李鵬松，蔡 釗，李 莉，羅 亮，鄺 允，孫曉明

（北京化工大學 化工資源有效利用國家重點實驗室，北京 100029）

納米材料的密度梯度離心分離的研究進展（下）

李鵬松，蔡 釗，李 莉，羅 亮，鄺 允，孫曉明

（北京化工大學 化工資源有效利用國家重點實驗室，北京 100029）

納米材料的性能與它的尺寸及形貌有著密切的聯(lián)系。對于液相合成的大多數(shù)納米材料，很難控制它們的尺寸和形貌具有嚴格的單一性。通過納米分離手段獲得單分散的功能納米材料對其應用和發(fā)展有重大的意義。密度梯度離心法由于分離體系具有高度的可調控性，對不同形貌、尺寸、合成體系的納米材料的分離純化具有普適性和高效性。對密度梯度離心分離的原理、方法、體系與應用進行了闡述，總結了該領域近年來的一些研究進展，并對其發(fā)展前景進行了展望。

納米材料；納米分離；密度梯度離心；單分散納米結構

5 二維納米材料的分離

二維納米材料由于具有獨特的結構特征使其在光學、電學、電化學等領域有著很高的潛在應用價值，然而單分散的二維納米材料的制備卻是一個技術難題，很多二維納米材料僅僅通過合成控制來實現(xiàn)單分散性是很困難的，所以很有必要對合成后的產品進行進一步的分離純化，來獲取單分散的二維納米材料。

5.1 石墨烯

石墨烯是近年來碳材料領域關注的重點，它有著非常優(yōu)良的導電導熱性能。Hersam課題組［64］利用密度梯度離心法對合成出來的石墨烯進行分離，得到不同厚度的石墨烯，他們用平面兩親性表面活性劑（膽酸鈉）來穩(wěn)定封裝石墨烯片，然后通過表觀密度的不同在密度梯度離心中實現(xiàn)分離，圖7A展示了分離后的離心管，可以看到不同的灰色區(qū)域，從離心管的上端每1 mm的高度取一份，這樣就可以得到f1～f32共32份試樣，通過原子力顯微鏡表征可看出，具有1～4層的石墨烯可以很好地被分離。

Sun課題組［65-66］通過溶液氧化的方法獲得了氧化石墨烯（GO）溶液，并通過速率區(qū)帶離心法使GO按尺寸和氧化程度的差異進行分離。通過對不同大小的單層石墨烯片的研究，發(fā)現(xiàn)了GO的尺寸與其氧化程度和光學性能的相關性：較小的納米片具有較弱的可見區(qū)吸收、較強的熒光和較高的氧化程度。這一尺寸與性質的相關性是由于氧化反應過程中的擴散和化學可接觸性所導致的。這一結論對于指導改進石墨的氧化方式有著重要的意義。

圖7 密度梯度離心分離石墨烯［64］Fig.7 Separation of graphene nanosheets by density gradient ultracentrifugation［64］.A Schematic illustration of thickness-dependent separation of sodium cholate coated exfoliated graphene nanosheets using DGU，lines marked the positions of the sorted graphene fractions within the centrifuge tube；B Representative AFM images of graphene deposit using fractions f4 and f16 onto SiO2，the profle height of the regions marked in panels f4 and f16 demonstrating the diferent thicknesses of graphene fakes obtained from diferent DGU fractions；C Mean fake thickness histograms plotted by relative frequency(mode thickness scaled to unity) for DGU fractions f4(blue)，f16(red) and f28(green)

5.2 水滑石

密度梯度離心法可以分離不同尺寸和不同密度的納米材料，還可以對二維納米材料的合成機理進行研究，得到二維納米材料生長的控制合成機理。例如，石墨烯單層納米片的分離展示了在石墨烯的氧化過程中由于擴散和化學可接觸性的影響導致氧化程度的不同。類似的在Mg/Al LDH（LDH為水滑石）薄片的分離實驗中，發(fā)現(xiàn)了水滑石的生長機理［67］。利用乙二醇和水的密度梯度實現(xiàn)了Mg/Al LDH薄片的分離。TEM表征結果顯示，Mg/Al LDH薄片的平均尺寸從70 nm（f8）到150 nm（f14）（如圖8所示）。通過進一步研究f8～f16組分發(fā)現(xiàn)，隨著尺寸的增大，組成物的比例也相應變化，大的納米片具有更高的Mg/Al摩爾比。這表明可以通過調節(jié)原料的投料比來制備不同大小的水滑石納米片。進一步控制合成的實驗結果表明，Mg在Mg/Al LDH的合成中控制了成核和生長速率，從而控制了最終產物的尺寸。通過密度梯度離心法對合成產物的結構、尺寸和組成進行分析，使得研究者有機會發(fā)現(xiàn)二維納米材料的生長機理。

5.3 沸石納米片的純化

隨著納米技術的不斷發(fā)展，薄的多微孔片有望成為高通量膜的替代品，小于500 nm的沸石薄膜被大規(guī)模地用于高通量膜［68］。超薄的沸石過濾膜可由沸石納米片在多孔基底上通過定向組裝來制備［69］。通過化學剝離的方法得到的沸石片往往含有很多雜質，如相應的化學試劑和未剝離的沸石均會影響沸石納米片的應用，所以得到高純度的沸石納米片是應用它的前提。Agrawal 等［70］用化學方法對沸石進行剝離得到初產物，然后通過密度梯度離心法對產物進行純化，得到不含有機表面活性劑的純沸石納米片。這歸功于密度梯度離心分離可以讓試樣快速脫離原有化學環(huán)境，由此可見，在二維納米材料的純化方面，密度梯度離心法也是一種強有力的方法。

圖8 密度梯度離心分離水滑石納米片［67］Fig.8 Separation of hydrotalcite(LDH) nanosheets(NSs) by density gradient centrifugation［67］.A Digital camera images of the ultracentrifuge tubes before(a) and after(b) DGUS at 30 000 r/min for 15 min；B TEM images of the separated LDH NSs in typical fractions；C Mg/Al mole ratio and average particle size of the separated LDH NSs in diferent fractions

6 密度梯度分離模型的建立與研究

前面已經提到對于高度對稱的球形顆粒，式（1）可以很好地表述它的沉降行為。但對于具有一定不對稱性的納米粒子（如納米棒或納米片），其沉降行為的描述較為復雜。Sun課題組［71］利用CdS納米棒為模型，以分離的統(tǒng)計結果為基礎，嘗試建立一維納米結構的分離模型。通過引入用于修正形貌影響的粘滯系數(shù)，建立了含粘滯系數(shù)的關系式（見式（2）），對棒狀體系的沉降行為進行定量描述：

式（2）中，x為納米顆粒距轉子旋轉中心的距離，cm；t為時間，s；f為粘滯系數(shù)；ω為角速度，r/s。再引入式（3）對粘滯系數(shù)與長徑比L/D（L為長度，D為直徑）的關系進行定量描述。在此基礎上，建立了沉降停滯的最終位置與CdS長徑比的定量描述關系式。

實驗結果與理論分析很好地吻合，研究者在后續(xù)工作中會引入動力學方程對離心過程中顆粒的運動進行詳細的描述，并利用相關模擬計算程序進行優(yōu)化擬合，使理論模型可以與實驗相結合，促進密度梯度離心分離技術的進一步發(fā)展。

7 密度梯度分離的拓展：利用油水相界面分離提純納米顆粒

前文對密度梯度離心分離的不同體系進行了詳細的介紹，大多數(shù)都是在單相中進行分離提純的，然而對水相和油相混合體系的研究并不多。在離心管中引入油水相界面會對納米顆粒的分離提純產生怎樣的影響呢？Kuang等［72］對此做了詳細的研究。他們發(fā)現(xiàn)，納米顆粒在離心分離過程中，經過油水界面時的運動形式和傳統(tǒng)單一相中顆粒的徑向運動有所不同，在油水界面處，待分離試樣會以“超濃液滴”形式穿過油水界面和不溶層，進而在底部可溶層中重新分散。利用這一特點可以實現(xiàn)各種納米粒子的分離提純，兩種三層油水界面離心分離密度梯度配制的示意圖見圖9A和9B，利用油水相界面的密度梯度離心法，實現(xiàn)了納米顆粒（見圖9C）、納米棒（見圖9D）和納米片（見圖9E）的分離純化，由此可見這種方法的通用性。此外，該相界面密度梯度離心法可在分離過程中實現(xiàn)濃度的調控，甚至可以將納米顆粒溶液濃縮10 000倍以上并幾乎達到納米顆粒最密堆積狀態(tài)而不發(fā)生團聚。正是如此高的濃縮能力賦予了該方法超高的純化效率。實驗結果證實，該方法可在一次去除大于99.999%的雜質的同時實現(xiàn)顆粒產率大于99.9%，這是任何現(xiàn)有納米分離純化方法無法做到的。

圖9 油水相界面密度梯度離心分離提純納米顆粒［72］Fig.9 Separation and purifcation of nanoparticles by oil/water interface density gradient centrifugation［72］.A，B Schematic diagram of water/oil/water and oil/water/oil system；C Separation and purifcation of zero-dimension Au nanoparticles；D Separation and purifcation of one-dimension Au nanorods；E Separation and purifcation of two-dimension LDH nanosheets；F Digital camera images of the solutions of mixed Au nanoparticles(20 nm) and nanorods(average diameter 9.8 nm，average length 58 nm) before and after separation，UV-Vis spectra of the mixture，the upper and bottom solutions after separation；G Digital camera images of Au aqueous solutions before and after concentration，linear ftting ofVnvs.Coriginal/Cnto calculate the concentration increase and total volume brought down

8 密度梯度離心法在其他方面的應用

密度梯度離心法具有高效的分離效果，可以說它對納米材料科學的發(fā)展有著重要作用，然而除了在分離和提純方面，它也給一些理論研究提供了可靠的途徑。如前文提到的密度梯度離心分離可以讓研究者對二維材料石墨烯的氧化過程有更好的理解［66］，還可探討水滑石的生長機理［67］。由于密度梯度離心中納米顆粒的運動行為與周邊化學環(huán)境是很容易調控的，由此可以根據(jù)研究需要對密度梯度進行精心設計，在離心管中設計出需要的體系來捕捉反應的中間態(tài)，然后通過對反應中間態(tài)的分析實現(xiàn)對反應機理的研究。由此可見，密度梯度離心法為各種反應機理的研究提供了一個有效的途徑。

8.1 利用密度梯度離心法探索納米晶體的合成機理

眾所周知，半導體量子點的光學特性隨其尺寸和結晶狀態(tài)以及缺陷濃度的變化而變化。以往對這一體系的研究都是通過不同的合成方法獲得具有不同尺寸及不同表面修飾狀態(tài)的納米顆粒，然而這些體系大都具有一定的尺寸分布，即很難做到單分散。針對這一問題，Ma等［73］通過密度梯度離心分離實現(xiàn)了不同形貌納米顆粒的拆分，嘗試驗證一鍋合成體系中孿晶、缺陷等初生態(tài)因素對后期膠體顆粒生長的影響。這不但可以進一步驗證分離的可行性，而且將大大拓展該方法在膠體顆粒生長機理分析等領域的研究。

他們以CdS納米棒的合成和分離為模型體系，對影響CdS納米棒取向生長的因素進行了分析。最后發(fā)現(xiàn)，分離所獲得的一系列不同長度的CdS納米棒當中，較細長的棒具有較強的表面態(tài)發(fā)光，而長徑比較小的棒則表面態(tài)發(fā)光較弱。這一發(fā)光峰與氧處理方式有關，在這一線索的指引下，他們又發(fā)現(xiàn)了CdS納米棒合成過程中O2的調控行為［71］：在氧氣充裕的情況下，形成的是單晶結構的六方相，形貌細長，有發(fā)光藍移和強的表面態(tài)發(fā)光；在氧氣不足的情況下，形成的是多晶結構的立方相，形貌短粗，沒有發(fā)光藍移，表面態(tài)發(fā)光較弱。進而他們通過對分離產品進行詳細的TEM分析，揭示了CdS合成中容易被忽視的“混相”現(xiàn)象［73］。通過納米分離與控制合成的結合，加深了對于納米化學反應體系的理解，發(fā)展出了便于宏量制備的化學合成新工藝［74］（如圖10所示）。

圖10 CdS納米棒的尺寸和晶相分離［74］Fig.10 Separation of CdS nanorods through their diferences in size and crystalline structure［74］.Ⅰ Length separation of CdS nanorods；Ⅱ HRTEM images and electron difraction patterns of f14 and f37 after separation；Ⅲ Schematic illustration of the efect of oxygen on the formation of CdS nanorods A Digital camera images of the ultracentrifuge tubes after separation at 30 000 r/min under 365 nm UV irradiation(fXmeant theXth fraction from top to bottom)；B-E TEM images of the separated CdS nanorods in typical fractions；F PL spectra of the separated CdS nanorods in typical fractions

8.2 引入“反應層”/“抗溶劑層”，探索表面反應/組裝機理

對于一些快速化學反應的機理探索，傳統(tǒng)研究方法大都是通過快速停止反應來分析反應中間體，然而這種方法卻無法保證反應瞬間停止，即中間態(tài)的形成不可控。通過在密度梯度中引入“反應層”（或抗“溶劑層”），可以精確控制反應時間，同時能使反應產物迅速脫離反應體系，并在隨后的分離區(qū)按尺寸大小將發(fā)生了表面反應的中間產物分離。通過捕捉在納米顆粒與溶液環(huán)境接觸的極短時間內生成的中間體，可以嘗試對納米顆粒表面反應機理或組裝初期顆粒的團簇化行為進行考察。Zhang等［75］將Ag三角片在離心力的作用下快速穿過含有HAuCl4的反應區(qū)，可以捕捉到電置換反應的中間產物，該試樣具有與用普通方法混合后長時間反應得到的產物完全不同的形貌。通過對Au沉積位的分析，確認在較高的HAuCl4濃度下，邊緣和Au的表面上同時發(fā)生反應（如圖11所示），而不是之前認為的，只在邊緣發(fā)生反應。類似于在密度梯度中引入“反應層”來研究納米顆粒的快速表面反應，同樣可在密度梯度中引入“抗溶劑層”，嘗試對納米顆粒組裝初期的團簇化過程進行深入考察。Qi等［76］在配制好的密度梯度分離區(qū)上部引入氯化鈉層，當Au顆粒穿過氯化鈉層時它們之間的靜電作用力會受到影響，進而發(fā)現(xiàn)了Au納米顆粒的一維有序組裝現(xiàn)象。

圖11 在密度梯度離心體系中引入反應區(qū)研究反應機理［75］Fig.11 Introducing a reaction zone in a density gradient centrifugation system to study the reaction mechanism［75］.A(a) Schematic illustration of the DGUS system used as a process-analysis microsystem after introducing a reaction zone(“f5” meant fraction 5，and so on)；A(b) UV-vis absorption spectra of the fractions obtained after centrifugation；B TEM images of the samples in fractions f5(a) and f9(b) labeled in (A)，magnifed images were shown in the insets(the bars in the insets were 20 nm)，TEM image of a sample obtained by direct addition of HAuCl4to an Ag NPTs suspension without DGUR(c)，UV-Vis absorption spectra of the three samples(d)；C TEM image of a NPT in f9：the contrast of the basal plane of the NPT was not uniform，indicating that darker regions(b) were thicker than the lighter regions(c)，and energy dispersive XRD of regions marked in the TEM image：(a) edge；(b) thick part of the basal plane；(c) thin part of the basal plane；D Schematic illustration of the structural evolution from a triangular Ag NPT to a hollow structure

8.3 利用密度梯度離心過程中顆粒的定向運動實現(xiàn)無機功能納米顆粒的不對稱組裝

在超速離心力作用下，顆粒的沉降速度遠大于布朗運動速度（50 nm的Au顆粒的沉降速度約為30 μm/s，而其布朗運動速度約為4 μm/s），故納米顆粒在離心場中近似于定向運動。由于表面溶劑化層的存在，不同大小的納米顆粒在溶液中的表觀密度不同，因而不同大小的顆粒在離心場中的沉降速度不同。由于有速度的差異，可以在密度梯度液上層放置較大尺寸的顆粒，與其相隔一層放置尺寸較小的顆粒，這樣，大顆粒可快速定向沉降使其能夠與小的顆粒發(fā)生碰撞，通過表面修飾，可以將碰撞后的大小顆粒緊緊黏連。當含有小顆粒的梯度層足夠薄時，大顆粒可以認為是快速穿過該層，因而與小顆粒發(fā)生多次碰撞的幾率很小。因此，單次碰撞與定向運動共同作用的結果是能得到不對稱組裝的組裝體。通過對不同大小的Au顆粒做氨基和羧基的表面修飾，采用1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽催化使其相遇時快速黏接，并控制小的Au顆粒的團聚狀態(tài)和大小顆粒的速度差，得到了不同樣式的不對稱組裝體。該結果對定向組裝高維納米器件具有重要意義。Qi等［76］采用該方法實現(xiàn)了Au顆粒的組裝及分離純化，通過在配制好的密度梯度分離區(qū)上部引入氯化鈉層，當Au顆粒穿過氯化鈉層時它們之間的靜電作用力會受到影響，從而實現(xiàn)Au顆粒的組裝形成一維組件，再通過一層帶負電的聚合物層，對Au的一維組件進行封裝和穩(wěn)定，從而方便后續(xù)的分離純化步驟，最終得到具有不同Au顆粒數(shù)的一維組裝體。

9 結語

不同尺寸及形貌的納米顆粒的獲得是研究尺寸效應、量子效應和表面效應等特性的基礎。密度梯度離心法作為一種高效液相分離提純納米材料的方法，可廣泛用于各類單分散納米材料的制備。該方法全程在溶液環(huán)境中進行，可有效避免膠體納米結構的破壞與團聚。這種分離方法具有普適性和多樣性：分離體系既適用于水相納米顆粒又適用于油相納米顆粒；分離體系既適用于極性環(huán)境，又適用于非極性環(huán)境，還適用于油水界面體系；分離對象可涉及金屬及其氧/硫化物、碳材料、半導體材料；分離手段可實現(xiàn)大小、密度、形貌的分離，使其成為目前最有潛力的分離提純方法。同時通過在離心管中引入“反應區(qū)”設計不同的密度梯度體系，可以實現(xiàn)“Lab in a tube”，從而能夠捕捉反應物中間態(tài)，為一些反應機理的研究提供有效途徑。該方法的發(fā)展使得研究者在制備單分散納米結構時不再停留在對極端環(huán)境下合成方法的摸索，而是可以投入更多的精力進行新的納米效應、納米結構的功能化和納米結構組裝的研究，這對于納米材料的應用具有深遠的影響。

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（編輯 王 萍）

敬告讀者：從2016年第1期開始，本刊“專題報道”欄目將連續(xù)刊出北京化工大學的系列專題報道。該專題主要報道化工資源有效利用國家重點實驗室段雪院士課題組最近在結構可控超分子功能材料及其有序組裝體方面的研究進展，包括層狀無機功能材料和納米陣列材料的制備及其在結構化催化與吸附、分離、儲能器件、資源循環(huán)利用和環(huán)境保護等方面的應用基礎研究以及產業(yè)化研究的最新成果。敬請廣大讀者給予關注。

專題報道：本期綜述了密度梯度離心分離的原理、方法、體系及其在單分散功能納米材料制備中的應用，并對其發(fā)展前景進行了展望。見本期776-782頁。

Recent progresses in density gradient centrifugation separation of nanomaterials

Li Pengsong，Cai Zhao，Li Li，Luo Liang，Kuang Yun，Sun Xiaoming
（State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

Due to the quantum size ef ect，the properties of nanomaterials are closely connected with their size and morphology，but it is hard to control for most solution based synthesis. Therefore，developing nanoseparation methods to obtain monodisperse nanostructures is of great significance for their application. As a versatile and highly efficient separation method with tunable separation systems，density gradient centrifugation separation method can separate various nanostructures synthesized in dif erent environments，mainly according to their dif erences in size and shape. In this paper，the mechanism， separation method，various separation systems and practical application of the density gradient centrifugation were illustrated，recent research progresses were reviewed and future development was prospected.

nanomaterials；nanoseparation；density gradient centrifugation；monodisperse nanostructure

1000 - 8144（2016）06 - 0776 - 07

TQ 028

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.07.002

2016 - 03 - 28；［修改稿日期］2016 - 04 - 19。

李鵬松（1992—），男，河南省潢川縣人，碩士生。聯(lián)系人：孫曉明，電話 010 - 64433091，電郵 sunxm@mail.buct.edu.cn。

國家自然科學基金資助項目（21125101，21520102002）。