纳米材料的密度梯度离心分离的研究进展（下）

李鹏松，蔡 钊，李 莉，罗 亮，邝 允，孙晓明

（北京化工大学 化工资源有效利用国家重点实验室，北京 100029）

纳米材料的密度梯度离心分离的研究进展（下）

李鹏松，蔡 钊，李 莉，罗 亮，邝 允，孙晓明

（北京化工大学 化工资源有效利用国家重点实验室，北京 100029）

纳米材料的性能与它的尺寸及形貌有着密切的联系。对于液相合成的大多数纳米材料，很难控制它们的尺寸和形貌具有严格的单一性。通过纳米分离手段获得单分散的功能纳米材料对其应用和发展有重大的意义。密度梯度离心法由于分离体系具有高度的可调控性，对不同形貌、尺寸、合成体系的纳米材料的分离纯化具有普适性和高效性。对密度梯度离心分离的原理、方法、体系与应用进行了阐述，总结了该领域近年来的一些研究进展，并对其发展前景进行了展望。

纳米材料；纳米分离；密度梯度离心；单分散纳米结构

5 二维纳米材料的分离

二维纳米材料由于具有独特的结构特征使其在光学、电学、电化学等领域有着很高的潜在应用价值，然而单分散的二维纳米材料的制备却是一个技术难题，很多二维纳米材料仅仅通过合成控制来实现单分散性是很困难的，所以很有必要对合成后的产品进行进一步的分离纯化，来获取单分散的二维纳米材料。

5.1 石墨烯

石墨烯是近年来碳材料领域关注的重点，它有着非常优良的导电导热性能。Hersam课题组［64］利用密度梯度离心法对合成出来的石墨烯进行分离，得到不同厚度的石墨烯，他们用平面两亲性表面活性剂（胆酸钠）来稳定封装石墨烯片，然后通过表观密度的不同在密度梯度离心中实现分离，图7A展示了分离后的离心管，可以看到不同的灰色区域，从离心管的上端每1 mm的高度取一份，这样就可以得到f1～f32共32份试样，通过原子力显微镜表征可看出，具有1～4层的石墨烯可以很好地被分离。

Sun课题组［65-66］通过溶液氧化的方法获得了氧化石墨烯（GO）溶液，并通过速率区带离心法使GO按尺寸和氧化程度的差异进行分离。通过对不同大小的单层石墨烯片的研究，发现了GO的尺寸与其氧化程度和光学性能的相关性：较小的纳米片具有较弱的可见区吸收、较强的荧光和较高的氧化程度。这一尺寸与性质的相关性是由于氧化反应过程中的扩散和化学可接触性所导致的。这一结论对于指导改进石墨的氧化方式有着重要的意义。

图7 密度梯度离心分离石墨烯［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

密度梯度离心法可以分离不同尺寸和不同密度的纳米材料，还可以对二维纳米材料的合成机理进行研究，得到二维纳米材料生长的控制合成机理。例如，石墨烯单层纳米片的分离展示了在石墨烯的氧化过程中由于扩散和化学可接触性的影响导致氧化程度的不同。类似的在Mg/Al LDH（LDH为水滑石）薄片的分离实验中，发现了水滑石的生长机理［67］。利用乙二醇和水的密度梯度实现了Mg/Al LDH薄片的分离。TEM表征结果显示，Mg/Al LDH薄片的平均尺寸从70 nm（f8）到150 nm（f14）（如图8所示）。通过进一步研究f8～f16组分发现，随着尺寸的增大，组成物的比例也相应变化，大的纳米片具有更高的Mg/Al摩尔比。这表明可以通过调节原料的投料比来制备不同大小的水滑石纳米片。进一步控制合成的实验结果表明，Mg在Mg/Al LDH的合成中控制了成核和生长速率，从而控制了最终产物的尺寸。通过密度梯度离心法对合成产物的结构、尺寸和组成进行分析，使得研究者有机会发现二维纳米材料的生长机理。

5.3 沸石纳米片的纯化

随着纳米技术的不断发展，薄的多微孔片有望成为高通量膜的替代品，小于500 nm的沸石薄膜被大规模地用于高通量膜［68］。超薄的沸石过滤膜可由沸石纳米片在多孔基底上通过定向组装来制备［69］。通过化学剥离的方法得到的沸石片往往含有很多杂质，如相应的化学试剂和未剥离的沸石均会影响沸石纳米片的应用，所以得到高纯度的沸石纳米片是应用它的前提。Agrawal 等［70］用化学方法对沸石进行剥离得到初产物，然后通过密度梯度离心法对产物进行纯化，得到不含有机表面活性剂的纯沸石纳米片。这归功于密度梯度离心分离可以让试样快速脱离原有化学环境，由此可见，在二维纳米材料的纯化方面，密度梯度离心法也是一种强有力的方法。

图8 密度梯度离心分离水滑石纳米片［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 密度梯度分离模型的建立与研究

前面已经提到对于高度对称的球形颗粒，式（1）可以很好地表述它的沉降行为。但对于具有一定不对称性的纳米粒子（如纳米棒或纳米片），其沉降行为的描述较为复杂。Sun课题组［71］利用CdS纳米棒为模型，以分离的统计结果为基础，尝试建立一维纳米结构的分离模型。通过引入用于修正形貌影响的粘滞系数，建立了含粘滞系数的关系式（见式（2）），对棒状体系的沉降行为进行定量描述：

式（2）中，x为纳米颗粒距转子旋转中心的距离，cm；t为时间，s；f为粘滞系数；ω为角速度，r/s。再引入式（3）对粘滞系数与长径比L/D（L为长度，D为直径）的关系进行定量描述。在此基础上，建立了沉降停滞的最终位置与CdS长径比的定量描述关系式。

实验结果与理论分析很好地吻合，研究者在后续工作中会引入动力学方程对离心过程中颗粒的运动进行详细的描述，并利用相关模拟计算程序进行优化拟合，使理论模型可以与实验相结合，促进密度梯度离心分离技术的进一步发展。

7 密度梯度分离的拓展：利用油水相界面分离提纯纳米颗粒

前文对密度梯度离心分离的不同体系进行了详细的介绍，大多数都是在单相中进行分离提纯的，然而对水相和油相混合体系的研究并不多。在离心管中引入油水相界面会对纳米颗粒的分离提纯产生怎样的影响呢？Kuang等［72］对此做了详细的研究。他们发现，纳米颗粒在离心分离过程中，经过油水界面时的运动形式和传统单一相中颗粒的径向运动有所不同，在油水界面处，待分离试样会以“超浓液滴”形式穿过油水界面和不溶层，进而在底部可溶层中重新分散。利用这一特点可以实现各种纳米粒子的分离提纯，两种三层油水界面离心分离密度梯度配制的示意图见图9A和9B，利用油水相界面的密度梯度离心法，实现了纳米颗粒（见图9C）、纳米棒（见图9D）和纳米片（见图9E）的分离纯化，由此可见这种方法的通用性。此外，该相界面密度梯度离心法可在分离过程中实现浓度的调控，甚至可以将纳米颗粒溶液浓缩10 000倍以上并几乎达到纳米颗粒最密堆积状态而不发生团聚。正是如此高的浓缩能力赋予了该方法超高的纯化效率。实验结果证实，该方法可在一次去除大于99.999%的杂质的同时实现颗粒产率大于99.9%，这是任何现有纳米分离纯化方法无法做到的。

图9 油水相界面密度梯度离心分离提纯纳米颗粒［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 密度梯度离心法在其他方面的应用

密度梯度离心法具有高效的分离效果，可以说它对纳米材料科学的发展有着重要作用，然而除了在分离和提纯方面，它也给一些理论研究提供了可靠的途径。如前文提到的密度梯度离心分离可以让研究者对二维材料石墨烯的氧化过程有更好的理解［66］，还可探讨水滑石的生长机理［67］。由于密度梯度离心中纳米颗粒的运动行为与周边化学环境是很容易调控的，由此可以根据研究需要对密度梯度进行精心设计，在离心管中设计出需要的体系来捕捉反应的中间态，然后通过对反应中间态的分析实现对反应机理的研究。由此可见，密度梯度离心法为各种反应机理的研究提供了一个有效的途径。

8.1 利用密度梯度离心法探索纳米晶体的合成机理

众所周知，半导体量子点的光学特性随其尺寸和结晶状态以及缺陷浓度的变化而变化。以往对这一体系的研究都是通过不同的合成方法获得具有不同尺寸及不同表面修饰状态的纳米颗粒，然而这些体系大都具有一定的尺寸分布，即很难做到单分散。针对这一问题，Ma等［73］通过密度梯度离心分离实现了不同形貌纳米颗粒的拆分，尝试验证一锅合成体系中孪晶、缺陷等初生态因素对后期胶体颗粒生长的影响。这不但可以进一步验证分离的可行性，而且将大大拓展该方法在胶体颗粒生长机理分析等领域的研究。

他们以CdS纳米棒的合成和分离为模型体系，对影响CdS纳米棒取向生长的因素进行了分析。最后发现，分离所获得的一系列不同长度的CdS纳米棒当中，较细长的棒具有较强的表面态发光，而长径比较小的棒则表面态发光较弱。这一发光峰与氧处理方式有关，在这一线索的指引下，他们又发现了CdS纳米棒合成过程中O2的调控行为［71］：在氧气充裕的情况下，形成的是单晶结构的六方相，形貌细长，有发光蓝移和强的表面态发光；在氧气不足的情况下，形成的是多晶结构的立方相，形貌短粗，没有发光蓝移，表面态发光较弱。进而他们通过对分离产品进行详细的TEM分析，揭示了CdS合成中容易被忽视的“混相”现象［73］。通过纳米分离与控制合成的结合，加深了对于纳米化学反应体系的理解，发展出了便于宏量制备的化学合成新工艺［74］（如图10所示）。

图10 CdS纳米棒的尺寸和晶相分离［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“反应层”/“抗溶剂层”，探索表面反应/组装机理

对于一些快速化学反应的机理探索，传统研究方法大都是通过快速停止反应来分析反应中间体，然而这种方法却无法保证反应瞬间停止，即中间态的形成不可控。通过在密度梯度中引入“反应层”（或抗“溶剂层”），可以精确控制反应时间，同时能使反应产物迅速脱离反应体系，并在随后的分离区按尺寸大小将发生了表面反应的中间产物分离。通过捕捉在纳米颗粒与溶液环境接触的极短时间内生成的中间体，可以尝试对纳米颗粒表面反应机理或组装初期颗粒的团簇化行为进行考察。Zhang等［75］将Ag三角片在离心力的作用下快速穿过含有HAuCl4的反应区，可以捕捉到电置换反应的中间产物，该试样具有与用普通方法混合后长时间反应得到的产物完全不同的形貌。通过对Au沉积位的分析，确认在较高的HAuCl4浓度下，边缘和Au的表面上同时发生反应（如图11所示），而不是之前认为的，只在边缘发生反应。类似于在密度梯度中引入“反应层”来研究纳米颗粒的快速表面反应，同样可在密度梯度中引入“抗溶剂层”，尝试对纳米颗粒组装初期的团簇化过程进行深入考察。Qi等［76］在配制好的密度梯度分离区上部引入氯化钠层，当Au颗粒穿过氯化钠层时它们之间的静电作用力会受到影响，进而发现了Au纳米颗粒的一维有序组装现象。

图11 在密度梯度离心体系中引入反应区研究反应机理［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 利用密度梯度离心过程中颗粒的定向运动实现无机功能纳米颗粒的不对称组装

在超速离心力作用下，颗粒的沉降速度远大于布朗运动速度（50 nm的Au颗粒的沉降速度约为30 μm/s，而其布朗运动速度约为4 μm/s），故纳米颗粒在离心场中近似于定向运动。由于表面溶剂化层的存在，不同大小的纳米颗粒在溶液中的表观密度不同，因而不同大小的颗粒在离心场中的沉降速度不同。由于有速度的差异，可以在密度梯度液上层放置较大尺寸的颗粒，与其相隔一层放置尺寸较小的颗粒，这样，大颗粒可快速定向沉降使其能够与小的颗粒发生碰撞，通过表面修饰，可以将碰撞后的大小颗粒紧紧黏连。当含有小颗粒的梯度层足够薄时，大颗粒可以认为是快速穿过该层，因而与小颗粒发生多次碰撞的几率很小。因此，单次碰撞与定向运动共同作用的结果是能得到不对称组装的组装体。通过对不同大小的Au颗粒做氨基和羧基的表面修饰，采用1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐催化使其相遇时快速黏接，并控制小的Au颗粒的团聚状态和大小颗粒的速度差，得到了不同样式的不对称组装体。该结果对定向组装高维纳米器件具有重要意义。Qi等［76］采用该方法实现了Au颗粒的组装及分离纯化，通过在配制好的密度梯度分离区上部引入氯化钠层，当Au颗粒穿过氯化钠层时它们之间的静电作用力会受到影响，从而实现Au颗粒的组装形成一维组件，再通过一层带负电的聚合物层，对Au的一维组件进行封装和稳定，从而方便后续的分离纯化步骤，最终得到具有不同Au颗粒数的一维组装体。

9 结语

不同尺寸及形貌的纳米颗粒的获得是研究尺寸效应、量子效应和表面效应等特性的基础。密度梯度离心法作为一种高效液相分离提纯纳米材料的方法，可广泛用于各类单分散纳米材料的制备。该方法全程在溶液环境中进行，可有效避免胶体纳米结构的破坏与团聚。这种分离方法具有普适性和多样性：分离体系既适用于水相纳米颗粒又适用于油相纳米颗粒；分离体系既适用于极性环境，又适用于非极性环境，还适用于油水界面体系；分离对象可涉及金属及其氧/硫化物、碳材料、半导体材料；分离手段可实现大小、密度、形貌的分离，使其成为目前最有潜力的分离提纯方法。同时通过在离心管中引入“反应区”设计不同的密度梯度体系，可以实现“Lab in a tube”，从而能够捕捉反应物中间态，为一些反应机理的研究提供有效途径。该方法的发展使得研究者在制备单分散纳米结构时不再停留在对极端环境下合成方法的摸索，而是可以投入更多的精力进行新的纳米效应、纳米结构的功能化和纳米结构组装的研究，这对于纳米材料的应用具有深远的影响。

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（编辑 王 萍）

敬告读者：从2016年第1期开始，本刊“专题报道”栏目将连续刊出北京化工大学的系列专题报道。该专题主要报道化工资源有效利用国家重点实验室段雪院士课题组最近在结构可控超分子功能材料及其有序组装体方面的研究进展，包括层状无机功能材料和纳米阵列材料的制备及其在结构化催化与吸附、分离、储能器件、资源循环利用和环境保护等方面的应用基础研究以及产业化研究的最新成果。敬请广大读者给予关注。

专题报道：本期综述了密度梯度离心分离的原理、方法、体系及其在单分散功能纳米材料制备中的应用，并对其发展前景进行了展望。见本期776-782页。

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。

李鹏松（1992—），男，河南省潢川县人，硕士生。联系人：孙晓明，电话 010 - 64433091，电邮 sunxm@mail.buct.edu.cn。

国家自然科学基金资助项目（21125101，21520102002）。