基于反相微乳液法的尺寸可控性二氧化硅納米顆粒制備研究*

何曉曉,石碧華,王柯敏,陳 冕,譚蔚泓

(湖南大學生物醫學工程中心,湖南大學化學生物傳感與計量學國家重點實驗室,湖南大學化學化工學院,湖南大學生命科學與技術研究院,生物納米與分子工程湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410082)

納米顆粒材料的大小、尺寸分布極大地影響納米顆粒材料的物化性質以及其在光、電、化學和生物等領域中的應用[1-3].隨著對納米顆粒材料的應用及生物學效應研究工作的積極開展,發展有效的納米顆粒材料尺寸可控性合成方法顯得尤為重要.二氧化硅納米顆粒作為納米顆粒材料的重要成員之一,已在生物標記、細胞識別、細菌檢測、DNA檢測、基因載體和藥物載體等研究領域中得到了廣泛的應用[4-6],而二氧化硅納米顆粒的大小、粒徑分布及形貌特征也可能會對其理化性質產生影響,進而有可能影響其應用及生物學效應.因此,開展二氧化硅納米顆粒尺寸可控性制備研究對于拓展二氧化硅納米顆粒的生物醫學應用及進一步考察其生物學效應具有非常重要的意義.

目前發展的二氧化硅納米顆粒制備方法主要有Stober法和油包水反相微乳液法,后者具有設備簡單,操作簡便,反應條件溫和,制備出的納米顆粒粒度均一,越來越激起人們的興趣[7].并且采用反相微乳液法制備納米顆粒時,通過改變微乳液體系中不同參數可獲得不同尺寸的納米顆粒,如:Motte等[8]報道了在AOT/異辛烷/H2O微乳液體系中制備CdS中,[Cd2+]與[S2-]的比值對 CdS粒徑的影響;Arriagada F J等人[9-10]系統地研究了在NP-5/環已烷/NH3H2O油包水反相微乳液體系中影響球形二氧化硅納米顆粒的尺寸的各種因素及機理的探討,發現水與表面活性劑的摩爾比(R)及NH3H2O的濃度明顯影響了顆粒的粒徑分布.這些研究工作的開展使可控性合成大小不同的二氧化硅納米顆粒研究取得了重大進步,但是,這些方法也存在一些不足,如:反應時間長、粒徑變化幅度小等.因此,進一步考察其他反相微乳液體系合成不同大小的二氧化硅納米顆粒是極其有意義的.

本文采用Triton X-100/環己烷/正己醇/水反相微乳液體系合成二氧化硅納米顆粒,分別考察了水與表面活性劑的摩爾比(R),TEOS的量、氨水的量及包殼次數對顆粒粒徑的影響,開展了基于反相微乳液法的尺寸可控性二氧化硅納米顆粒的制備研究.

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

Triton X-100、正硅酸乙酯(TEOS)、環已烷、正已醇及無水乙醇均為國產分析純;氨水質量分數為25%～28%;實驗用水為超純水(18.2 MΩ);JEOL-1230型透射電子顯微鏡(日本,JEOL公司);Malvern Zetasizer 3000HS分析儀(英國,Malvern公司).

1.2 實驗方法

1.2.1 二氧化硅納米顆粒的制備

采用文獻[11]報道的油包水反相微乳液法合成二氧化硅納米顆粒.T riton X-100、環已烷和正已醇分別作為表面活性劑、有機溶劑和助表面活性劑,具體方法如下:將7.5 mL環已烷、1.6 mL正已醇和1.8 mL表面活性劑Triton X-100混合,攪拌5 min至澄清,加入一定量的超純水作為分散相,常溫下攪拌30 min,形成透明且性質穩定的油包水微乳液,再將一定量的正硅酸乙酯(TEOS)和氨水加入到微乳液體系中,其中,正硅酸乙酯作為反應前體,氨水作為催化劑,連續攪拌24 h后用無水乙醇破乳、離心并收集顆粒.為開展基于反相微乳液法的尺寸可控性二氧化硅納米顆粒制備研究,通過改變加入超純水的量、TEOS的量、氨水的量等,分別考察了水與表面活性劑的摩爾比(R)、氨水的量、TEOS的量、及包殼次數對基于Triton X-100/環已烷/正已醇/水反相微乳液體系制備二氧化硅納米顆粒粒徑的影響.

1.2.2 二氧化硅納米顆粒的表征

采用光動力學散射法(DLS)和透射電子顯微鏡技術(TEM)對各參數條件下制備的二氧化硅納米顆粒的粒徑和形貌特征進行了表征.

2 結果與討論

2.1 水與表面活性劑的摩爾比對二氧化硅納米顆粒粒徑的影響

在Triton X-100/環己烷/正己醇/水反相微乳液體系中,利用TEOS在堿性條件下水解和縮聚反應形成二氧化硅納米顆粒,T riton X-100、環己烷以及正己醇的量都恒定,分別加入285,480,880和960 μ L的超純水形成微乳液,使水與表面活性劑T riton X-100的摩爾比(R)分別為6,10,18和20,將100 μ L TEOS和100 μ L氨水加入到微乳液體系中,反應24 h后制備顆粒的透射電子顯微鏡成像結果以及數據分析如圖1和表1所示.結果表明:當其他參數都恒定時,在不同R值下,制備的二氧化硅納米顆粒的尺寸分布都非常均勻,但隨著R值的增大,二氧化硅納米顆粒的粒徑逐漸變小,其分散性也降低,在R為20時,可以制備粒徑約為20 nm左右的二氧化硅納米顆粒,但可見明顯的團聚現象.

圖1 不同水與表面活性劑的摩爾比(R)制備的二氧化硅納米顆粒的TEM成像Fig.1 TEM images of silica nanoparticles synthesized with different R

表1 不同水與表面活性劑的摩爾比(R)對二氧化硅納米顆粒粒徑的影響Tab.1 Effect of different R on silica nanoparticles size

當水作為分散相加入到反相微乳液體系中時,以2種不同的形式存在,一部分水與表面活性劑的親水鏈結合,以結合水的形式存在,這一部分水不參與TEOS的水解反應;另一部分水以自由水的形式存在于膠束中納米反應池的水核中,這一部分水參與TEOS的水解反應.隨著R的增大,一方面使反應池中的自由水增多,導致自由水與結合水的比值增大;另一方面,使單位體積中TEOS的水解速率增大,使微乳液中單體的發生率加速,數量增多;另外,當R增大時,水相與油相之間界面膜的剛性降低,反膠束之間的物質交換速率增大,導致成核速率加快,顆粒粒徑減小.當R值增大到一定程度時(R=18),二氧化硅納米顆粒的形狀開始變化,不再呈現很規則的球形結構,這可能是由于隨著R值的增大,界面膜的剛性降低造成的.另外,本文主要通過單一的改變加入水的量來達到改變R值,當加入的水過多時,可能破壞了反相微乳液體系自身的穩定性.

此外,隨著R的增大,顆粒粒徑減小,而顆粒表面§電勢的絕對值降低,當R為 6時,§電勢為-41 mV左右;而當R為20時,§電勢為-20 mV左右.顆粒之間的靜電排斥力減小,膠體系統的穩定性降低,導致顆粒之間容易團聚.因此,當R為20時我們從顆粒的透射電子顯微鏡成像結果可以明顯看到團聚現象.

2.2 正硅酸乙酯(TEOS)的量對顆粒粒徑的影響

在Triton X-100/環己烷/正己醇/水反相微乳液體系中,Triton X-100、環己烷以及正己醇的量恒定,加入480 μ L(R為 10時)超純水形成微乳液,分別將100,150,200,250,300和400 μ L 的 TEOS和100 μ L的氨水加入到微乳液體系中,反應24 h后收集顆粒,顆粒的透射電子顯微鏡成像結果以及數據分析如圖2和表2所示.結果表明,當其他反應參數恒定時,加入不同量的TEOS,制備的二氧化硅納米顆粒粒徑的尺寸分布非常均勻,但隨著加入微乳液體系中 TEOS量的增多,顆粒粒徑有增大的趨勢,但是其影響不如水與表面活性劑的摩爾比(R)明顯,并且對顆粒的分散性沒有影響,顆粒仍具有良好的分散性.

在反相微乳液體系中,加入的TEOS一部分進入反膠束的水核中,一部分分散在油相中.在堿性條件下,分散在水核中的 TEOS發生水解,進而形成單體.而分散在油相中的 TEOS不能發生水解反應.在所考察的 TEOS的范圍內(100～400 μ L),TEOS的量對顆粒的粒徑變化并不很明顯,這可能是由于在這個范圍內,加入微乳液體系中的TEOS已經過量.過量的部分 TEOS以未水解的形式存在于反相微乳液體系的油相中.

圖2 加入不同量正硅酸乙酯制備的二氧化硅納米顆粒的TEM成像Fig.2 TEM images of silica nanoparticles synthesized with different amounts of TEOS

表2 不同量正硅酸乙酯對二氧化硅納米顆粒粒徑的影響Tab.2 Effect of amounts of TEOS on silica nanoparticles size

2.3 氨水的量對二氧化硅納米顆粒粒徑的影響

反相微乳液法制備二氧化硅納米顆粒,氨水作為催化劑在整個反應體系中起著重要作用.在T riton X-100/環己烷/正己醇/水反相微乳液體系中,Triton X-100、環己烷以及正己醇的量恒定,加入 480 μ L(R 為 10)超純水形成微乳液 ,將 100 μ L的TEOS和100～300 μ L的氨水加入到微乳液體系中,反應24 h后收集顆粒.顆粒用光動力學散射技術(DLS)測量的水力直徑及多聚分散系數(PI)結果如表3所示.結果表明,在所考察的范圍內,隨著加入微乳液體系中氨水的量增多,顆粒的粒徑先減小后增大,但顆粒粒徑的增大幅度不明顯.這可能是因為在反相微乳液體系中,當作為催化劑的氨水增多時,一方面使T EOS的水解速率增大,從而導致單體形成的速度加快,單體數目增多;另一方面使TEOS水解的副產物乙醇增多,乙醇作為助表面活性劑起作用,使反膠束之間的物質交換速率加快,從而使成核速度加快.當加入微乳液體系中氨水的體積小于200 μ L時,單體形成的速度大于成核速度,從而導致顆粒粒徑減小;當體積大于200 μ L時,顆粒的粒徑幾乎沒有改變.這可能是由于加入微乳液體系中的氨水已經達到飽和.

表3 不同量氨水對二氧化硅納米顆粒粒徑的影響Tab.3 Effect of the amounts of ammonium hydroxideon silica nanoparticles size

此外,由表1,表2和表3可知,在微乳液反應體系中,當各參數都相同時,利用DLS法測得的顆粒粒徑(表3)要明顯比用透射電子顯微技術測量的顆粒粒徑大(表1和表2).這是因為在水溶液中顆粒的外層有一雙電層,利用DLS法測量的水力直徑是顆粒的直徑與雙電層的厚度之和,而表1和表2中測量的是顆粒的直徑.

2.4 二氧化硅包殼次數對二氧化硅納米顆粒粒徑的影響

在考察水與表面活性劑的摩爾比R對顆粒粒徑的影響時發現,當R值達到18時,顆粒之間的團聚現象比較嚴重,這將在很大程度上限制這種粒徑的二氧化硅納米顆粒的應用.接下來考察了當R為18時多次包殼對顆粒的團聚和顆粒的粒徑是否會造成影響.

采用多次水解的方法在二氧化硅納米顆粒的表面進行多次包殼.具體操作是:在Triton X-100/環己烷/正己醇/水反相微乳液體系中,T riton X-100、環己烷以及正己醇的量恒定,加入 880 μ L(R為18)超純水形成微乳液,將100 μ L 的 TEOS 和 100 μ L的氨水加入到微乳液體系中,反應24 h后,不收集顆粒,又加入 100 μ L 的 TEOS 和 100 μ L的氨水,進行第 2次包殼,繼續反應 24 h后,再加入 100 μ LT EOS和 100 μ L氨水進行第 3次包殼,繼續反應24 h后收集顆粒.包1次和包3次殼的二氧化硅納米顆粒的透射電子顯微鏡成像結果如圖3所示.當R為18時,包1次殼和包3次殼的二氧化硅納米顆粒的粒徑分別為(22.9±5)nm和(27.8±5)nm.從圖3中也可以看出包3次殼的顆粒粒徑比只包1次殼的顆粒粒徑大,而且顆粒的分散性得到明顯提高.這是因為進行多次包殼后,顆粒表面的羥基數目增多,所帶負電荷增多,顆粒之間的靜電排斥增強,增強了膠體系統的穩定性,從而使顆粒之間的團聚現象得到明顯改善.

圖3 通過包1次殼和包3次殼獲得的二氧化硅納米顆粒的TEM成像Fig.3 TEM images of silica nanoparticles synthesized with shell coating one times and three times

3 結 論

本文通過采用透射電子顯微鏡技術(TEM)和光動力學散射法(DLS),系統地考察了在Triton X-100/環己烷/正己醇/水微乳液體系中,影響二氧化硅納米顆粒的4種因素:水與表面活性劑的摩爾比(R)、TEOS的量、氨水的量及包殼次數.可以得到以下結論:

1)通過反相微乳法制備二氧化硅納米顆粒的粒徑明顯受水與表面活性劑摩爾比R的影響.隨著R的增大,顆粒的粒徑明顯減小.同時,當R達到18時,顆粒之間發生明顯的團聚,而且顆粒的形貌不再呈現規則的球形.

2)作為二氧化硅納米顆粒的前體物質 TEOS的量對顆粒的粒徑沒有明顯的影響.

3)氨水作為催化劑,在一定范圍內,提高氨水的濃度可以加速TEOS的水解速率,促進單體的形成和成核的速率,從而使顆粒粒徑減小.當氨水的濃度達到飽和時,再增加其濃度,顆粒的粒徑有所增大,但不明顯.

4)隨著二氧化硅包殼次數的增多,顆粒的粒徑增大.并在一定程度上提高了顆粒的分散性.因此,在了解影響二氧化硅納米顆粒粒徑的各種因素的基礎上,通過改變其中的參數,可以獲得不同粒徑的二氧化硅納米顆粒,這樣將極大地擴大二氧化硅納米顆粒的應用范圍.

[1] CHOI H S,LIU W,MISRA P,et al.Renal clearance of quantum dots[J].Nature Biotechnology,2007,25(11):1165-1170.

[2] BALOGH L,NIGAVEKAR S D,NAIR B,et al.Signifcant effect of sized biodistribution of gold composite nanodevices in mouse toumor models[J].Nanomedicine:Nanotechnology,Biology and Medicine,2007,3(4):281-296.

[3] DANIEL M C,AST RUC D.Gold nanoparticles:assembly,supramolecularchemistry, quantum-size-related properties,and applications toward biology,catalysis,and nanotechnology[J].Chem Rev,2004,104(1):293-346.

[4] SNATRA S,ZhANG P,WANG K M,et al.Conjugation of biomolecules with luminoophore silica nanoparticles for photostable biomarkets[J].Anal Chem,2004,16(23/24):2092-2097.

[5] HE Xiao-xiao,WANG Ke-min,T AN Wei-hong,et al.Bioconjugated nanoparticles for DNA protection cleavage[J].Journal of American Chemistry Society,2003,125(24):7168-7169.

[6] WANG Lin,YANG Chao-yong,T AN Wei-hong,et al.Dualluminophore-doped silica nanoparticles for multiplexed signaling[J].Nano Letters,2007,7(7):1991-1995.

[7] PANDA A K,M OULIK S P,BHOWMIK B B,et al.Dispersed molecular agg regatesⅡ:synthesis and characterization of nanoprticles of tung stic acid in H2O/(TX-100+alkanol)/nheptane W/O microemulsion media[J].Colloid Interface Sci,2001,235(2):218-226.

[8] MOT TE L,PETIT C,BOU LANGER L,et al.Synthesis of cadmium sulfide in situ in cadmium bis(2-ethy lhexyl)sulfosuccinate reverse micelle:polydispersity and photochemical reaction[J].Langmuir,1992,8(4):1049-1053.

[9] ARRIAGADA F J,OSSEO-ASARE K.Synthesis of nanosize silica in aerosol OT reverse microemulsions[J].Colloid and Interface Science,1999,170(1):8-17.

[10] ARRIAGADA F J,OSSEO-ASARE K.Synthesis of nanosize silica in nonionic water-in-oil micromulsion:effects of the water/surfactant molarratio and ammonia concentration[J].Colloid and Interface Science,1999,211(2):210-220.

[11] HE Xiao-xiao,WANG Ke-min,TAN Wei-hong,et al.Photostable luminescent nanoparticles as biological lable for cell recognition of system lupus erythematosus patients[J].Journal of Nanoscience and Nanotechnology,2002,2(3):317-320.