随着纳米科技的快速发展, 纳米粒子被大量生产并在日常生活中得到广泛应用, 但也随之带来了在环境甚至人体内残留的安全性问题[1-3]。因此, 为减轻环境负担[4]、避免过多纳米粒子的暴露[5], 研究其分离和去除的方法就显得尤为重要[6]。在纳米材料的研究和生产中, 通过合适的分离手段获得一定粒径、形貌、结构的纳米粒子也是迫切需要研究的课题[4], 因为纳米粒子的性能(如团聚、体内传输和毒性等) 在很大程度上取决于其尺寸和表面状态等属性。可以说纳米粒子的分离技术是合成特定功能材料的基础和保证[7], 是确保材料质量、提高材料纯度的关键性因素[8], 也是后续解决纳米粒子环境安全问题的基础。本文总结了几种较为常见的纳米粒子分离方法, 并着重挖掘了各种分离方法的特点和适用情况。
场流分级法(field flow fractionation, FFF) 由Giddings于1966年首次发明[9], 现已成为纳米粒子分离的重要手段。FFF是在一个长而窄的隧道中, 将“场”运用于其中的悬浮液或溶液, 以垂直(或其他角度) 于流动相的方向进行作用, 利用在“场”作用下迁移率的不同达到分离的方法, 具体示意图见图 1[10]。这个“场”可以是半渗透膜的不对称流动场, 也可以是离心力场、重力场、热场、电场和磁场等。
流动场流分级法[11]能够对尺寸范围较宽的胶体进行持续的高分辨分离, 并通过与其他检测器联用, 如动态光散射仪、透射电子显微镜、紫外-可见分光光度计、诱导耦合等离子体质谱仪、原子力显微镜等, 得到纳米粒子的大小、形状、化学组成等信息。FFF适用于如大气、自来水、污水、地表水、底泥、沉积物和生物样品等复杂基质中纳米粒子的检测。
离心场流分级法也得到较为广泛的应用, 在离心力的作用下, 可根据不同的尺寸和密度, 实现纳米粒子的分离, 具有适用样品范围广、分离效率高的优点。离心场流分级法还可通过与其他仪器(如动态光散射仪) 联用来区分或检测纳米粒子。Tian等[12]通过离心场流分级法将Fe3O4@SiO2@cellulose-2, 3-bis (3, 5-dimethylphenylcarbamate)(CMM) 样品进行纯化, 得到尺寸分布均一、杂质含量少的样品, 为进一步的色谱分离做好铺垫。
John等[13]采用不对称流场流分级法(asymmetric flow field flow fraction, AF4) 直接在悬浮液中进行分离纯化而不需要前处理过程, 在去溶剂化的过程中将未溶解的人血清蛋白分离出来; Tasci等[14]改进了传统的循环电场流分级法, 通过修改电路和抵消电压实现了15~40 nm金纳米粒子的高效分离, 且能够使用的电压振幅、频率和波形较为宽泛。Mudalige等[15]通过对金纳米粒子和AF4分离膜的功能化修饰, 减少了分离膜上残留颗粒的聚积, 成功分离了3种不同粒径的纳米粒子, 同时提高了分离效率、样品回收率及分离膜的使用寿命。说明AF4方法适于分离粒径范围较宽的纳米粒子。
FFF适用范围广, 根据样品扩散系数的不同可以实现持续、高灵敏度和高准确度分离的同时完成物质粒径分布的测定。FFF的不足之处在于样品易损失, 主要原因是在样品与分离膜作用的过程中, 分离膜会对样品产生吸附, 样品的pH值、离子强度等也会发生改变。
超速离心法(ultracentrifugation) 包括密度梯度超速离心法、黏度梯度超速离心法和速度梯度超速离心法等, 可根据分离目标纳米粒子的大小选择不同的方法[16]。
密度梯度超速离心法是将样品加在惰性梯度介质中进行沉降，不同大小的纳米粒子被分配到特定位置而形成不同区带的分离方法, 是一种广泛的、非破坏性的、可规模化的分离方法[17]。密度梯度超速离心法已成功应用于不同化学性质[18]、结构和尺寸的金纳米粒子[19]以及生物大分子的分离[20]。金纳米棒由于其独特的光学性质在医疗诊断上发挥着重要作用[21]。Akbulut等[22]利用液体多相系统对初合成的金纳米棒产品进行速率分区离心来分离不同形状和大小的金纳米棒、纳米球和纳米颗粒(见图 2), 并在10 min内将金纳米棒从48%富集到99%。其中, 液体多相系统起到媒介作用, 每层都具有不同的黏度, 可以促进相同密度、不同流体力学性质的纳米粒子一次性的分离和富集, 提高了分离效率。
Bai等[23]在液体多相系统的基础上, 发展了简单、快速、有效的有机多相系统, 扩大了可分离的胶体纳米粒子的范围(如Au, Ag和CdSe纳米粒子等), 可直接分离和纯化在有机介质中分散的胶体。胶体纳米粒子能够在有机梯度溶剂中被聚合物捕获, 通过蒸发溶剂, 这些小片段可以被制成有离散纳米粒子嵌入功能的复合薄膜。由于很多金属和半导体纳米粒子是在有机相中合成的, 这种方法可以直接应用于产物中, 从而进行高效分离、纯化及功能化修饰。
在目标纳米粒子密度相同或相近时, 黏度梯度离心法是一种有效的分离方法, 通过黏度不同分离出大小不同的纳米粒子。Qiu等[24]利用聚乙烯吡咯烷酮作为分离介质, 通过预溶解一定浓度的表面修饰分子到不同黏度梯度的介质中, 可以分离不同表面基团修饰的金和铁氧化物胶体纳米粒子, 该方法无需使用高离子强度的介质, 即使纳米粒子的粒径差别极小也可以得到有效分离。
对于离心法来说, 介质与纳米粒子的相互作用决定了纳米粒子的分配, 是实现体积差异较小的纳米粒子分离的关键因素, 介质的理化性质如pH、离子强度、亲和性等与目标纳米粒子的理化性质的特点相结合可以分离其他手段难以分离的纳米粒子。Chen等[25]利用高密度的CsCl溶液实现了聚苯乙烯-嵌段-聚丙烯酸(poly-styrene-block-poly (acrylic acid)) 包覆的二聚体、三聚体金纳米粒子(AuNPn@PSPAA) 的分离(见图 3), 同时也保证了纳米粒子结构的完整性。这种差异离心法同样适用于其他金属纳米粒子。
超速离心法利用纳米粒子重量、密度等性质的不同实现其分离和富集, 可对化学修饰的纳米粒子进行纯化, 对不同形貌、尺寸或聚集情况的纳米粒子进行分离, 同时具有样品损失少的优点, 目前已被广泛地应用于金纳米粒子和量子点的分离。
膜分离法(membrane separation) 一般是通过膜的过滤作用保留不同尺寸的纳米粒子, 从而达到分离的目的。超滤过程是一种加压分离方式, 具有分离速度快、适用范围广的特点, 可以达到工业化规模。与树脂色谱相比, 膜分离法更简便高效, 更容易实现实验室及工业应用, 并促进了血液透析装置的创新。
膜的厚度、孔径、疏水性及内表面积是影响分离效果和分离速率的重要因素。表面积较高会导致样品滞留、损失和堵塞; 膜较厚会使纯化过程中的传输速度过慢。Gaborski等[26]研制出了超薄的纳米晶硅膜, 实现了金纳米粒子和蛋白质的高效分离。多孔纳米晶硅薄膜具有顺滑、疏水的内壁, 具有一定的抗压能力、较高的液压渗透性和尺寸分辨能力。其在分离过程中膜结构不受溶剂的影响而改变, 滤出液不会被稀释, 可以用来纯化低聚蛋白质中的单聚体或挑选出单一性质的量子点。
碳纤维膜具有多孔性、灵活性和交联性, 而静电纺丝方法制造出的碳纤维膜往往具有孔径分布不均一的缺点。Liang等[27]制备的碳素纤维膜的孔径分布均一, 可以从溶液中过滤出一定粒径的纳米粒子, 而多孔性和疏水性的特点也使得该膜具有较高的通量。该膜成功地分离了2种不同尺寸的金纳米粒子和3种不同尺寸的金纳米粒子和银纳米粒子自组装体。这种依据尺寸的差异性进行分离的方法, 可应用于高分子、病毒、细菌和微生物等纳米、微米级颗粒的分离。
在膜材料的研究中, Krieg等[28]研究了一种可循环使用的超分子膜(见图 4), 考虑到非共价键合材料可以进行可逆的自组装, 他们发明了纤维在水中自组装的纳米结构超分子膜。较薄的膜可以用于过滤, 而较厚的膜可用于尺寸排阻色谱中, 该膜因为疏水作用保证了较强的韧性, 并具有广泛的适用性, 可以通过材料分解进行简易回收，同时得到保留的纳米粒子。金纳米粒子溶液Au3的过膜过程见图 4a, 在滤出液中得到粒径较小的纳米粒子(见图 4d), 在残留液中得到粒径较大的纳米粒子(见图 4f)。分离产物的纯度可以通过紫外吸收测定, 而残留液中较大的纳米粒子和分离材料pp2b (5, 5′-bis (1-ethynyl-7-polyethylene glycol-N, N′-bis (ethylpropyl) perylene-3, 4, 9, 10-tetracarboxylic diimide)-2, 2′-bipyridine) 可以通过加入二氯甲烷和乙醇进行分离和回收。制作使用和回收处理再利用的整个循环过程见图 4i。
Lee等[29]研究了在负电性的氧化石墨烯片表面生长出大量定向排列的一维各向异性功能化的丝状噬菌体病毒M13复合膜的方法, 这些定向排列的病毒末端被功能化氨基酸通过倾向盐桥作用与各向异性的氧化石墨烯纳米片层结合在一起, 堆叠成纳米超薄膜, 其具有高渗透性和尺寸选择排阻效应。该病毒的制备成本低、生长速率快, 此研究为高效膜的生产提供了新思路。此外, 也有研究者将膜分离与静电作用力相结合, 如Jou等[30]报道了一种电力调节多孔膜对荷电粒子进行分离的方法, 这种可调的电力膜具有调节流向的能力, 为高效、高速的过滤节省了时间, 同时兼顾了膜的选择性和渗透性。膜分离法的优点在于可批量化，同时具有针对性, 可根据不同膜的特点结合不同的材料达到良好的分离, 适用于大量样品的分离, 具有可清洗和重复利用的优点。
膜分离法适用于高浓度纳米粒子的分离, 而对于低浓度的纳米粒子, 色谱分离法(chromatography separation) 具有更好的优势。色谱分离法的特点在于对样品进行分离的同时可以定量检测。由于纳米粒子自身的流体力学性质和电泳性质等, 其在表面修饰前后的结构变化都可以通过色谱方法进行分离和检测。较常用的色谱分离法包括高效液相色谱法、尺寸排阻色谱法、毛细管电泳色谱法等，并可根据不同的分离对象和分离目的对色谱固定相、流动相及色谱柱进行选择。
尺寸排阻色谱法可根据样品形状和尺寸的不同实现对纳米粒子的分离, 具有分离时间短、带宽窄、灵敏度高、样品损失少的优点。Al-Sid-Cheikh等[31]利用尺寸排阻色谱与紫外诱导耦合等离子体质谱联用检测环境中的有毒金属、不同相对分子质量的有机物及不同尺寸纳米粒子的吸附、解离等行为。这种方法可以实现反应的定量检测, 并能精确筛分不同尺寸和重量的纳米粒子。
碳纳米管具有独特的电学、物理学和光学性质, 在电子、器件、生物等研究中得到广泛应用。单壁碳纳米管(SWCNTs) 由于其电子性质而不能用于共价修饰(扰乱sp2杂化), 而双壁碳纳米管(DWCNTs) 可以在保留内壁性质的基础上在外壁进行共价修饰, 同时可以用于信号转换。因此, 把DWCNTs从SWCNTs中分离出来是对其进行利用的前提, Moore等[32]使用丙烯葡聚糖凝胶柱色谱实现了对DWCNTs的直接、快速、规模化和高通量分离(见图 5)。Moore等[32]在尺寸排阻色谱法的基础上, 结合胆酸钠溶剂化的直径和长度进行排阻, 为富集DWCNTs提供了便捷有效的方法。混有SWCNTs的DWCNTs初始产物的洗脱过程(绿色) 见图 5a左半部分, 尽管大多数的碳纳米管都流过色谱柱, 但还有一部分被吸附在顶部, 而加入0.5%(质量分数) 的胆酸钠后, 被吸附的碳纳米管得到了洗脱, DWCNTs (见图 5a紫色) 比SWCNTs (见图 5a蓝色) 的流速更快, 从而实现了DWCNTs的分离。由图 5b可知, DWCNTs流速更快的原因是DWCNTs和SWCNTs的直径和长度不同, 其中长度是主要因素。
整体柱因具有不易坍塌的优点, 近年来被广泛用于纳米粒子的分离, 可有效避免纳米粒子在柱中易堵塞的问题。Itoh等[33]发展了同时分离分析纳米粒子和相对分子质量较小的物质的方法(见图 6)。他们利用整体柱的结构特点, 结合纳米粒子可以渗透至流通孔内, 且比相对分子质量较小的物质(如荧光素、罗丹明110等) 洗脱更快的特点, 采用不同的洗脱条件, 达到只用一根整体柱将纳米粒子与其他物质分离的效果。在流体力学模式下用微米尺寸的孔分离纳米粒子, 用介孔分离相对分子质量较小的物质, 独立地控制大孔和介孔结构, 实现同时分离二者的效果。整体柱结构中的尺寸、形状和表面性质均可调, 对于分离功能化纳米粒子具有良好的作用。
在对表面修饰的纳米粒子的定量和定性分析中, 毛细管电泳法(CE) 具有良好的优势。纳米粒子进行表面修饰前后的流体力学性质和电泳性质是分析纳米结构的有效特征。CE色谱峰的峰宽和纳米粒子的尺寸分布具有定量关系, 毛细管等速电泳法可以确定纳米晶的有效电荷和浓度, CE法中的反相电极堆叠法可通过阴离子表面活性剂富集金纳米粒子。Oszwaldowski等[34]克服了电泳分离纳米粒子的限制(静电力、电泳延迟、松弛效应和斯托克斯摩擦力会影响荷电粒子在电解液中的分散和电泳迁移), 根据纳米晶对胶束亲和作用的不同, 采用不同的电泳条件实现富集。Oszwaldowski等[34]采用这种分离方法成功地分离了表面修饰了二氢硫辛酸、DNA低聚体和胺基等的硒化镉纳米晶。
磁性分离法(magnetic separation) 是利用磁性作用力对纳米粒子进行有效分离的方法。早年就已经发展出了轴向流动形式的磁分离, 通过改变孔道数、孔道尺寸、分离器长度和磁性线圈等达到高效分离的效果。最近, Magnet等[35]研究了磁场作用下的微粒子填充床闭环过滤系统, 该系统能有效清除吸附于磁性纳米粒子上的纳米污染物。
在几种纳米粒子粒径相似的体系中, 采用梯度离心、超滤等方法都难以将其分离, 可以通过磁性纳米粒子选择性捕获特定的目标纳米粒子来实现其分离。针对目标纳米粒子的表面化学特性, 设计和合成适宜的高选择性捕获该目标纳米粒子的磁性纳米粒子, 并将二者混合, 再通过磁场作用达到特异性分离的目的。如Essinger-Hileman等[36]以一种一端连接生物素相似物的缩氨酸为桥梁, 将其与对缩氨酸具有较高结合亲和力的金纳米粒子相互作用, 再利用该生物素修饰的金纳米粒子对与链球菌亲和素包覆的三氧化二铁的特异性结合，实现了金纳米粒子与硫化镉量子点的分离(见图 7)。其紫外-可见光谱图(见图 7e) 显示了其分离效果, 分离后的曲线没有金纳米粒子的特征峰(约520 nm)。本课题组合成了双磷酸基团功能化的磁性纳米粒子[37], 实现了二氧化钛和二氧化硅纳米粒子的有效分离, 该功能化磁性纳米粒子能从复杂混合物中高选择性地捕获二氧化钛纳米粒子。
纳米粒子的分离是材料合成和环境净化等领域的基础性研究课题。其分离方法较多, FFF是一种没有固定相的“单相色谱”分离法; 超速离心法主要用于分离沉降速度有差异的纳米粒子; 膜分离法适用于高浓度物质的分离; 色谱法能对微量样品进行分离和检测; 磁分离法理论上适用于任何纳米粒子的分离，分离效率高且特异性强，但需要特定的功能化修饰。纳米粒子分离方法的评价主要集中在高效性、特异性、操作的简便性、重复性和回收利用性等方面。纳米粒子合成与分离过程的一体化也是未来发展的重要方向。先进材料的发明和应用也为纳米粒子的分离带来了契机, 相信未来还会有更多独特巧妙的分离方法出现, 特别是制备型分离方法。
2017,
Vol. 35 Issue (3): 245-251
PDF
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