介孔二氧化矽納米馬達及其製備方法和應用的製作方法

2023-07-20 19:19:46

專利名稱：介孔二氧化矽納米馬達及其製備方法和應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及納米馬達的製備方法及其應用。
背景技術：
納米尺度的人造馬達是近年來納米科學界的新研究熱點，通過催化過氧化氫產生氧氣氣泡作為推動力，從而可在含有過氧化氫的溶液中遊動。儘管目前通過電化學沉積、超分子組裝、金屬濺射沉積等方法可以製備各種馬達，但其尺寸很難擴展到IOOnm以下。發展真正意義上的納米馬達無疑將極大地擴展納米馬達的應用範圍，具有催化能力的納米馬達(尤其是納米尺寸的馬達)在生物研究、醫療藥物運輸與釋放、環境檢測等領域具有廣闊的應用前景。

發明內容
本發明是要解決現有的馬達的尺寸大的技術問題，而提供介孔二氧化矽納米馬達及其製備方法和應用。本發明的介孔二氧化矽納米馬達是粒徑為50 90nm的、部分表面濺射金屬鉬層的介孔二氧化矽粒子。本發明的介孔二氧化矽納米馬達的製備方法按以下步驟進行一、合成粒徑為50 90nm的介孔二氧化矽納米粒子；二、矽片清洗及親水性的處理先將矽片依次放入丙酮、酒精中進行超聲清洗，然後再用去離子水衝洗乾淨，再用氮氣吹乾，接著將矽片放入濃硫酸與過氧化氫的混合溶液中，加熱至溫度為60°C 70°C並保持2 3小時，然後將矽片取出，用去離子水衝洗乾淨並乾燥，得到親水性矽片，其中濃硫酸與過氧化氫的混合溶液是由質量濃度為95% 98%的濃硫酸與質量濃度為20% 30%的過氧化氫按體積比為(2 3) I的比例混合而成的；三、將步驟一合成的介孔二氧化矽粒子分散在乙醇中，分散均勻後，得到混合溶液；再將混合溶液滴在步驟二得到的親水性矽片上，在室溫下乾燥，得到排列單粒子層的矽片;四、用金屬真空鍍膜機將金屬鉬濺射在步驟三得到的排列單粒子層的矽片上；五、將經步驟四處理的矽片放入去離子水中，再放入超聲儀中，在超聲的功率為？ ？、頻率為60Hz IOOHz的條件處理I 10s，過濾，乾燥，得到介孔二氧化矽納米馬達。步驟一中介孔二氧化矽粒子的製備方法按以下步驟進行先將O. 25g O. 5g十六烷基三甲基溴化銨溶於150mL 180mL的去離子水中，再加入ImL 2. Oml濃度為2mol/L 4mol/L的氫氧化鈉溶液，混合均勻後加熱到60 80°C，再加入1. 5 2. OmL正矽酸乙酯,反應混合物在60 80°C下攪拌2 4小時後，將產物用甲醇清洗，再用去離子水清洗，在40 70°C下進行真空乾燥10 12小時，得到介孔二氧化矽粒子。步驟四中，金屬鉬濺射是從矽片的垂直方向進行金屬鉬的濺射，使介孔二氧化矽納米粒子的上半部帶有金屬鉬催化層，而介孔二氧化矽納米粒子的下半部仍保持原來的介孔結構。本發明先將介孔矽二氧化矽納米粒子分散到乙醇中，得到分散液，經過分散後介孔二氧化矽納米粒子不會粘結在一起，再將矽片處理後，使其具有親水性，然後將含有介孔二氧化矽納米粒子的分散液滴在親水矽片上，介孔二氧化矽粒子則在矽片上排列成單粒子層，再通過金屬真空鍍膜機，將金屬小顆粒濺射在介孔矽二氧化矽單粒子層上，然後通過低能量的超聲震動，將帶有一半金屬覆蓋的介孔二氧化矽從矽片上取下，獲得介孔二氧化矽納米馬達。本發明的介孔二氧化矽納米馬達不僅具有不對稱的介孔二氧化矽結構，而且具有明顯的陰陽特徵，其一部分有具有催化功能的金屬層，另一部分為介孔結構。介孔二氧化矽納米馬達的製備方法操作簡單，成本低廉，而且一次合成量大。本發明的介孔二氧化矽納米馬達的應用是將介孔二氧化矽納米馬達放入過氧化氫溶液中使用。所述的過氧化氫溶液的質量濃度大於0%且小於等於30%。本發明的介孔二氧化矽納米馬達應用時，所負載的物質可以裝載在二氧化矽納米粒子的介孔中，通過催化過氧化氫產生氧氣氣泡作為推動力，從而可在含有過氧化氫的溶液中運動，將負載的物質運送至目的地。該介孔二氧化矽納米馬達不僅可以用於承載物質運輸，而且自身具有自發的運輸動力。本發明的製備的介孔二氧化矽納米馬達可用於生物醫學、化學、環境檢測等領域。


圖1是試驗一的步驟一製備的介孔二氧化矽粒子的掃描電鏡照片；圖2是試驗一步驟一製備的介孔二氧化矽粒子的透射電鏡照片；圖3試驗一步驟五製備的帶有催化金屬鉬層的介孔二氧化矽納米馬達掃描電鏡照片，即圖中明亮的部分為鉬層，另一部分為介孔二氧化矽；圖4是試驗一經步驟五製備的介孔二氧化矽納米馬達的透射電鏡照片；圖5是介孔二氧化矽納米馬達放入過氧化氫溶液中I秒時的超分辨螢光顯微鏡照片;圖6是介孔二氧化矽納米馬達放入過氧化氫溶液中2秒時的超分辨螢光顯微鏡照片;圖7是介孔二氧化矽納米馬達放入過氧化氫溶液中3秒時的超分辨螢光顯微鏡照片;圖8介孔二氧化矽納米馬達放入過氧化氫溶液中4秒時的超分辨螢光顯微鏡照片。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的介孔二氧化矽納米馬達是粒徑為50 90nm的、部
分表面覆蓋有金屬鉬層的介孔二氧化矽粒子。本實施方式的介孔二氧化矽納米馬達不僅具有不對稱的介孔二氧化矽結構，而且具有明顯的陰陽特徵，其一部分有具有催化功能的金屬層，另一部分為介孔結構。所負載的物質可以裝載在二氧化矽納米粒子的介孔中，通過催化過氧化氫產生氧氣氣泡作為推動力，從而可在含有過氧化氫的溶液中運動，將負載的物質運送至目的地。該介孔二氧化矽納米馬達不僅可以用於承載物質運輸，而且自身具有自發的運輸動力。
具體實施方式
二具體實施方式
一所述的介孔二氧化矽納米馬達的製備方法按以下步驟進行一、合成粒徑為50 90nm的介孔二氧化矽納米粒子；二、矽片清洗及親水性的處理先將矽片依次放入丙酮、酒精中進行超聲清洗，然後再用去離子水衝洗乾淨，再用氮氣吹乾，接著將矽片放入濃硫酸與過氧化氫的混合溶液中，加熱至溫度為60°C 70°C並保持2 3小時，然後將矽片取出，用去離子水衝洗乾淨並乾燥，得到親水性矽片，其中濃硫酸與過氧化氫的混合溶液是由質量濃度為95% 98%的濃硫酸與質量濃度為20% 30%的過氧化氫按體積比為(2 3) I的比例混合而成的；三、將步驟一合成的介孔二氧化矽粒子分散在乙醇中，分散均勻後，得到混合溶液；再將混合溶液滴在步驟二得到的親水性矽片上，在室溫下乾燥，得到排列單粒子層的矽片;四、用金屬真空鍍膜機將金屬鉬濺射在步驟三得到的排列單粒子層的矽片上；五、將經步驟四處理的矽片放入去離子水中，再放入超聲儀中，在超聲的功率為180 300W、頻率為40kHz 59kHz的條件處理I 10s，過濾，將得到的固相物乾燥，得到介孔二氧化矽納米馬達。本實施方式製備的介孔二氧化矽納米馬達不僅具有不對稱的介孔二氧化矽結構，而且具有明顯的陰陽特徵，其一部分有具有催化功能的金屬層，另一部分為介孔結構。所負載的物質可以裝載在二氧化矽納米粒子的介孔中，通過催化過氧化氫產生氧氣氣泡作為推動力，從而可在含有過氧化氫的溶液中運動，將負載的物質運送至目的地。該介孔二氧化矽納米馬達不僅可以用於承載物質運輸，而且自身具有自發的運輸動力。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
二不同的是步驟一中介孔二氧化矽粒子的製備方法按以下步驟進行先將O. 25g O. 5g十六烷基三甲基溴化銨溶於150mL 180mL的去離子水中，再加入ImL 2. Oml濃度為2mol/L 4mol/L的氫氧化鈉溶液，混合均勻後加熱到60 80°C，再加入1. 5 2. OmL正矽酸乙酯，反應混合物在60 80°C下攪拌2 4小時後，將產物用甲醇清洗，再用去離子水清洗，在40 70°C下進行真空乾燥10 12小時，得到介孔二氧化矽粒子。其他與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
二或三不同的是步驟四中，金屬鉬濺射是從矽片的垂直方向進行金屬鉬的濺射，使介孔二氧化矽納米粒子的上半部帶有金屬鉬催化層。其它與具體實施方式
二或三相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
二至四不同的是步驟二中矽片清洗及親水性的處理過程如下先將矽片依次放入丙酮、酒精中進行超聲清洗，然後再用去離子水衝洗乾淨，再用氮氣吹乾，接著將矽片放入濃硫酸與過氧化氫的混合溶液中，加熱至溫度為65°C 69°C並保持2. 2 2. 8小時，然後將矽片取出，用去離子水衝洗乾淨並乾燥，得到親水性矽片，其中濃硫酸與過氧化氫的混合溶液是由質量濃度為95% 98%的濃硫酸與質量濃度為20% 30%的過氧化氫按體積比為(2. 2 2. 8) I的比例混合而成的。其它與具體實施方式
二至四相同。
本實施方式將矽片處理後，使其具有親水性，將含有介孔矽二氧化矽納米粒子的溶液滴在親水矽片上後，介孔二氧化矽粒子則在矽片上排列成單粒子層。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
二至五不同的是步驟四中金屬鉬層的厚度為10 20nm。其它與具體實施方式
二至五相同。本實施方式中因為介孔矽二氧化矽粒子是在矽片上呈單粒子層排列方式，將金屬鉬小顆粒濺射在介孔二氧化矽單粒子層上時，單個介孔二氧化矽粒子的上半部分濺射有金屬鉬層，而下半部分沒有金屬鉬層，保留原來的介孔結構。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
二至六不同的是步驟五中在超聲的功率為180 300w、頻率為50kHz的條件處理2 8s。其它與具體實施方式
二至六相同。通過超聲振動，將上半部分覆蓋金屬鉬層的介孔矽二氧化矽粒子從矽片上脫下來，得到單個的上半部分覆蓋金屬鉬層的介孔矽二氧化矽粒子，即為介孔二氧化矽納米馬達。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
二至七不同的是步驟五中在乾燥是指在溫度為50 70°C真空的條件下乾燥10 12小時。其它與具體實施方式
二至七相同。
具體實施方式
九具體實施方式
一所述的介孔二氧化矽納米馬達的應用是將介孔二氧化矽納米馬達放入過氧化氫溶液中使用。本實施方式的介孔二氧化矽納米馬達的應用，是將所負載的物質裝載在二氧化矽納米粒子的介孔中，通過催化過氧化氫產生氧氣氣泡作為推動力，從而可在含有過氧化氫的溶液中運動，將負載的物質運送至目的地。該介孔二氧化矽納米馬達不僅可以用於承載物質運輸，而且自身具有自發的運輸動力具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
九不同的是所述的過氧化氫溶液的質量濃度大於0%且小於等於30%。其他與具體實施方式
九相同。用以下試驗驗證本發明的有益效果試驗一本試驗的介孔二氧化矽納米馬達的製備方法按以下步驟進行一、介孔二氧化矽粒子的合成先將O. 25g十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)溶於150mL的去離子水中，再加入ImL濃度為2mol/L的氫氧化鈉溶液，混合均勻後加熱到80°C，再加入1. 5mL正矽酸乙酯(TEOS)，反應混合物在80°C下攪拌2小時後，將產物用甲醇清洗三次，再用去離子水清洗3次，在溫度為20°C、真空度為O. 009MPa的條件下進行真空乾燥5小時，得到介孔二氧化矽粒子；二、矽片的處理先將矽片依次放入丙酮、酒精中進行超聲清洗，然後再用去離子水衝洗乾淨，再用氮氣吹乾，接著將矽片放入濃硫酸與過氧化氫的混合溶液中，加熱至溫度為60°C並保持2小時，然後將矽片取出，用去離子水衝洗乾淨並乾燥，得到親水性矽片；其中濃硫酸與過氧化氫的混合溶液中由質量濃度為98%的濃硫酸與質量濃度為30%的過氧化氫按體積比為3 I的比例混合而成的；三、製作單粒子排列層將O. 01克步驟一合成的介孔二氧化矽粒子分散在I毫升無水乙醇中，分散均勻後，得到混合溶液；再將混合溶液滴在步驟二得到的親水性矽片上，在溫度為20°C的室溫下乾燥8小時，得到排列單粒子層的矽片；四、將步驟三得到的排列單粒子層的矽片放入到金屬真空鍍膜機中，從矽片的垂直方向濺射金屬鉬，鉬層的厚度為IOnm ；
五、將經步驟四處理的矽片放入去離子水中，再放入超聲儀中，在超聲的功率為300w、頻率為59kHz的條件處理10s，過濾，將得到的固相物在溫度為60°C的真空條件下乾燥10小時，得到介孔二氧化矽納米馬達。本試驗步驟一製備的介孔二氧化矽粒子的透射電鏡照片如圖1所示，從圖1可以看出，介孔二氧化娃粒子的直徑為60 80nm。本試驗步驟三製備的排列單粒子層的矽片的掃描電鏡照片如圖2所示，從圖2可以看出，介孔二氧化矽粒子是單層排列在矽片上的。
本試驗步驟四五製備的帶有催化金屬層二氧化矽納米粒子的掃描電鏡照片如圖3所示，從圖3中明亮的部分為鉬層，另一部分為介孔二氧化矽。本試驗步驟五製備的介孔二氧化矽納米馬達的透射電鏡照片如圖4所示，從圖4可以看出，介孔二氧化矽納米馬達一部分具有金屬催化層的陰陽結構，另一部分仍為原來的介孔結構。利用介孔二氧化矽納米馬達的介孔孔道，攜帶染料作為模型藥物，用超分辨顯微鏡表徵其運動情況。先將本試驗製備的介孔二氧化矽納米馬達浸泡到含有異硫氰酸螢光素(FITC)的溶液中，浸泡24小時，然後將介孔二氧化矽納米馬達過濾出來，乾燥，然後放到質量濃度為30 %的過氧化氫溶液中，用超分辨螢光顯微鏡表徵其運動進行情況，4秒鐘內的運動分解圖和軌跡如圖5、6、7和8所示。其中圖5是I秒時介孔二氧化矽納米馬達的超分辨螢光顯微鏡照片，圖6是2秒時介孔二氧化矽納米馬達的超分辨螢光顯微鏡照片；圖7是3秒時介孔二氧化矽納米馬達的超分辨螢光顯微鏡照片，圖8是4秒時介孔二氧化矽納米馬達的超分辨螢光顯微鏡照片。從圖5、6、7和8可以看出，介孔二氧化矽納米馬4秒內攜帶FITC染料的運動軌跡程弧形，運動距離25 μ m左右。
權利要求
1.介孔二氧化娃納米馬達，其特徵在於介孔二氧化娃納米馬達是粒徑為50 90nm的、部分表面覆蓋有金屬鉬層的介孔二氧化矽粒子。
2.製備如權利要求1所述的介孔二氧化矽納米馬達的方法，其特徵在於介孔二氧化矽納米馬達的製備方法按以下步驟進行 一、合成粒徑為50 90nm的介孔二氧化娃納米粒子； 二、矽片清洗及親水性的處理先將矽片依次放入丙酮、酒精中進行超聲清洗，然後再用去離子水衝洗乾淨，再用氮氣吹乾，接著將矽片放入濃硫酸與過氧化氫的混合溶液中，力口熱至溫度為60°C 70°C並保持2 3小時，然後將矽片取出，用去離子水衝洗乾淨並乾燥，得到親水性矽片，其中濃硫酸與過氧化氫的混合溶液是由質量濃度為95% 98%的濃硫酸與質量濃度為20% 30%的過氧化氫按體積比為(2 3) I的比例混合而成的； 三、將步驟一合成的介孔二氧化矽粒子分散在乙醇中，分散均勻後，得到混合溶液；再將混合溶液滴在步驟二得到的親水性矽片上，在室溫下乾燥，得到帶有單粒子排列層的矽片; 四、用金屬真空鍍膜機將金屬鉬濺射在步驟三得到的帶有單粒子排列層的矽片上； 五、將經步驟四處理的矽片放入去離子水中，再放入超聲儀中，在超聲的功率為180 300W、頻率為40kHz 59kHz的條件下處理I 10s，過濾，將得到的固相物乾燥，得到介孔二氧化矽納米馬達。
3.根據權利要求2所述的介孔二氧化矽納米馬達的製備方法，其特徵在於步驟一中介孔二氧化矽粒子的製備方法按以下步驟進行先將O. 25g O. 5g十六烷基三甲基溴化銨溶於150mL 180mL的去離子水中，再加入ImL 2. Oml濃度為2mol/L 4mol/L的氫氧化鈉溶液，混合均勻後加熱到60 80°C，再加入1. 5 2. OmL正矽酸乙酯，反應混合物在60 80°C下攪拌2 4小時後，將產物用甲醇清洗，再用去離子水清洗，在40 70°C下進行真空乾燥10 12小時，得到介孔二氧化矽粒子。
4.根據權利要求2或3所述的介孔二氧化矽納米馬達的製備方法，其特徵在於步驟四中，金屬鉬濺射是從矽片的垂直方向進行金屬鉬的濺射。
5.根據權利要求2或3所述的介孔二氧化矽納米馬達的製備方法，其特徵在於步驟二中矽片清洗及親水性的處理過程如下先將矽片依次放入丙酮、酒精中進行超聲清洗，然後再用去離子水衝洗乾淨，再用氮氣吹乾，接著將矽片放入濃硫酸與過氧化氫的混合溶液中，加熱至溫度為65°C 69°C並保持2. 2 2. 8小時，然後將矽片取出，用去離子水衝洗乾淨並乾燥，得到親水性矽片，其中濃硫酸與過氧化氫的混合溶液是由質量濃度為95% 98%的濃硫酸與質量濃度為20 % 30%的過氧化氫按體積比為(2. 2 2. 8) I的比例混合而成的。
6.根據權利要求2或3所述的介孔二氧化矽納米馬達的製備方法，其特徵在於步驟四中金屬鉬層的厚度為10 20nm。
7.根據權利要求2或3所述的介孔二氧化矽納米馬達的製備方法，其特徵在於步驟五中在超聲的功率為200 280W、頻率為50kHz的條件下處理2 8s。
8.根據權利要求2或3所述的介孔二氧化矽納米馬達的製備方法，其特徵在於步驟五中在乾燥是指將固相物在50 70°C的真空條件下乾燥6 8小時。
9.如權利要求1所述的介孔二氧化矽納米馬達的應用，其特徵在於介孔二氧化矽納米馬達的應用是將介孔二氧化矽納米馬達放入過氧化氫溶液中使用。
10.根據權利要求1所述的介孔二氧化矽納米馬達的應用，其特徵在於所述的過氧化氫溶液的質量濃度大於O且小於等於30%。
全文摘要
介孔二氧化矽納米馬達及其製備方法和應用，本發明涉及馬達及其製備方法和應用。本發明是要解決現有馬達的尺寸大的技術問題。本發明的介孔二氧化矽納米馬達是粒徑為50～90nm的、部分表面濺射金屬鉑層的介孔二氧化矽粒子。製備方法一、先合成介孔二氧化矽納米粒子；二、矽片的親水性處理；三、將二氧化矽納米粒子分散液滴在親水性矽片上，乾燥；三、將金屬鉑濺射在步驟三得到的排列單粒子層的矽片上；四、超聲振落後，乾燥，得到介孔二氧化矽納米馬達。其應用是將介孔二氧化矽納米馬達放入過氧化氫溶液中使用。該納米馬達有陰陽結構特徵，運載功能，且製備方法操作簡單，一次合成量大。可用於生物醫學、化學、環境檢測領域。
文檔編號B82B3/00GK103011067SQ201210583500
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者賀強, 玄明君 申請人:哈爾濱工業大學