基于反相微乳液法的尺寸可控性二氧化硅纳米颗粒制备研究*

何晓晓,石碧华,王柯敏,陈 冕,谭蔚泓

(湖南大学生物医学工程中心,湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室,湖南大学化学化工学院,湖南大学生命科学与技术研究院,生物纳米与分子工程湖南省重点实验室,湖南 长沙 410082)

纳米颗粒材料的大小、尺寸分布极大地影响纳米颗粒材料的物化性质以及其在光、电、化学和生物等领域中的应用[1-3].随着对纳米颗粒材料的应用及生物学效应研究工作的积极开展,发展有效的纳米颗粒材料尺寸可控性合成方法显得尤为重要.二氧化硅纳米颗粒作为纳米颗粒材料的重要成员之一,已在生物标记、细胞识别、细菌检测、DNA检测、基因载体和药物载体等研究领域中得到了广泛的应用[4-6],而二氧化硅纳米颗粒的大小、粒径分布及形貌特征也可能会对其理化性质产生影响,进而有可能影响其应用及生物学效应.因此,开展二氧化硅纳米颗粒尺寸可控性制备研究对于拓展二氧化硅纳米颗粒的生物医学应用及进一步考察其生物学效应具有非常重要的意义.

目前发展的二氧化硅纳米颗粒制备方法主要有Stober法和油包水反相微乳液法,后者具有设备简单,操作简便,反应条件温和,制备出的纳米颗粒粒度均一,越来越激起人们的兴趣[7].并且采用反相微乳液法制备纳米颗粒时,通过改变微乳液体系中不同参数可获得不同尺寸的纳米颗粒,如:Motte等[8]报道了在AOT/异辛烷/H2O微乳液体系中制备CdS中,[Cd2+]与[S2-]的比值对 CdS粒径的影响;Arriagada F J等人[9-10]系统地研究了在NP-5/环已烷/NH3H2O油包水反相微乳液体系中影响球形二氧化硅纳米颗粒的尺寸的各种因素及机理的探讨,发现水与表面活性剂的摩尔比(R)及NH3H2O的浓度明显影响了颗粒的粒径分布.这些研究工作的开展使可控性合成大小不同的二氧化硅纳米颗粒研究取得了重大进步,但是,这些方法也存在一些不足,如:反应时间长、粒径变化幅度小等.因此,进一步考察其他反相微乳液体系合成不同大小的二氧化硅纳米颗粒是极其有意义的.

本文采用Triton X-100/环己烷/正己醇/水反相微乳液体系合成二氧化硅纳米颗粒,分别考察了水与表面活性剂的摩尔比(R),TEOS的量、氨水的量及包壳次数对颗粒粒径的影响,开展了基于反相微乳液法的尺寸可控性二氧化硅纳米颗粒的制备研究.

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

Triton X-100、正硅酸乙酯(TEOS)、环已烷、正已醇及无水乙醇均为国产分析纯;氨水质量分数为25%～28%;实验用水为超纯水(18.2 MΩ);JEOL-1230型透射电子显微镜(日本,JEOL公司);Malvern Zetasizer 3000HS分析仪(英国,Malvern公司).

1.2 实验方法

1.2.1 二氧化硅纳米颗粒的制备

采用文献[11]报道的油包水反相微乳液法合成二氧化硅纳米颗粒.T riton X-100、环已烷和正已醇分别作为表面活性剂、有机溶剂和助表面活性剂,具体方法如下:将7.5 mL环已烷、1.6 mL正已醇和1.8 mL表面活性剂Triton X-100混合,搅拌5 min至澄清,加入一定量的超纯水作为分散相,常温下搅拌30 min,形成透明且性质稳定的油包水微乳液,再将一定量的正硅酸乙酯(TEOS)和氨水加入到微乳液体系中,其中,正硅酸乙酯作为反应前体,氨水作为催化剂,连续搅拌24 h后用无水乙醇破乳、离心并收集颗粒.为开展基于反相微乳液法的尺寸可控性二氧化硅纳米颗粒制备研究,通过改变加入超纯水的量、TEOS的量、氨水的量等,分别考察了水与表面活性剂的摩尔比(R)、氨水的量、TEOS的量、及包壳次数对基于Triton X-100/环已烷/正已醇/水反相微乳液体系制备二氧化硅纳米颗粒粒径的影响.

1.2.2 二氧化硅纳米颗粒的表征

采用光动力学散射法(DLS)和透射电子显微镜技术(TEM)对各参数条件下制备的二氧化硅纳米颗粒的粒径和形貌特征进行了表征.

2 结果与讨论

2.1 水与表面活性剂的摩尔比对二氧化硅纳米颗粒粒径的影响

在Triton X-100/环己烷/正己醇/水反相微乳液体系中,利用TEOS在碱性条件下水解和缩聚反应形成二氧化硅纳米颗粒,T riton X-100、环己烷以及正己醇的量都恒定,分别加入285,480,880和960 μ L的超纯水形成微乳液,使水与表面活性剂T riton X-100的摩尔比(R)分别为6,10,18和20,将100 μ L TEOS和100 μ L氨水加入到微乳液体系中,反应24 h后制备颗粒的透射电子显微镜成像结果以及数据分析如图1和表1所示.结果表明:当其他参数都恒定时,在不同R值下,制备的二氧化硅纳米颗粒的尺寸分布都非常均匀,但随着R值的增大,二氧化硅纳米颗粒的粒径逐渐变小,其分散性也降低,在R为20时,可以制备粒径约为20 nm左右的二氧化硅纳米颗粒,但可见明显的团聚现象.

图1 不同水与表面活性剂的摩尔比(R)制备的二氧化硅纳米颗粒的TEM成像Fig.1 TEM images of silica nanoparticles synthesized with different R

表1 不同水与表面活性剂的摩尔比(R)对二氧化硅纳米颗粒粒径的影响Tab.1 Effect of different R on silica nanoparticles size

当水作为分散相加入到反相微乳液体系中时,以2种不同的形式存在,一部分水与表面活性剂的亲水链结合,以结合水的形式存在,这一部分水不参与TEOS的水解反应;另一部分水以自由水的形式存在于胶束中纳米反应池的水核中,这一部分水参与TEOS的水解反应.随着R的增大,一方面使反应池中的自由水增多,导致自由水与结合水的比值增大;另一方面,使单位体积中TEOS的水解速率增大,使微乳液中单体的发生率加速,数量增多;另外,当R增大时,水相与油相之间界面膜的刚性降低,反胶束之间的物质交换速率增大,导致成核速率加快,颗粒粒径减小.当R值增大到一定程度时(R=18),二氧化硅纳米颗粒的形状开始变化,不再呈现很规则的球形结构,这可能是由于随着R值的增大,界面膜的刚性降低造成的.另外,本文主要通过单一的改变加入水的量来达到改变R值,当加入的水过多时,可能破坏了反相微乳液体系自身的稳定性.

此外,随着R的增大,颗粒粒径减小,而颗粒表面§电势的绝对值降低,当R为 6时,§电势为-41 mV左右;而当R为20时,§电势为-20 mV左右.颗粒之间的静电排斥力减小,胶体系统的稳定性降低,导致颗粒之间容易团聚.因此,当R为20时我们从颗粒的透射电子显微镜成像结果可以明显看到团聚现象.

2.2 正硅酸乙酯(TEOS)的量对颗粒粒径的影响

在Triton X-100/环己烷/正己醇/水反相微乳液体系中,Triton X-100、环己烷以及正己醇的量恒定,加入480 μ L(R为 10时)超纯水形成微乳液,分别将100,150,200,250,300和400 μ L 的 TEOS和100 μ L的氨水加入到微乳液体系中,反应24 h后收集颗粒,颗粒的透射电子显微镜成像结果以及数据分析如图2和表2所示.结果表明,当其他反应参数恒定时,加入不同量的TEOS,制备的二氧化硅纳米颗粒粒径的尺寸分布非常均匀,但随着加入微乳液体系中 TEOS量的增多,颗粒粒径有增大的趋势,但是其影响不如水与表面活性剂的摩尔比(R)明显,并且对颗粒的分散性没有影响,颗粒仍具有良好的分散性.

在反相微乳液体系中,加入的TEOS一部分进入反胶束的水核中,一部分分散在油相中.在碱性条件下,分散在水核中的 TEOS发生水解,进而形成单体.而分散在油相中的 TEOS不能发生水解反应.在所考察的 TEOS的范围内(100～400 μ L),TEOS的量对颗粒的粒径变化并不很明显,这可能是由于在这个范围内,加入微乳液体系中的TEOS已经过量.过量的部分 TEOS以未水解的形式存在于反相微乳液体系的油相中.

图2 加入不同量正硅酸乙酯制备的二氧化硅纳米颗粒的TEM成像Fig.2 TEM images of silica nanoparticles synthesized with different amounts of TEOS

表2 不同量正硅酸乙酯对二氧化硅纳米颗粒粒径的影响Tab.2 Effect of amounts of TEOS on silica nanoparticles size

2.3 氨水的量对二氧化硅纳米颗粒粒径的影响

反相微乳液法制备二氧化硅纳米颗粒,氨水作为催化剂在整个反应体系中起着重要作用.在T riton X-100/环己烷/正己醇/水反相微乳液体系中,Triton X-100、环己烷以及正己醇的量恒定,加入 480 μ L(R 为 10)超纯水形成微乳液 ,将 100 μ L的TEOS和100～300 μ L的氨水加入到微乳液体系中,反应24 h后收集颗粒.颗粒用光动力学散射技术(DLS)测量的水力直径及多聚分散系数(PI)结果如表3所示.结果表明,在所考察的范围内,随着加入微乳液体系中氨水的量增多,颗粒的粒径先减小后增大,但颗粒粒径的增大幅度不明显.这可能是因为在反相微乳液体系中,当作为催化剂的氨水增多时,一方面使T EOS的水解速率增大,从而导致单体形成的速度加快,单体数目增多;另一方面使TEOS水解的副产物乙醇增多,乙醇作为助表面活性剂起作用,使反胶束之间的物质交换速率加快,从而使成核速度加快.当加入微乳液体系中氨水的体积小于200 μ L时,单体形成的速度大于成核速度,从而导致颗粒粒径减小;当体积大于200 μ L时,颗粒的粒径几乎没有改变.这可能是由于加入微乳液体系中的氨水已经达到饱和.

表3 不同量氨水对二氧化硅纳米颗粒粒径的影响Tab.3 Effect of the amounts of ammonium hydroxideon silica nanoparticles size

此外,由表1,表2和表3可知,在微乳液反应体系中,当各参数都相同时,利用DLS法测得的颗粒粒径(表3)要明显比用透射电子显微技术测量的颗粒粒径大(表1和表2).这是因为在水溶液中颗粒的外层有一双电层,利用DLS法测量的水力直径是颗粒的直径与双电层的厚度之和,而表1和表2中测量的是颗粒的直径.

2.4 二氧化硅包壳次数对二氧化硅纳米颗粒粒径的影响

在考察水与表面活性剂的摩尔比R对颗粒粒径的影响时发现,当R值达到18时,颗粒之间的团聚现象比较严重,这将在很大程度上限制这种粒径的二氧化硅纳米颗粒的应用.接下来考察了当R为18时多次包壳对颗粒的团聚和颗粒的粒径是否会造成影响.

采用多次水解的方法在二氧化硅纳米颗粒的表面进行多次包壳.具体操作是:在Triton X-100/环己烷/正己醇/水反相微乳液体系中,T riton X-100、环己烷以及正己醇的量恒定,加入 880 μ L(R为18)超纯水形成微乳液,将100 μ L 的 TEOS 和 100 μ L的氨水加入到微乳液体系中,反应24 h后,不收集颗粒,又加入 100 μ L 的 TEOS 和 100 μ L的氨水,进行第 2次包壳,继续反应 24 h后,再加入 100 μ LT EOS和 100 μ L氨水进行第 3次包壳,继续反应24 h后收集颗粒.包1次和包3次壳的二氧化硅纳米颗粒的透射电子显微镜成像结果如图3所示.当R为18时,包1次壳和包3次壳的二氧化硅纳米颗粒的粒径分别为(22.9±5)nm和(27.8±5)nm.从图3中也可以看出包3次壳的颗粒粒径比只包1次壳的颗粒粒径大,而且颗粒的分散性得到明显提高.这是因为进行多次包壳后,颗粒表面的羟基数目增多,所带负电荷增多,颗粒之间的静电排斥增强,增强了胶体系统的稳定性,从而使颗粒之间的团聚现象得到明显改善.

图3 通过包1次壳和包3次壳获得的二氧化硅纳米颗粒的TEM成像Fig.3 TEM images of silica nanoparticles synthesized with shell coating one times and three times

3 结 论

本文通过采用透射电子显微镜技术(TEM)和光动力学散射法(DLS),系统地考察了在Triton X-100/环己烷/正己醇/水微乳液体系中,影响二氧化硅纳米颗粒的4种因素:水与表面活性剂的摩尔比(R)、TEOS的量、氨水的量及包壳次数.可以得到以下结论:

1)通过反相微乳法制备二氧化硅纳米颗粒的粒径明显受水与表面活性剂摩尔比R的影响.随着R的增大,颗粒的粒径明显减小.同时,当R达到18时,颗粒之间发生明显的团聚,而且颗粒的形貌不再呈现规则的球形.

2)作为二氧化硅纳米颗粒的前体物质 TEOS的量对颗粒的粒径没有明显的影响.

3)氨水作为催化剂,在一定范围内,提高氨水的浓度可以加速TEOS的水解速率,促进单体的形成和成核的速率,从而使颗粒粒径减小.当氨水的浓度达到饱和时,再增加其浓度,颗粒的粒径有所增大,但不明显.

4)随着二氧化硅包壳次数的增多,颗粒的粒径增大.并在一定程度上提高了颗粒的分散性.因此,在了解影响二氧化硅纳米颗粒粒径的各种因素的基础上,通过改变其中的参数,可以获得不同粒径的二氧化硅纳米颗粒,这样将极大地扩大二氧化硅纳米颗粒的应用范围.

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