明本发明的单一手性碳纳米管及其镜像体宏量分离的方法。

1）制备碳纳米管与复合表面活性剂水溶液的分散液；

称取20 mg HiPco碳纳米管（Batch HR-29-037，NanoIntegris，直径1.0±0.3 nm）和0.2 g胆酸钠（SC）粉末，一同加入20 mL水中。利用超声破碎仪（Sonifire 450D，Branson）以功率30W/cm²将上述溶液在温度15度下超声分散1-5小时，经离心纯化去除金属催化剂颗粒、碳纳米管束以及无定型碳等杂质，取80wt%的上清液，随后引入十二烷基硫酸钠（SDS）表面活性剂，任选地加入水，使所述碳纳米管分散液中的表面活性剂浓度分别为0.5wt%SDS和0.5wt%SC，即得；

2）根据拟分离的目标碳纳米管的种类设定分离温度，将碳纳米管分散液、洗脱液和凝胶色谱柱调控至分离温度；

采用Sephacryl S-200 HR（GE Healthcare）葡聚糖凝胶作为色谱柱媒介，调控分离系统温度至特定的分离温度（10±1℃）（分离系统包括凝胶色谱柱、洗脱液、碳纳米管分散液）。

3）使用10±1℃的0.5 wt% SDS和0.5 wt% SC的复合表面活性剂水溶液对凝胶柱冲洗后，将步骤1）得到的分散液于10±1℃载入凝胶柱中，凝胶柱选择性吸附了目标结构的碳纳米管；其中，10±1℃下未吸附的碳纳米管流经凝胶色谱柱后在色谱柱下方收集。10±1℃下吸附在凝胶柱中的碳纳米管利用SDS浓度为5wt%的水溶液洗脱并收集；

4）设置分离温度至12±1℃，将碳纳米管分散液、洗脱液和凝胶色谱柱调控至分离温度；

5）载入分离温度10±1℃时未吸附的碳纳米管溶液至凝胶柱中，12±1℃下未吸附的碳纳米管流经凝胶色谱柱后在色谱柱下方收集。12±1℃下被凝胶柱吸附的碳纳米管利用SDS浓度为5wt%的水溶液洗脱并收集；

如此以2℃的步长逐渐增加分离温度。在每一个分离温度下，载入上一个分离过程中未吸附的碳纳米管溶液，并使用SDS浓度为5wt%的水溶液洗脱吸附的碳纳米管并收集；

对于每个特定分离温度下被吸附并被SDS浓度为5wt%的水溶液洗脱的碳纳米管溶液进行表征，参数表征如下：

1. 吸收光谱测定

使用紫外-可见-近红外分光光度计（UV-3600，Shimadazu），测试收集的各个温度下被洗脱液洗脱的碳纳米管溶液，结果如图1所示。最上方黑线代表了原始的混合结构碳纳米管的吸收光谱，下方的谱线依次代表了10-22℃下，随温度升高，填料基质依次在各温度下吸附的碳纳米管的吸收光谱。其中，在波长850-1350 nm范围内的吸收峰代表碳纳米管的S₁₁吸收，500-800 nm内为S₂₂吸收，400-600 nm内为M₁₁吸收。与分离前的混合结构碳纳米管相比，在不同温度下，吸附在凝胶柱中的碳纳米管手性结构富集明显不同。在10-16℃下，填料基质吸附了手性角（0°<α<20°）相对较小的碳纳米管，且随着温度升高，所吸附的碳纳米管的管径逐渐增大。在16-22℃下，随着温度升高，则按照管径由小到大的顺序吸附了手性角偏大（20°<α<30°）的碳纳米管。此外，M₁₁吸收峰的缺失意味着手性分离的同时也实现了半导体性和金属性碳纳米管的分离。

2. 荧光光谱测定

为了进一步验证10-16℃下调节表面活性剂组分和/或浓度对碳纳米管按照手性角的选择性分离效果，对10±1℃下被吸附的（图2A）和20±1℃下未被吸附的（图2B）碳纳米管进行了荧光光谱测定，识别碳纳米管的手性指数，使用了荧光光谱仪（Horiba，Nanolog）。从PL等高线图中可以清楚辨识各个碳纳米管的手性种类，如图2所示。在较低温度下被吸附的碳纳米管几乎全为手性角小于20˚的碳纳米管（图2A），而未被吸附的碳纳米管几乎全部具有20-30˚的手性角（图2B），说明了它们结构上的明显差异和分离的效果。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤2）中，温度设定为12℃；

在步骤3）中，采用选择性分步洗脱，具体地，洗脱被凝胶柱吸附的碳纳米管不再使用浓度为5wt%的SDS溶液，而是将不同组分和/或浓度的洗脱液依次加入色谱柱，进行选择性分步洗脱，并分别收集各个洗脱液所洗脱出的碳纳米管溶液，进行吸收光谱的测试。具体地，在洗脱阶段，首先向凝胶柱中加入含有0.024wt%DOC+0.5wt%SC+0.5wt%SDS的水溶液作为第一步洗脱液，收集洗脱的碳纳米管溶液并测试。该洗脱液只能选择性洗脱出部分碳纳米管。而后在下一步向凝胶柱加入0.030wt%DOC+0.5wt%SC+0.5wt%SDS的水溶液作为第二步洗脱液，洗脱并收集这部分选择性洗脱的碳纳米管并做表征测试；依照以上流程，再依次向凝胶柱加入0.040wt%DOC+0.5wt%SC+0.5wt%SDS和0.042wt%DOC+0.5wt%SC+0.5wt%SDS的水溶液，分别从凝胶柱选择性洗脱出特定结构的碳纳米管，收集后进行表征测试。对于直接流过凝胶柱的未吸附的碳纳米管溶液收集后不再进行步骤4）的操作。如图3所示，图中每条曲线上方标明了所用的洗脱液中各表面活性剂组分和/或浓度。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例采用了预先粗分离后具有不同的管径和手性分布的混合碳纳米管溶液作为原料，这些经过预先分离的碳纳米管来自于市售的原始的HiPco碳纳米管，图5中最上一条线为此原始碳纳米管的光吸收谱。经过预先的粗分离后，每个样品中含有2-10种手性角相差较大的、管径分布在0.8-1.2nm左右的单壁碳纳米管。针对各种不同结构的目标碳纳米管，本实施例单独对各个样品采用了不同参数。本实施例调节碳纳米管溶液中各表面活性剂的组分和/或浓度至0.5wt%SDS+0.5wt%SC或0.25wt%SC+1.5wt%SDS，于12℃、14℃、15℃、16℃、18℃下进行分离。

具体的温度控制色谱分离方法如下：

样品1中主要含有（7,3）碳纳米管，还有少量（9,1）、（6,4）和金属性碳纳米管，光吸收谱如图4A中最上一条线所示。将样品1中表面活性剂调节至0.5wt%SDS+0.5wt%SC，在10-13℃下使用色谱柱分离，此条件下凝胶柱选择性吸附了（7,3）碳纳米管，而其他碳纳米管随溶液直接流出。用2wt%SDS作为洗脱液洗脱并测试洗脱出来的碳纳米管溶液，如图4A；

样品2中主要含有（6,5）（9,1）两种碳纳米管和少量管径在0.9nm左右的碳纳米管作为杂质，光吸收谱如图4B中最上一条线所示。将样品2中表面活性剂调节至0.5wt%SDS+0.5wt%SC，在12-16℃下使用色谱柱分离，此条件下凝胶柱选择性吸附了（9,1）碳纳米管，而其他碳纳米管随溶液直接流出。用2wt%SDS作为洗脱液洗脱并测试洗脱出来的碳纳米管溶液，如图4B；

样品3中主要含有（8,3）、（10,2）等碳纳米管，还有一些管径在0.9-1.0nm的混合半导体性碳纳米管，光吸收谱如图4C中最上一条线所示。将样品3中表面活性剂调节至0.5wt%SDS+0.5wt%SC，在15-20℃下使用色谱柱分离，此条件下凝胶柱选择性吸附了（8,3）和（10,2）碳纳米管，而其他碳纳米管随溶液直接流出。先后用2wt%SDS和5wt%SDS作为洗脱液洗脱并测试洗脱出来的碳纳米管溶液，如图4C；

样品4中主要含有（9,2）、（7,6）碳纳米管和一些管径在0.9nm左右的半导体性碳纳米管，光吸收谱如图4D中最上一条线所示。将样品4中表面活性剂调节至0.5wt%SDS+0.5wt%SC，在14-18℃下使用色谱柱分离，此条件下凝胶柱选择性吸附了（9,2）碳纳米管，而其他碳纳米管随溶液直接流出。用2wt%SDS作为洗脱液洗脱并测试洗脱出来的碳纳米管溶液，如图4D；

样品5中主要含有（7,5）、（8,4）、（11,1）几种碳纳米管，光吸收谱如图4E中最上一条线所示。将样品5中表面活性剂调节至2wt%SDS，在12-14℃下使用色谱柱分离后，此条件下凝胶柱选择性吸附了（7,5）碳纳米管，而其他碳纳米管随溶液直接流出。用5wt%SDS作为洗脱液洗脱并测试洗脱出来的碳纳米管溶液，然后，将未吸附的碳纳米管中表面活性剂调至0.25wt%SC+1.5wt%SDS，在16-20℃下使用色谱柱分离，此条件下凝胶柱选择性吸附了（11,1）碳纳米管，而其他碳纳米管随溶液直接流出。用5wt%SDS作为洗脱液洗脱并测试洗脱出来的碳纳米管溶液，如图4E。

样品1至5分离的结果的光吸收谱整合在图5中，最上方是原始碳纳米管的光吸收谱。

样品1至5分离的结果展示在图6的照片中，不同的颜色来自于不同结构的碳纳米管在可见光波段内对特定波长光的吸收。

对于分离得到的单一手性碳纳米管利用圆二色光谱（CD）进行表征，所用仪器为圆二色光谱仪（J-1500，JASCO），使用不含碳纳米管空白表面活性剂溶液测量基线，将分离所得的碳纳米管溶液加入石英比色皿中进行直接测量，当被测样品中左右螺旋镜像体富集时，在相应的光吸收峰位置会出现正负交替圆二色光谱峰。结果如图7所示，各圆二色光谱图中明显的峰代表了分离出的碳纳米管不仅具有单一的（n，m）手性指数，更具有相同的螺旋结构。证明了本分离方法具有极高的分辨率。

对比例1

采用与实施例2基本相同的方法进行碳纳米管分离，不同之处在于：步骤2）和3）中，不再设定特定温度，而将分散液、洗脱液和凝胶色谱柱放置在室温下，实验室温为25℃；步骤3）中收集未被凝胶吸附的碳纳米管溶液后不再重新设定温度和复合表面活性剂组分和/或浓度进行步骤4）的操作。实验结果如图8所示，其中上边的线为原始碳纳米管分散液的光吸收谱，下边的线为被凝胶柱吸附而后被5wt%SDS水溶液洗脱液洗脱并在凝胶柱末端收集的碳纳米管溶液光吸收谱。实验发现，仅依靠复合表面活性剂而不设定特定分离温度，分离效果仅能实现金属/半导体性碳纳米管的分离，分离后的碳纳米管在S₁₁和S₂₂区域内吸收峰明显多于对比图1-图5的结果，无法对于半导体碳纳米管进一步的结构分离，也不能得到单一手性碳纳米管及其镜像体。

以上仅是本发明的优选实施方案，本发明不限于上述实施方式的具体细节，本领域技术人员还可以在本发明的基础上做其他变化，这些依据本发明所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims

1.一种单一手性碳纳米管及其镜像体宏量分离的方法，所述方法包括以下步骤：

1)制备碳纳米管与复合表面活性剂水溶液的分散液，其中所述复合表面活性剂水溶液为胆酸钠和十二烷基硫酸钠的水溶液，或胆酸钠、十二烷基硫酸钠和脱氧胆酸钠的水溶液；

2)根据拟分离的目标碳纳米管的结构设定分离温度为8-16℃，将凝胶色谱柱、步骤1)得到的碳纳米管分散液、洗脱液调控至设定的分离温度；

3)将步骤2)得到的碳纳米管分散液载入凝胶色谱柱中，使用步骤2)得到的洗脱液洗脱吸附在色谱柱中的碳纳米管及其镜像体并收集，得到一种或多种手性角为0°<α<20°的单一手性碳纳米管及其镜像体；

4)改变步骤2)所述的分离温度，将另外的凝胶色谱柱、未被吸附的碳纳米管分散液、洗脱液调控至改变后的分离温度；和

5)将步骤4)得到的碳纳米管分散液载入凝胶柱中，使用步骤4)得到的洗脱液选择性分步洗脱吸附在色谱柱中的碳纳米管及其镜像体并收集，得到另外的一种或多种单一手性碳纳米管及其镜像体；

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤：

重复步骤4)和步骤5)，得到不同的单一手性碳纳米管及其镜像体。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括：

在步骤3)和步骤5)中，通过改变洗脱液中表面活性剂的各组分的浓度、比例或组成进行选择性分步洗脱。

4.根据权利要求1所述分离方法，其中，在步骤2)中，分离温度为10±1℃。

5.根据权利要求1所述分离方法，其中，在步骤4)中，改变步骤2)所述的分离温度为逐步升高分离温度，升温梯度为1-5℃。

6.根据权利要求5所述分离方法，其中，在步骤4)中，升温梯度为1-2℃。

7.根据权利要求5所述分离方法，其中，所述分离温度最终改变至20±1℃。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，在步骤1)中，所述分散液通过包括以下步骤的方法实现：

②将混合结构的碳纳米管超声分散在一种表面活性剂水溶液中，离心纯化以去除金属催化剂颗粒、碳纳米管束以及无定型碳杂质，然后引入另外一种或多种表面活性剂以形成复合表面活性剂水溶液，得到碳纳米管分散液。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述分散液中碳纳米管的浓度为0.001-4mg/mL。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤1)中，所述复合表面活性剂中各表面活性剂的浓度分别为：脱氧胆酸钠(DOC)0-0.3wt％、胆酸钠(SC)0.01-1wt％、十二烷基硫酸钠(SDS)0.1-3wt％。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，在步骤4)中，还包括在改变步骤2)所述的分离温度的同时，任选地改变未被吸附的碳纳米管分散液中复合表面活性剂的组分和/或浓度的步骤。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过以下方法改变复合表面活性剂的组分和/或浓度：

I.向未被吸附的碳纳米管分散液中直接加入一种或多种表面活性剂粉末，搅拌或使用超声分散，使之溶解在分散液中，加水稀释；

II.配制含有复合表面活性剂的水溶液，与未被吸附的碳纳米管分散液混合，搅拌或使用超声分散，使之混合均匀；

Ⅲ.将未被吸附的碳纳米管从分散液中提取出，重新制备碳纳米管与复合表面活性剂水溶液的分散液。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述提取使用包括以下步骤的方法进行：

通过超速离心使未被吸附的碳纳米管沉降、或蒸发未被吸附的碳纳米管分散液中的水使碳纳米管沉积，或对未被吸附的碳纳米管分散液进行抽滤，将未被吸附的碳纳米管从分散液中提取出，洗去残留的表面活性剂，根据如权利要求8所述的方法制备分散液，并改变其中的一种或多种表面活性剂的组分和/或浓度；或

Ⅳ.使用透析、过滤、离心超滤、反渗透或切向流超滤，在未被吸附的碳纳米管分散液中进行复合表面活性剂的替换，用不同组分浓度或不同种类的复合表面活性剂替换原分散液中的复合表面活性剂。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤2)和步骤4)中，所述洗脱液相同或不同。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤2)和步骤4)中，所述洗脱液选自复合表面活性剂溶液或单一表面活性剂溶液。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤2)和步骤4)中，所述洗脱液包含阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、或非离子型表面活性剂中的一种或多种。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤2)和步骤4)中，所述洗脱液包含一种或多种阴离子表面活性剂。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠、胆酸钠及其同族化合物。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述阴离子表面活性剂选自八烷基硫酸钠、十烷基硫酸钠、十二烷基硫酸钠、正十六烷基硫酸钠胆酸钠、水合胆酸钠、脱氢胆酸钠、脱氧胆酸钠和脱氧胆酸钠水合物中的一种或多种。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述阴离子表面活性剂选自十二烷基硫酸钠(SDS)、胆酸钠(SC)和脱氧胆酸钠(DOC)中的一种或多种。

21.根据权利要求15所述的方法，其中，所述复合表面活性剂溶液为胆酸钠和十二烷基硫酸钠的水溶液，或胆酸钠、十二烷基硫酸钠和脱氧胆酸钠的水溶液。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述洗脱液的浓度为：脱氧胆酸钠(DOC)0-0.5wt％、胆酸钠(SC)0.01-2wt％、十二烷基硫酸钠(SDS)0.1-5wt％。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，在步骤3)和步骤5)中，通过改变洗脱液中表面活性剂的各组分的浓度、比例或组成进行选择性分步洗脱时，所述洗脱液中起始时复合表面活性剂组分和浓度各自为：脱氧胆酸钠(DOC)0-0.3wt％、胆酸钠(SC)0.01-1wt％、十二烷基硫酸钠(SDS)0.1-3wt％，分步洗脱过程中逐步提高其中一种或多种表面活性剂的浓度，浓度梯度为0.01-1wt％。

24.根据权利要求17所述的方法，其中，所述单一表面活性剂溶液为十二烷基硫酸钠、胆酸钠或脱氧胆酸钠的水溶液。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述洗脱液的浓度为0.01-5wt％。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，在步骤3)和步骤5)中，通过改变洗脱液中表面活性剂的各组分的浓度、比例或组成进行选择性分步洗脱时，所述洗脱液的浓度梯度如下：

十二烷基硫酸钠水溶液：起始浓度为1-5wt％，升高浓度，浓度梯度0.5-3wt％；

胆酸钠水溶液：起始浓度为0.1-0.5wt％，升高浓度，浓度梯度0.1-3wt％；

脱氧胆酸钠水溶液：起始浓度为0.01-0.5wt％，升高浓度，浓度梯度0.01-0.1wt％。

27.根据权利要求1所述的方法，其中，所述凝胶色谱柱的填料基质为多糖、蛋白质以及有机或无机高分子分离介质中的任意一种或两种以上组合。