多功能二氧化硅纳米颗粒的制备、表征及其在生物分离分析中的应用

厦门大学

硕士学位论文

多功能二氧化硅纳米颗粒的制备、表征及其在生物分离分析中

的应用

姓名：罗洁

申请学位级别：硕士

专业：分析化学

指导教师：王小如;庄峙厦

20080901

摘要

灵敏即时地检测细菌、病毒等病原体无疑对临床具有重要的意义，但是目前的检测手段在检测低浓度的病原体时，通常需要先进行培养、ＰＣＲ扩增等，并且样品中其它杂质会干扰或抑制目标微生物信号。将目标病原体从样品中分离出来，可以起到预浓缩及降低干扰的作用。磁性纳米粒子具有纳米粒子一般的特性外还具有超顺磁性，在外磁场作用下，固液相的分离十分简单，可省去离心、过滤等繁杂的操作，并可在外磁场作用下定位，具有十分突出的优点。但现有方法制备的磁性纳米粒子基本为油溶性且难于官能化，使得其在生物分离分析方面的应用受到严重的限制。用Ｓｉ０２微球包裹的纳米磁性不但保留了磁性粒子原有的特性，而且改善了其分散性，同时也为进一步的功能化提供了很好的载体，这样的一种磁场可控的体系，将在细菌分离检测方面具有潜在的应用前景。在这种体系中继续掺杂荧光物质，形成一种可控荧光体系，这样不仅可控而且可监测，这样对于研究许多生物机理问题有很大帮助。本论文采用了不同的方法制备了具有生物靶向、荧光以及超顺磁三重功能的Ｓｉ０２纳米颗粒，并将之应用于致病菌溶藻弧菌的磁性分离检测。本论文共分为四章。

论文的第一章为绪论，先概述了纳米材料的定义及其特性，然后简单介绍了几种常见与生物分析化学相关的纳米材料以及它们的应用，包括金纳米颗粒，量子点，高分子聚合物纳米颗粒和Ｓｉ０２纳米颗粒。最后重点论述了Ｓｉ０２纳米颗粒及其复合材料的制备技术，以及在生物分析化学领域的研究现状。在综述的基础上，提出了本论文的研究设想。

论文的第二章以反相胶束法制备介孑Ｌｓｉ０２微球，并应用ＳＥＭ、ＴＥＭ、氮气吸附等多种现代分析手段对所制备的纳米微球进行表征。实验系统地考察了体系中乙醇／水比例，氨水的用量，ＣＡＴＢ的用量，温度和搅拌速度这五个条件对所制备的介孔Ｓｉ０２微球的粒径、均一性及分散性的影响。此外，通过样品的ＴＥＭ表征以及氮气吸附．脱附曲线，证明了制备的Ｓｉ０２微球为介孔材料，且样品的比表面积为９５２．４Ｉｎ２／ｇ，平均的孔径为２．０ｎｌｎ。上述实验结果得出了合成的最优条件，为制备均一单分散且具有可控粒径的介孔Ｓｉ０２微球提供方法指导，也为下一步制备Ｓｉ０２基多功能复合材料提供基础。本章还采用将荧光团修饰的硅烷前驱体与

ＴＥＯＳ共水解的方法制备了粒径约为４００ｎｍ的荧光介孔Ｓｉ０２微球。

论文的第三章本章分别应用水热法和热解法制备了超顺磁性Ｆｅ３０４和ＭｎＦｅ２０４纳米粒子，并应用ＳＥＭ、ＴＥＭ、ＸＲＤ、ＳＱＵｔＯ等方法对所制备的磁性纳米粒子的表征，获得了所制备的磁性纳米粒子的性状特征参数。结合第二章的实验结果，针对性地选择适当的包埋方法制备了具有核壳型结构磁性Ｓｉ０２复合纳米颗粒，包括：应用Ｓｔ６ｂｅｒ法对由水热法制备的大粒径的磁性Ｆｅ３０４纳米粒子进行包埋，成功制备了以１００ｎｍ的Ｆｅ３０４纳米粒子为核、２０ａｍ的Ｓｉ０２为壳的核壳型复合纳米颗粒；应用反相胶束法对由热解法制备的磁性ＭｎＦｅ２０４纳米粒子进行了包埋。利用ＣＴＡＢ对油溶性ＭｎＦｅ２０４纳米粒子进行了改性，通过改变实验条件成功制备了具有核壳结构的ＭｎＶｅ礁０４＠Ｓｉ０２复合纳米颗粒以及纳米棒，并提出了相应的原理；应用微乳液法对由热解法制备的磁性ＭｎＦｅ２０４纳米粒子进行包埋，制备了具有核壳型结构、形貌良好、均一性和分散性良好的磁性ＭｎＦｅ２０４＠Ｓｉ０２复合纳米颗粒。

论文的第四章以本论文第三章的实验结果为参考，采用微乳液法制备两种同时包埋有超顺磁性纳米粒子和荧光探针的核壳型Ｓｉ０２复合纳米颗粒ＮＰ．１和Ｎ－Ｐ．２，其中ＮＰ．１以ＣｄＴｅＱＤｓ为荧光探针，ＮＰ．２以有机荧光染料分子ＦＩＴＣ为荧光探针。选用具有超顺磁性、荧光强度强且稳定ＮＰ．２，对其进行溶藻弧菌抗体蛋白标记，使其对溶藻弧菌具有生物靶向性，从而制备得具有靶向、荧光、超顺磁三重功能的Ｓｉ０２复合纳米颗粒。将该多功能复合纳米颗粒与溶藻弧菌混合后，利用抗原抗体特异性结合将纳米颗粒吸附到溶藻弧菌表面，使用外加磁场对纳米颗粒．溶藻弧菌进行分离，利用ＴＥＭ、荧光共聚焦显微等方法对复合物进行了表征，证明了该颗粒可应用于溶藻弧菌的分离分析。关键词：荧光；超顺磁性；生物靶向性；溶藻弧菌：二氧化硅纳米颗粒

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｈｅｒｅｉｓｎｏｄｏｕｂｔｔｈａｔｉｎｓｔａｎｔａｎｄｓｅｎｓｉｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｐａｔｈｏｇｅｎｓｓｕｃｈａｓｂａｃｔｅｒｉａ，ｖｉｒｕｓ岱ｏｆｆｅｒｓｏｂｖｉｏｕｓｃｌｉｎｉｃａｌｂｅｎｅｆｉｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｒｅｉｓ，ｔｏｄａｔｅ，１１０ｇｅｎｅｒａｌａｓｓａｙｔｈａｔｃｏｕｌｄｄｅｔｅｃｔｂａｃｔｅｒｉａａｔｖｅｒｙｌｏｖｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｗｉｔｈｏｕｔｉｎｃｕｂａｔｉｏｎＯｒａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｂｙｐｏｌｙｍｅｒａｓｅｃｈａｉｎ

Ｃｏｍｐｌｅｘｓａｍｐｌｅｍａｙｓｕｐｐｒｅｓｓｏｒｒｅａｃｔｉｏｎ（ＰＣＲ）．Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆｔｈｅｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓｉｎａｉｎｔｅｒｆｅｒｅｔｈｅｓｉｇｎａｌｏｆｔｈｅｔａｒｇｅｔｍｉｃｒｏｏｇｍａｉｓｍ．

ｔｈｅＳｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｔａｒｇｅｔｐａｔｈｏｇｅｎｆｒｏｍ

ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｓａｍｐｌｅｓｃａｎｌｅａｄｔｏＰｒｅ－ｅｎｒｉｃｈｉｎｇａｎｄｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｆｒｏｍｔｈｅｍａｔｒｉｘｓａｍｐｌｅｓ．Ｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ（ＮＰｓ）

ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｓｅｐａｒａｔｉｏｎ

ａｎｄｈａｖｅｔｈｅｓｕｐｅｒｐａｒａｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｔｈｅｆｉｅｌｄｗｉｔｈｏｕｔｅａｓｉｌｙｕｎｄｅｒｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｍａｇｎｅｔｉｃｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，

ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｍｏｓｔｏｆｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃＮＰｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｒｅａｎｄ

ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ

ｔｈｅｔｏｂｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ，ｗｈｉｃｈｒｅｓｔｒｉｃｔｔ１１ｅｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ．ＵｓｉｎｇＮＰｓｗｉｌｌｓｉｌｉｃａ（Ｓｉ０２）ｔｏｃｏａｔｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃ

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ａｎｄｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅａｔ１１ｃｉｒｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｗｉｔｈｏｕｔｇｏｏｄｔｅｍｐｌａｔｅｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｉｒＳｉ０２ｗｉｌｌａｌｓｏａｆｆｏｒｄ

ｆｔｍｃｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｈａｓｐｏｔｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｂａｃｔｅｒｉａｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｄｙｅｗｉｌｌｌｅａｄｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｔｏａｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｗａｓｎｏｔｏｎｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅｂｕｔａｌｓｏｄｅｔｅｃｔａｂｌｅ，ａｎｄｏｆｆｅｒｇｒｅａｔｈｅｌｐｔｏｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇｏｆｍａｎｙ

ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｈａｓｕｓｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｂｉｏｌｏｇｙ．ＴｈｉｓＮＰｓｗｉⅡｌ

ＮＰｓｖａｒｉｏｕｓｍｅｔｈｏｄｓｔｏｐｒｅｐａｒｅｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅＳｉ０２ｍｕｌｔｉ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｂｉｏｔａｒｇｅｔｔｉｎｇ，ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔａｎｄ

ｗｅｒｅｓｕｐｅｒｐａｒａｍａｇｎｅｔｉｃ．ＴｈｅｕｓｅｄｔｏｔｈｅＩｆ．ａｌｇｉｎｏｌｙｔｉｃｕｓ’ｍａｇｎｅｔｉｃｓｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｆｏｕｒｃｈａｐｔｅｒｓ．

Ｉｎｃｈａｐｔｅｒｏｎｅ，ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｎａｎｏｍａｔｃｒｉａｌｓｗｅｒｅ

ｒｅｌａｔｅｔｏｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｎｓｏｍｅｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓｗｈｉｃｈ

ｓｕｃｈａｓｂｉｏａｎａｌｙｔｉｃａｌｃｈｅｍｉｓｔｒｙＡｕＮＰｓ，ｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓ（ＱＤｓ），ｐｏｌｙｍｅｒＮＰｓａｎｄＳｉ０２ＮＰｓ，ａｎｄⅡｌｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃ奄ｘｌｓｉｍｐｌｙ．ＬａｓｔｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄＳｉ０２ａｎｄｉｔｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ’ｓｙｎｔｈｅｓｉｓｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｂｉｏａｎａｌｙｔｉｃａｌｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｂａｓｅｄｏｎｍａｔｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｎｃｅｉｖｅｓｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｉｎｃｈａｐｔｅｒｔｗｏ，ｔｈｅｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓＳｉ０２ＮＰｓｗｅｒｅｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｕｓｉｎｇｒｅｖｏｌ＇ｓｅｍｉｃｅｌｌｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙＳＥＭ，ＴＥＭａｎｄＮ２ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｅｔｈａｎｏｌｔｏｗａｔｅｒ，ｔｈｅａｍｏｕｎｔｓｏｆ

ｏｎａｍｍｏｎｉａａｎｄＣＴＡＢ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｓｔｉｒｒｉｎｇｓｐｅｅｄｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄ

ｍｏｎｏｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓＳｉ０２ＮＰｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅＴＥＭａｎｄＮ２ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈｅｐｒｅｐａｒｅｄＳｉ０２ＮＰｓｗｅｒｅｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ．Ｔｈｅ

ｎｌｎ．ｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｏｂｅ９５２．４ｍ２／ｇａｎｄｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｗａｓ２．０

ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｇｉｖｅｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｏｒｓｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓＳｉ０２ＮＰｓｗｉｔｈｍｏｎｏｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ

ＮＰｓｗｉｔｈａｄｉａｍｅｔｅｒ．Ｉｎｔｈｉｓｃｈａｐｔｅｒ，ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓＳｉ０２ｄｉａｍｅｔｅｒｏｆ４００ａｍｗｅｒｅａｌｓｏｂｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｃｏ－ｈｙｄｒｏｌｙｚａｔｉｏｎｏｆＴＥｅＳｗｉｔｈａｎｏｔｈｅｒｓｉｌｙｌａｎｅｐｒｅｃｅｄｅｓｏｒｍｏｄｉｆｉｅｄｗｉｔｈｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｄｙｅ．

Ｉｎｃｈａｐｔｅｒｔｈｒｅｅ，ｍａｇｎｅｔｉｃＦｅ３０４ＮＰｓａｎｄＭｒｌＦｅ２０４ＮＰｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｓｏｌｖｏｔｈｅｒｍａｌａｎｄｔｈｅｒｍａｌｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙＳＥＭ，ＴＥＭ，ＸＲＤａｎｄＳＱＵＩＤｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｉｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ

ｔｏｔｏｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｈａｐｔｅｒｔｗｏ，ｐｒｏｐｅｒｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅｃｈｏｓｅｐｒｅｐａｒｅ

ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｇｎｅｔｉｃ

ｍｅｔｈｏｄｔｏＳｉ０２ＮＰｓｗｉｔｈｃｏｒｅ ｓｈｅｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｐｒｅｐａｒｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅＳｔ６ｂｅｒａｅｍｂｅｄｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃＦｅ３０４ＮＰｓｗｈｉｃｈｂｙｓｏｌｖｏｔｈｅｒｍａｌｗｉｍｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒ．ＡｎｄｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｐｒｅｐａｒｅｄｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅＳｉ０２ＮＰｓｗｉｔｈ１００ｎｍＦｅ３０４ＮＰｓａｓａｃｏｒｅａｎｄａ２０ｍｎＳｉ０２ａｓｓｈｅｌｌ．ＴｈｅｒｅｖｅｒｓｅｍｉｃｅｌｌｅｍｅｔｈｏｄＷａｓｕｓｅｄｔｏｅｍｂｅｄｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃＭｎＦｅ２０４ＮＦｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｔｈｅｒｍａｌｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ

ｉｎｔｏｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃＭｎＦｅ２０４ＮＰｓｗｅｒｅｍｏｄｉｆｉｅｄｗｉｍＣＴＡＢｔｏｂｅｔｒａｎｓｆｅｒｅｄｗａｔｅｒ．Ｔｈｅｃｏｒｅ－ｓｈｅｌｌＭｎＦｅ２０４＠Ｓｉ０２ｃｏｍｐｏｓｉｔｅＮＰｓａｎｄｎａｎｏｒｏｄｓｗｅｒｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｐｒｅｐａｒｅｄｖｉａｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍＷａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｅｍｕｌｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄ

ＮＰｓｗ勰ａｌｓｏｕｓｅｄｔｏｅｍｂｅｄｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃＭｎｇ＠２０４

ＮＰｓａｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｔｈｅｒｍａｌｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｃｅｉｖｅｄｃｏｒｅ－ｓｈｅｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｇｏｏｄｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｍｏｍｏｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ．

Ｉｎｃｈａｐｔｅｒｆｏｕｒ，ｔｗｏｃｏｒｅ—ｓｈｅｌｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅ

ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｄｙｅＳｉ０２ＮＰｓｅｍｂｅｄｄｉｎｇｍａｇｎｅｔｉｃｈｉＰｓａｎｄｏｎｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｕｓｉｎｇｍｉｃｒｏｅｍｕｌｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎｃｈａｐｔｅｒｔｈｒｅｅ．ＴｈｅＮＰ－ｌａｎｄＮＰ一２ｗｅｒｅｅｍｂｅｄＣｄＴｅＱＤｓａｎｄＦＩＴＣａｓｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｐｒｏｂｅ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｄｕｅｉｎｇｔｏｉｔｓ

ｉｖｈｉｇｈａｎｄｓｔａｂｌｅ

ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ，ｔｈｅＮＰ一２ｗａｓｃｈｏｓｅｔｏｍｏｄｉｆｙｗｉｔｈａｎｔｉｂｏｄｙｏｆ形ａｌｇｉｎｏｌｙｔｉｃｕｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｂｉｏｔａｒｇｅｔｔｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎ．ＴｈｅｓｐｅｃｉａｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎａｎｔｉｂｏｄｙａｎｄａｎｔｉｇｅｎｍａｋｅｓｔｈｅＮＰ－２ａｄｓｏｒｂｔｏｔｈｅｓｍ－ｆａｃｏｏｆＩｆ．ａｌｇｉｎｏｌｙｔｉｃｕｓｗｈｉｌｅｍｅｙａｌｅｉｎｍｉｘｔｕｒｅ．ＴｈｅｎｔｈｅＮＰ一２一Ｉｆ．ａｌｇｉｎｏｌｙｔｉｃｕｓ

ｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌ

ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ．ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｅｒｅｍａｇｎｅｔｉｃｓｃｐａｒａｔｏｄｄｒｉｖｅｎｂｙｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｌｅｄａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙＴＥＭａｎｄｆｌｕｏｒｏｓｃｅｎｃ宅ｃｏｎｆｏｃａｌ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ；ｓｕｐｅｒｐａｒａｍａｇｎｅｔｉｃ；ｂｉｏｔａｒｇｅｔｔｉｎｆｆ，Ｓｉ０２ＮＰｓ；矿ａｌｇｉｎｏｌｙｔｉｃｕａＶ

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另外，该学位论文为（

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资助，在（）课题（组））课题（组）经费或实验室的）实验室完成。（请在以上括号内填写课题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特别声明。）

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年月日

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年月日

第一章前言

第一章前言

１．１纳米材料简介

纳米材料（ｎａｎｏｍａｔｅｚｉａｌ）又称为超微颗粒材料，是由尺度介于原子簇和常规粉末，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域的纳米粒子（ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ）组成材料，其尺寸一般在ｌ～１００ｌｌｍ间。从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型介观系统【ｌ】，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效Ｊ醴｝５１，表现为当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。因此，纳米材料成为近些年来材料科学领域研究的热点之一，被誉为“２ｌ世纪最有前途的材料”。

１．２纳米材料的特性

１．２．１量子尺寸效应

在纳米尺度范围内，半导体纳米晶体随着其粒径的减小，会呈现量子化效应，显示出与块体不同的光学和电学性质。当粒子尺寸下降到某一值时，粒子内部原子数目减少，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级，纳米半导体微粒存在不连续的最高占据分子轨道和最低空分子轨道能级，能隙变宽，这些现象称为量子尺寸效应。半导体纳米颗粒的电子态随着尺寸的减小由体相材料的连续能带过渡到具有分立结构的能级，表现在光学吸收光谱上从没有结构特性的宽吸收过渡到有结构特性的吸收。纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性给纳米粒子带来一系列特殊性质，如高的光学非线性、特异的催化和光催化性质等【２＇３】。

１．２．２小尺寸效应

当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度的物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，颗粒表层附近原子密度变小，导致声、光、电、磁、热力学等物性呈现新的小尺寸效应。

多功能二氧化硅纳米颗粒的制各、表征及其在生物分离分析中的应用

例如，金属纳米颗粒的光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向磁无序态转变；超导相向正常相的转变：声子谱发生改变，物质熔点降低等。这些小尺寸效应为实用技术开辟了很多新领域，如纳米尺度的强磁性颗粒，当颗粒为单磁筹临界尺寸时，具有非常高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等；通过改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，还可以制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于微波屏障、隐形飞机等。

１．２．３表面效应‘６，７１

纳米颗粒尺寸小，表面能高，比表面积大，位于表面的原子占相当大的比例。表１．１给出了纳米颗粒尺寸与表面原子数的关系，图１．１给出了表面原子数占全部原子总数的比例和粒径之间的关系。

表Ｉ．Ｉ纳米颗粒尺寸与表面原子数的关系

图１．１纳米颗粒表面原子数占全部原子总数的比例和粒径之间的关系

由表１．１和图１．１可以看出，随着粒径减小，纳米颗粒表面原子数急剧增大。由于表面原子数增多，粒子表面原子中电子所处环境与粒子内部电子所处环境不同，表面原子周围缺少相邻的原子配位，有许多悬空健，具有不饱和性质，极不稳定，易与其它原子相结合而稳定，使得表面原子具有很高的化学活性。例如金

第一章前言

属纳米颗粒在空气中会燃烧，无机纳米颗粒暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应等。

１．２．４宏观量子隧道效应【２’８’９１

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现例如微粒颗粒的磁化强度和量子相干器件中的磁通量等一些宏观量也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的能垒而发生变化，称为宏观量子隧道效应。早期曾用宏观量子隧道效应来解释超细镍微粒在低温下继续保持的超顺磁性。宏观量子隧道效应的研究，对相关的基础和应用研究有着重要的意义，它和量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限制了采用磁带、磁盘等进行信息存储的最短时间。

１．２．５库仑阻塞效应

如果一个纳米粒子与其所有相关电极的电容之和足够小（如小于１ｏ．１８Ｆ），这时只要有一个电子进入量子点，系统增加的静电能就会远远大于电子热运动能量，这个能量将阻止随后的第二个电子进入同一个纳米粒子，这种现象叫做库仑阻塞效应（ＣｏｕｌｏｍｂＢｌｏｃｋａｄｅＥ疏Ｃｔ）。在实验上，可以利用电容耦合通过＃ｌ－力ｎ栅压来控制双隧道结连接的纳米颗粒的单个电子的进出。基于库仑阻塞效应可以制造多种量子器件，如单电子器件和量子点旋转门等。

１．２．６介电限域效应

随着粒径的不断减小和比表面的不断增加，表面状态的改变将会引起微粒性质的显著变化。与块状半导体相比，由于纳米颗粒表面原子数目的剧增，原子配位数严重不足，表面存在更多的电子陷阱，电子陷阱对颗粒的发光特性起关键性作用。当在半导体纳米材料表面修饰一层介电常数较小的介质时，相对于裸露于半导体纳米材料周围的其他介质而言，被包裹的纳米材料中电荷载体的电力线更容易穿过这层包裹膜，从而导致它比裸露纳米材料的光学性质发生了较大变化，这就是介电限域效应。当介电限域效应所引起的能量变化大于尺寸效应所引起的变化时，价带和导带间的能量差将减小，反应到吸收光谱上表现为明显的红移现象。

多功能二氧化硅纳米颗粒的制备、表征及其在生物分离分析中的应用

１．３几种常见的纳米材料

几十年来纳米科技的发展，科学家已制备出众多的纳米材料，总体上可分为无机盐纳米材料和有机高分子聚合物纳米材料两大类。其中无机盐纳米材料又包括单质纳米材料、氧化物纳米材料、ＩＩ．Ⅵ族或Ⅲ．Ｖ族半导体纳米材料、碳化物和氮化物层纳米材料、盐类和少量碱纳米材料等。这些纳米材料由于其独特的光学、电学、磁学等特性而广泛地应用于制备纳米器件、纳米医药、纳米生物材料、涂料、塑料和橡胶、催化、分析传感等领域【她１４１。下面介绍几种最为常见且广泛应用于生物化学领域的纳米材料。

１．３．１金纳米颗粒

随着现代纳米技术的发展，贵金属纳米颗粒的制备和可控光学特性的研究，引起了人们广泛的兴趣。其在纳米光学、非线性光学、催化作用、热动力学和传感器以及医学诊断等研究领域都有着十分重要的应用前景【１５－２０］。贵金属纳米颗粒最具代表性的特性是在可见光范围内伴随有强烈的吸收峰，这是其颗粒里大量的自由传导电子对外界光波入射的响应。当电子振动频率和入射光波频率相等时，即发生表面等离子体共振（ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅ，ＳＰＲ）效应，从而产生强烈的吸收峰。ＳＰＲ光谱峰位对颗粒的形状、大小、分布以及外部环境的变化非常敏感。这类纳米粒子包括纳米铂、纳米钯、纳米金、纳米银、纳米铜等，还包括铂／金、金／银等合金或具有核．壳复合结构的纳米粒子。其中，以金纳米颗粒的研究应用最为广泛。

金纳米颗粒（Ａｕｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ＡｕＮＰｓ）又称作胶体金。制备金纳米颗粒最为常见的方法是柠檬酸盐还原法，１９５１年，Ｔｕｒｋｅｖｉｔｃｈｌ等【２１】首次引入柠檬酸盐还原氯金酸制备出了２０ｎｍ左右的金纳米颗粒；随后在１９７３年，Ｆｒｅｎｓ通过控制柠檬酸钠与金的比例实现了特定粒径尺寸金纳米颗粒的可控制备‘２２１。金纳米颗粒的优点主要体现在：

首先，金纳米粒子作为催化剂有着许多优点，其粒径小、比表面积大、催化效率高。纳米粒子生成的电子和空穴在达到表面之前大部分不会重新结合，电子和空穴到达表面的数量多，化学反应活性高。同时，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态的影响。金纳米粒子在适当条件下可以催化断裂Ｈ．Ｈ、Ｃ．Ｈ、

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Ｃ．Ｃ和Ｃ．Ｏ键，并且由于这种颗粒没有孔隙，可避免由于反应物向内孔的缓慢扩散而引起的某些副反应，因而其活性和选择性都高于同类的传统催化剂。

其次，胶体金在可见光区有特征等离子体共振吸收【矧，且其吸收峰的等离子共振常随着尺寸及聚集形态的变化而发生频移（图１．２），其溶液的颜色从橘红色到紫红色发生相应变化，有利于肉眼观察。将其用于光学显微镜下检查表面抗原，具有操作步骤少、染色深浅容易控制、制片稳定、呈色鲜明、结果保存时间长、试剂无害、并能够用于暗视野显微镜等优点。因此，金纳米颗粒常用作光学探针应用于寡聚核苷酸的杂交特性研究和免疫分析、生物活性分子及重金属离子的检测等［２４－２８］。

（Ａ）０３）

图１．２柠檬酸法所制备的金纳米颗粒不同反应时间的紫外可见吸收光谱（Ａ）

及其应用于Ｌｉ２＋检灏ｌｔｎ）Ｅ２４１

１．３．２量子点

量子点（ｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓ，ＱＤｓ）又称为半导体纳米微晶体（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ），是一种由ＩＩ．Ⅵ族或Ⅲ．Ｖ族元素组成具有数百到数千个原子的稳定的无机纳米粒子【２９１。目前研究较多的主要是ＣｄＸ（Ｘ＝Ｓ，Ｓｅ，Ｗｅ）量子点，见表１．２。由于量子点的半径较小，电子和空穴在三维方向受量子限域，连续能带变成具有分子特性的分立能级结构。量子点受激发光激发后形成光生电子．空穴对，当电子和空穴再次结合时，发出能量稍低于激发光的光。并且由于体积小的晶体颗粒比表面积大，分布于表面的原子多，对电子的束缚作用大，所以表面柬

多功能二氧化硅纳米颗粒的制备、表征及其在生物分离分析中的应用

缚能就高，吸收的光能也高，这造成其吸收带蓝移，发光峰位置也相应蓝移，产生量子尺寸效应，最终导致量子点发射波长随其粒径尺寸而变化ｆ３０税】。单独的量子点容易受到杂质和晶格缺陷的影响，荧光量子产率很低，但是当以其为核心，用另一种材料进行覆盖形成壳核型结构后，可以将量子产率提高到约５０％。以二氢硫辛酸为稳定剂，可以制备出稳定且具有高量子产率的ＺｎＳ包裹的核壳型ＣｄＳｅｄＺｎＳ纳米晶，量子产率达３０．５０％。目前己合成的核壳型量子点有ＣｄＳ／Ａ９２Ｓ、ＣｄＳ／Ｃｄ（ＯＩ－Ｉ）２、ＣｄＳ／ＺｎＳ、ＺｎＳ／ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅｄＣｄＳｅ、ＣｄＳ／ＨｇＳ、ＣｄＳ／ＰｂＳ等。

表１．２不同种类的量子点

ＱｕａｎｔｕｍＤｏｔｓ

ＭｇＳ，ＭｇＳｅ，ＭｇＴｅ，ＣａＳ，ＣａＳｅ，ＣａＴｅ，ＳｒＳ，ＳｒＳｅ，ＳｒＴｅ，ＢａＳ，

Ⅱ．Ⅵ

ＢａＳｅ，ＢａＴｅ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＨｇＳ，ＨｇＳｅ

Ⅲ．ＶＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ

相较于传统的荧光染料和镧系配合物，量子点有更为突出的光学特性，主要表现为：（１）量子点的激发光波长范围很宽【３３１，使用单个波长可激发所有的量子点，同时半导体量子点的发射光谱很窄且覆盖了紫外到红外区域，而很少荧光染料的发射波长能在８００ｎｍ以上（图１．３）。这些优点使得在生物分析中使用同一波长激发光同时激发多种粒径的量子点而进行多通道检测成为可斛３４】。（２）量子点的发射波长可通过控制它的粒径大小和组成来调控ｐ副，因而可获得多种颜色可分辨的发光量子点（图１．４）。（３）量子点具有较大的斯托克斯位移和狭窄对称的荧光发射谱峰，半峰宽常常只有４０衄或更小，这就可以通过选择发射光谱不重叠或较少重叠的多个量子点，分别标记不同的生物分子，并通过检测其不同的荧光发射光谱而区分和识别不同的生物分子【３６】。（４）量子点的荧光比较稳定，荧光光谱受溶剂、ｐＨ值、温度等环境因素的影响较小，它可以经受反复多次激发而不易发生光漂白，其发光寿命比普通荧光标记染料长ｌ～２个数量级，可采取时间分辨技术检测信号，并可大幅度降低背景荧光，获得较高的信噪比。此外，量子点具有很好的生物相容性，而有机荧光染料或镧系配合物则不具有这种优越

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性。因此，量子点用于标记生物材料如细胞、蛋白质和核酸等，比使用有机荧光分子具有更好的荧光特性［３７－３９１。量子点的相关应用研究，将有助于超灵敏度、高稳定性以及长发光寿命的生物检测的发展。

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图１．３ＣｄＳｅ量子点和有机荧光染料ＦＩＴＣ的吸收光谱（Ａ）及发射光谱∞）比较删

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图１．４尺寸可调的ＣｄＳｅ量子点的荧光发射光谱（Ａ）及发光颜色（Ｂ）【３５】

１．３．３高分子聚合物纳米颗粒

随着纳米生物科技的发展，有机纳米生物材料因具有良好的生物相容性和生物可降解性而成为一种新兴的纳米生物材料，越来越受重视。这种材料主要包括

多功能二氧化硅纳米颗粒的制备、表征及其在生物分离分析中的应用

纳米高分子材料、树枝状聚合物（ｄｅｎｄｒｉｍｅｒｓ）和微乳液。纳米高分子材料或称为高分子纳米微粒，包括聚苯乙烯、聚己烯、聚丙烯酸、淀粉、葡聚糖、明胶、白蛋白、乙基纤维素、壳聚糖等。其中，以聚苯乙烯、聚苯胺和壳聚糖最为常见，可用于靶向药物或药物缓释，免疫分析以及生化分离。树枝状聚合物可用于纳米生物传感器、纳米催化剂、纳米监视器、免疫诊断等，但最主要是用于介导基因转移。微乳液的一个重要应用是用于纳米粒子的制备，但同时也用在药物缓释、细胞色素分离、生物转变、生物酶催化有机合成等许多方面。

作为一种软材料（ｓｏｆｔｍａｔｅｒｉａｌｓ）［４０ｌ，聚合物纳米颗粒具有柔性特性、易生物降解和高反应活性表面等优点，近年来来在药物传递和基因载体方面的应用研究发展迅速，药物与纳米聚合物以共价键相联组成的治疗系统成为研究者们关注的热点【４１１。其突出的优点在于：药物与聚合物以共价键连接，有利于实现定点、定时释放；药物连接到聚合物上后会呈现出生物惰性，因而在药物被释放前不会对人体产生伤害，对病人的损伤较小；多官能团聚合物还能隐蔽生物活性物质如蛋白质和多肽等，使其在到达作用位点前保持生物活性；并且聚合物所具有的ＥＰＲ效应（ｅｎｈａｎｃｅｄｐｅｒｍｅａｔｉｏｎａｎｄｒｅｔｅｎｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ），使其能够进入到疾病部位的血管或炎症组织处而不影响正常组织，这样药物就有可能只在病患处释放，从而减少副作用的发生。此外，纳米聚合物有助于增加药物的药代动力学，具有直接应用于药物治疗的潜力，将是未来新药的设计方向与发展趋势。

除了在药物传递方面巨大的应用潜力外，由生物相容性聚合物构成的纳米微球可保护生物酶、ＤＮＡ及他生物活性物质的生物活性，并且可作为这些生物活性物质控制释放的载体；利用嵌段共聚物或端基功能化的聚合物纳米微球，可以在表面引进许多新的功能性反应基团，实现对纳米微球的表面修饰；某些具有核壳结构的纳米球还可以作为催化剂载体实现可控催化反应。这种核壳型纳米微球还可以保护芯材不受外界环境的化学侵蚀，解决纳米球的团聚等问题。将核所在部分的物质去除，得到中空的纳米球，可用作纳米子合成反应器、分离器等。１．３．４二氧化硅纳米颗粒

纳米二氧化硅颗粒（ｓｉｌｉｃａｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ，Ｓｉ０２）是纳米材料中的重要一员，～种无毒、无味、无污染的非金属材料，微结构呈絮状和网状的无定形结构。纳米Ｓｉ０１２由于颗粒尺寸的微细化，比表面积急剧增加，使得Ｓｉ０２纳米粒子具有许多

独特的性能和广泛的应用前景，如特殊光电特性、高磁阻现象、非线性电阻现象，高温下仍具有高强、高韧、稳定性好等奇异特性。另外，ｓ ０２因其光学透明性、化学惰性、生物兼容性等，在现代新材料、组合纳米材料中担当重要角色，在细胞标记、药物运输、ＤＮＡ转染和选择性分离等方面也显示出广阔的应用前最。

常用的ｓ１０２纳米颗粒可分为（实心）Ｓｉ０２纳米颗粒和介孔ｓ１０２微球两种，其中，介孔微球又根据其孔道结构的差异可以分为ＭＣＭ－４１、ＭＣＭ＿４８、ＭＣＭ一５０、ＨＭＳ、ＭＳＵ和ＳＢＡ等。ＭＣＭ＿４Ｉ具有六边形孔道．结构属于ｐ６ｍｍ点群；ＭＣＭ．４８则具有立方体孔道，结构属于血划点群；而ＭＣＭ．５０Ｎ是片状结构，属于叩点群㈤。这类材料的合成多以离子型表面活性剂作为摸板，使用链长不同的表面活性剂，可咀获得孔径在２一１０ｎｍ范围内的介孔材料。规整的孔道结构和连续可调的孔径、较大的比表面积和孔容、良好的热稳定性和化学稳定性，使得介孔ｓ ０２纳米颗粒在吸附与分离、大分子催化等领域有着广泛的应用前景［４３４４］。近年来，随着介孔ｓｉ０２纳米颗粒制备技术的成熟，利用介孔ｓ ０２微球作为主体，在其孔中组装各种纳米粒子或生物分子以实现微球功能化，制备复合纳米粒子的研究也被广泛开展。目前已有利用介孔ｓ１０２微球组装贵金属纳米颗粒如Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ、Ｆｅ３０４和加载不同种类的酶物质等的研究‘４¨１。

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图１．５介孔Ｓｉ０２纳米颗粒ＭＣＭ－４１（ａ）．ＭＣＭ－４８（ｂ）帛３ＭＣＭ－Ｓ０（ｅ）

的结构示意图‘“】

（实心）Ｓｉ０２纳米颗粒不但兼具硅胶所具有的良好的生物相容性、水溶性，而且制各方法简单多样，颗粒表面易于修饰，因而常用于制各掺杂型或核一壳型纳米颗粒，应用于细胞成像，药物释放等生物分析研究方面，下文将详细介绍。ｂ

多功能二氧化硅纳米颗粒的制备、表征及其在生物分离分析中的应用

１．４Ｓｉ０２纳米颗粒的制备

纳米材料的制备是其应用研究的基础。到目前为止，纳米Ｓｉ０２的制备方法简单多样，主要可以分为干法和湿法两种。干法包括气相法和电弧法，湿法有沉淀法、超重力反应法、水热合成法、溶胶．凝胶法和微乳液法等。其中，溶胶凝胶法和微乳液法分别以方法简便和形貌易控制而广泛应用于各种纳米ＳｉＱ微球及其复合材料的制备。

１．４．１气相法【４８，４９Ｊ

气相法制备Ｓｉ０２纳米颗粒多以四氯化硅为原料，采用四氯化硅气体在氢氧气流高温下水解制得烟雾状的纳米二氧化硅。反应方程式如下：

２Ｈ２＋０２—２Ｈ２０

ＳｉＣｌ４＋２Ｈ２０专Ｓｉ０２＋４ＨＣＩ

２Ｈ２＋０２＋ＳｉＣｌ４—＞Ｓｉ０２＋４ＨＣｌ

该法优点是产物纯度非常高、分散性好、粒径小而且成球形，表面羟基少，因而具有优异的补强性能，但原料昂贵，能耗高，技术复杂，设备要求高。这些条件限制了产品的生产应用。

１．４．２沉淀法［５０ｌ

沉淀法是以硅酸钠和酸化试剂为原料，用酸化剂和硅酸钠溶液反应，获得疏松、细分散的、以絮状结构沉淀出来的Ｓｉ０２晶体。反应方程式如下：

Ｎａ２Ｓｉ０３＋ＨＣｌ专Ｈ２Ｓｉ０３＋ＮａＣＩ

Ｈ２Ｓｉ０３一Ｓｉ０２＋Ｈ２０

该法原料易得，生产流程简单，能耗低，投资少，但是产品粒径常常受酸化剂的种类、硅酸盐的浓度以及搅拌速度条件等方面的影响，质量不如采用气相法和凝胶法的产品好。常用的酸化剂为硫酸、盐酸、硝酸等，也有选用有机酸化剂或有机．无机复合酸化剂。使用乙酸乙酯水解释放出的旷作为酸化剂可以制得粒径约为２０ｎｍ的纳米Ｓｉ０２粉体。目前，沉淀法制备Ｓｉ０２纳米颗粒的技术包括以下几类：（１）在有机溶剂中制备高分散性能的Ｓｉ０２；

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（２）酸化剂与硅酸盐水溶液反应，沉降物经分离、干燥制备Ｓｉ０２；

（３）碱金属硅酸盐与无机酸混和形成Ｓｉ０２水溶胶，再转变为凝胶颗粒，经干燥、热水洗涤、再干燥，锻烧制得Ｓｉ０２；

（４）水玻璃的碳酸化制备Ｓｉ０２；

（５）通过喷雾造粒制备边缘平滑非球形Ｓｉ０２。

１．４．３水热合成法

水热反应是高温高压下，在水溶液或蒸汽等流体中进行有关化学反应的总称。水热反应法是利用水热反应制备粉体的一种方法，它为各种前驱物的反应和结晶提供了一个在常压条件下无法得到的、特殊的物理和化学环境。粉体的形成经历了溶解、结晶过程。该法的特点是粒子纯度高、分散性好、晶型好且大小可控，但是对设备要求高，操作复杂，能耗较大【５１１。值得注意的是，水热合成过程中的温度、压力、样品处理时间以及溶液的成分、酸碱性、所用的前驱体种类、有无矿化剂和矿化剂的种类等对所生成的氧化物颗粒的大小、形式体系的组成、是否为纯相等有很大的影响【５２１。

１．４．４超重力反应法

超重力技术，即旋转填充床（Ｉ心Ｂ）技术，是近年来兴起的强化传递与反应的高新技术。在超重力环境中，传质过程和微观混合过程得到了极大的强化，大大缩短了反应时间，加速了颗粒形成。该法以硅酸钠为液相，二氧化碳为气相，采用超重力反应装置，使气、液两相在比地球重力场大数百倍至千倍的超重力场条件下的复孔介质中产生流动接触，巨大的剪切力使液体撕裂成极薄的膜和极小的丝和滴，从而产生巨大的快速更新的相界面，导致相间传质速率比在传统塔器中大ｌ至３个数量级，使微观混合速率得到极大强化，使溶液达到过饱和且分布均匀，从而快速、高质量地生产出纳米Ｓｉ０２【５３】。该方法反应时间短，生产效率高。产品具有粒度小、粒径分布均匀的优点［５４１。贾宏等人【５５１利用超重力法成功的制备出了粒径小于３０ｎｍ的Ｓｉ０２颗粒，粒径均匀。

１．４．５溶胶．凝胶法（Ｓｏｌ－Ｇｅｌ法）

溶胶．凝胶技术由于其自身独有的特点成为当今重要的一种制备Ｓｉ０２材料的方法。Ｓ０１．Ｇｅｌ法【５６－６０１是以无机盐或金属醇盐为前驱物（Ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ），经水解缩聚

多功能二氧化硅纳米颗粒的制备、表征及其在生物分离分析中的应用

过程逐渐凝胶化、然后经过一定的后处理（陈化、干燥）得到所需的材料。该法最早源于十九世纪中叶，Ｅｂｄｍａｎ和Ｇｒａｈａｍ发现正硅酸四乙酯（ＴＥＯＳ）在酸性条件下会产生玻璃态的Ｓｉ０２【６１】。溶胶．凝胶法就是将金属醇盐溶解在有机溶剂中，通过水解聚合反应形成均匀的溶胶（Ｓ０１），进一步反应并失去大部分有机溶剂转化成凝胶（Ｇｅｌ），再通过热处理，制备成膜的化学方法。Ｓｉ０２的颗粒粒径易受反应物的影响，如水和氨水的浓度、硅酸酯的类型（正硅酸四甲酯、正硅酸四乙酯、正硅酸四丙酯等）、不同的醇（甲醇、乙醇、丙醇、戊醇等）、催化剂的种类（酸或碱）及不同的温度等，对这些影响因素的调控，可以获得各类结构的纳米Ｓｉ０２【６２１。该制备方法反应过程如下：

缩合聚合反应：Ｓｉ（ＯＲ）。＋ｘＨ２０—Ｓｉ（ＯＨ）。（ＯＲ）。＋ｘＲＯＨ

－Ｓｉ—ＯＨ＋ＨＯ—Ｓｉ－Ｓｉ－－）Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ＋Ｈ２０

．Ｓｉ—ＯＲ＋ＨＯ．Ｓｉ－－）Ｓｉ．Ｏ—Ｓｉ＋ＲＯＨ失水缩合：失醇缩合：

溶胶．凝胶法作为制备纳米Ｓｉ０２的一种方法，被诸多的学者所研究，并取得了相当大的进展。Ｏｖｅｒｂｅｅｋ等发现若粒子的成核作用可在短时间内实现，并接着在不存在过饱和的情况下生长就可得到单分散的氧化物胶粒。这些方法的出现使得我们有可能在材料合成早期就对其形态、结构进行控制。已有的实验结果表明，ｐＨ值和催化剂对Ｓｉ０２的颗粒粒径有着重要的影响，不同的ｐＨ值下制备出的Ｓｉ０２颗粒粒径也不同，催化剂改变，也使Ｓｉ０２颗粒粒径发生了变化。

Ｓｔ６ｂｅｒ等人【６３】发现用氨水作为硅烷（如ＴＥＯＳ）水解反应的催化剂可以控制Ｓｉ０２粒子的形状和粒径，于１９６８年首先提出并制备出了粒径较为单一且分散性良好的，直径在５０ｎｉｎ到２岬的Ｓｉ０２纳米颗粒，发展为Ｓｔ６ｂｅｒ法。主要过程为：将ＴＥＯＳ加入到乙醇／水／氨水混合溶液中，在氨水的催化下，ＴＥ０８水解成硅酸（在乙醇中有很高的溶解度），硅酸经过缩合．均匀成核．生成无定形的Ｓｉ０２纳米颗粒。粒子的大小可以通过ＴＥＯＳ、水和氨水的量来调控。该方法是早期制备ＳｉＯ纳米粒子的常用方法，其最大的优点就是没有引入表面活性剂等物质，所制备的纳米颗粒易于清洗，并且形貌良好，粒径较均一且在一定范围内可控［６４－６６１。如果在合成中，引入表面活性剂作为模板，则可以制备出具备多孔结构的介孔Ｓｉ０２纳米微球。用Ｓ０１．Ｇｅｌ法反应温度较其他方法低，能形成亚稳态化合物，具有纳米粒子

第一％前占

的晶型，粒度可控且粒子均匀度高，纯度高，反应过程易控制，副反应少、分相并可避免结晶等优点。

１．４．６微乳液反应法旧Ｉ

Ｗａ№ｒｍｏｉＩｍｉｃｒｏｅｍｕｌｓｂｏｎ

图１，６Ｗ／Ｏ型微乳液结构示意图

微乳液法是液相制备法中的较为新颖的一种手段。在Ｗ／Ｏ型微乳液中．一般由表面活性剂、助表面活性剂、油（通常为极性小的有机物）、水组成。体系中，表面活性剂包围着水相分散于连续的油相中，被包围的水核是一个独立的纳米尺寸的“微反应器”（图１６）。反应在水核中受控进行．所生成的产物颗粒大小和形状与水核大小密切相关。与传统的制备方法相比，微乳法制备纳米粒子粒径调控方便，所得粒子分散性好，故微乳法在制各超细微粒方面有着广阔的前景。利用反相微乳法制备纳米二氧化硅颗粒，反应物大多是硅酸酯，当硅酸酯透过胶团界面膜进入水核中时，会发生水解生成金属氧化物或复合氧化物。常用的硅酸酯为正硅酸乙酯（ＴＥＯＳ）。用无机酸催化水解含碱金属硅酸盐的反胶束微乳液，也可以制各出球形的ｓｉ０２纳米颗粒，颗粒尺寸为５—１００ｎｍ，粒径均匀，比表面积高。微乳法中所用表面活性剂种类很多，目前主要集中在非离子型表面活性剂系列，如ＯＰ、ＮＰ、ＴｒｔｉｏｎＸ系列等。由于水相在反胶团微乳液中以极小的液滴形式分布在油相中．形成了彼此分离的微区，从而将颗粒的形成空间限定于反胶团微乳液的内部．因此粒子的大小、形态、化学组成和结构等都将受到微乳

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