常见的纳米颗粒分离方法

一、场流分级法

场流分级法( field flow fractionation，FFF)由 Giddings于 1966年首次发明,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。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。

FFF适用范围广,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。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。

John等采用不对称流场流分级法(asym-metric flow field low 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131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。

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联用来区分或检测纳米粒子。

二、超速离心法

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,可根据分离日标纳米粒了的大小选择不同的方法，密度梯度超速离心法是将样品加在巴生佛度介质中进行沉降，不同大小的纳米粒了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。密度梯度超速离心法已成功应用于不同化学性质、结构和尺寸的金纳米粒子以及生物大分子的分离(D。金纳米棒出于其独特的光学性质在医疗诊断上发挥着重要作用。

Akbulut等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，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。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，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。

三、膜分离法

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，从而达到分离的日的。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。与树脂色谐相比,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、损尖和堵塞;膜较厚会使纯化过程中的传输速度过慢。Gaborski等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-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-的缺点。 Liang 等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了和银纳米粒子自组装休。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。

四、色谱分离法

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了，色谱分离法( chromatographyseparation)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。

五、磁性分离法

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了,并将二者混合，再通过磁场作用达到特异性分离的日的。

六、本章总结

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。