温和条件下胶体二氧化硅粒子的制备与表征。

Frances Neville, †,‡,∗{ }^{\dagger, \ddagger, *} Azrinawati Mohd. Zin, ‡{ }^{\ddagger} Graeme J. Jameson, †{ }^{\dagger} Erica J. Wanless ‡{ }^{\ddagger} †{ }^{\dagger} 环境与生命科学学院 和 ‡{ }^{\ddagger} 工程学院，纽卡斯尔大学，卡拉汉，新南威尔士州 2308，澳大利亚

学生须知（用于学生讲义或实验手册）

学习目标

在成功完成本实验后，学生将：

  1. 增加对胶体粒子、其制备及表征的了解。
  2. 获得合成近单分散****胶体二氧化硅的实验室经验。
  3. 理解粒子成核和生长的机理，包括控制粒径的方法。
  4. 获得至少使用两种方法进行粒径测量的实验室经验。
  5. 增强对粒径测量理论原则的理解。
  6. 培养区分计算平均粒径的不同方法所需的技能。
  7. 获得撰写综合实验报告的经验，以巩固讲座材料。

在缺乏配套胶体科学讲座课程的情况下，强烈建议进行背景阅读 1−2{ }^{1-2}。

步骤

在本实验中，你将制备并表征直径为数百纳米的胶体二氧化硅粒子。理想情况下，所得的胶体二氧化硅将是球形的，并且存在大的明显粒子（300−700nm300-700 \mathrm{nm}），且不存在未冷凝的颗粒状二氧化硅（晶核）。

第1周 - 粒子合成

通过改变反应时间制备四种不同平均（均值）直径的胶体二氧化硅。

提供的试剂

三甲氧基甲基硅烷 (TMOMS) mw=136.22g/mol\mathrm{mw}=136.22 \mathrm{g} / \mathrm{mol}，密度 =0.955g/mL=0.955 \mathrm{g} / \mathrm{mL} 2mM2 \mathrm{mM} 盐酸 (HCl) 1mM1 \mathrm{mM} 聚乙烯亚胺 (PEI) pH 7.4 磷酸盐缓冲液 ( 290mM290 \mathrm{mM} )

步骤

  1. 根据表1为你的样品标记八个 1.5mL1.5 \mathrm{mL} 离心管。
  2. 按照表1的顺序（Milli-Q 水、磷酸盐缓冲液和 PEI）向每个管中加入前三种试剂，并充分混合，如果有条件，最好使用涡旋混合器。暂不要加入 TMOMS。
  3. 如下制备酸化的 1M1 \mathrm{M} TMOMS 并水解15分钟，然后加入混合物中（注意：这必须在实验室课程内新鲜配制，并在加入混合物前水解15分钟。否则会产生凝胶，粒子将无法形成。） 0.286mL0.286 \mathrm{mL} TMOMS（如果没有精确的微量移液管，按质量添加可能更容易） +0.714mL+0.714 \mathrm{mL} Milli-Q 水（如果没有精确的微量移液管，按质量添加可能更容易） +1.000mL+1.000 \mathrm{mL} HCl（用移液管）
  4. 根据表1向每个管中加入 0.1mL0.1 \mathrm{mL} 酸化的 TMOMS 并充分混合，如果有条件，最好使用涡旋混合器。这是零时刻。
  5. 在每个时间点（参见表1），立即将两个相同的样品管放入离心机，以 2000g(6500rpm)2000 g(6500 \mathrm{rpm}) 离心4分钟。
  6. 移除上清液，加入约 1mL1 \mathrm{mL} Milli-Q 水，超声处理以完全重分散****粒子，并再次将管放入离心机4分钟。
  7. 重复步骤6两次。
  8. 移除水（上清液），在管中保留约 0.2mL0.2 \mathrm{mL} 并保留管子用于粒径分析。

表1：样品制备体积指南

管号 反应时间 (min) 水 (mL) 磷酸盐缓冲液 (mL) PEI (mL) 酸化的 TMOMS (mL)
1 30 0.7 0.1 0.1 0.1
2 30 0.7 0.1 0.1 0.1
3 60 0.7 0.1 0.1 0.1
4 60 0.7 0.1 0.1 0.1
5 90 0.7 0.1 0.1 0.1
6 90 0.7 0.1 0.1 0.1
7 120 0.7 0.1 0.1 0.1
8 120 0.7 0.1 0.1 0.1

第2周 - 粒径表征

你应该使用以下方法测量你的平均粒径和分布：向学术人员咨询如何操作。

  1. 扫描电子显微镜
  2. 使用纳米粒度仪进行动态光散射（粒子应为亚微米尺寸）。

实验室报告

应在学生实验报告中回答以下问题，作为实现特定学习成果的证据：

  1. 本实验中遵循的二氧化硅粒子形成机理是什么？
  2. 你的二氧化硅样品是单分散的还是多分散的？
  3. 你的四个不同样品的粒径分布是否相似？
  4. 随着孵育时间的变化，粒径有什么明显的趋势？为什么？
  5. 为什么不同的表征方法会产生不同的平均粒径？
  6. 你的 SEM 和 DLS 平均粒径是否在彼此的误差范围内？它们应该是吗？

指导教师须知

课程背景

本实验被设计为一门为期一学期的“聚合物与胶体”课程的高年级本科生实验。特别是，它被设计为配合6小时的胶体物理化学讲座，涵盖胶体的定义与分类、胶体材料的制备以及胶体尺寸和形状的测定等主题。

本方法与传统胶体二氧化硅制备方法的比较

表 S1 总结了传统二氧化硅粒子合成中使用的条件，并将它们与本实验室实验中使用的条件进行了比较。总之，本实验室实验不涉及加热，并且可以在三小时内制备出反应时间长达两小时的全系列粒子，第一批样品可在一小时内制成。此外，碱的浓度非常低（不使用氨），并且反应中不添加甲醇，这进一步降低了所用化学品的毒性。此外，本实验使用的是 TMOMS，虽然易燃，但不像通常用于制备二氧化硅粒子的 TMOS 那样被归类为剧毒。1−2{ }^{1-2}

表 S1. 传统二氧化硅粒子合成中使用的条件与本实验室实验中使用的条件的比较

条件 传统方法 3−4{ }^{3-4} 本实验
温度 9−55∘C9-55^{\circ} \mathrm{C} 室温（最高 25∘C25^{\circ} \mathrm{C}）
制备时间 最少 1-4 小时 0.5-2.5 小时
碱 氨 (3−14M)(3-14 \mathrm{M}) 使用 PEI 代替氨（1mM1 \mathrm{mM} 的低浓度）
碱的危害 氨：有毒，引起灼伤，易燃，对环境危险
氢氧化铵：引起灼伤，腐蚀性，对环境危险		 PEI：有害，对环境危险
醇（最大浓度） 甲醇 (5M)(5 \mathrm{M})，乙醇 (4M)(4 \mathrm{M}) 无
烷氧基硅烷 TEOS 或 TMOS TMOMS
烷氧基硅烷危害 TEOS：易燃，有害 TMOS：易燃，剧毒 TMOMS：易燃

粒径表征：学生背景信息

粒径，或直径，有许多不同的描述方式。2{ }^{2} 光强平均粒径分布是单个样品内粒径类别散射光的相对光强图，其中尺寸是通过使用不同的算法拟合 DLS 机器收集的相关函数数据获得的，具体取决于样品的性质。这种拟合主要通过两种方式进行。第一种是对相关数据进行单指数拟合以获得平均尺寸（称为 z-平均）和多分散指数，该方法非常适合单分散样品。另一种方法是使用多指数拟合相关数据以获得粒径分布（例如通过使用非负最小二乘法或 CONTIN 拟合，这是一种拉普拉斯逆变换），这种方法对于多分散或多模态的粒子系统更优越。拟合结果提供了平均扩散系数，然后可以利用斯托克斯-爱因斯坦方程计算粒子的平均流体力学半径（或直径）。2{ }^{2}

这个流体力学直径，或光强平均直径，可以进一步转换为数量平均直径和体积平均直径。如果光强平均峰（在 DLS 输出上称为光强）相当对称，则没有理由使用数据的其他输出，但如果数据中存在“拖尾”，可以使用米氏理论 1−2{ }^{1-2} 利用材料的折射率将光强平均转换为数量或体积平均分布。这可能会给出更现实的粒径分布平均值。如果样品中主要存在小粒子以及少量大粒子（例如灰尘），理想的做法是使用数量平均直径，因为这最大限度地减少了对粒子体积的强调，并将由样品中存在的最小粒子的尺寸主导。通常，SEM 平均尺寸将与 DLS 数量平均相似，且数量平均总是小于光强或体积平均。2{ }^{2} 此外，如果存在任何个别的污染粒子，可以在执行任何 SEM 图像分析时将其排除。对于单分散样品，无论分布类型（光强、体积或数量）如何，平均尺寸都将相似，但如果样品是多分散的，数值将因计算这些同样有效的不同分布的方式而异。研究同一数据的这些不同平均值是有用的，因为这允许评估粒径分布的真实性质。值得注意的是，应始终说明粒径分析的类型，以便与其他研究人员展示的结果进行比较。此外，SEM 图像的粒径分析在统计学上的显著性将低于 DLS 粒径分析，因为后者平均的粒子直径数量要多得多。

此外，重要的是要注意，从 SEM 图像分析获得的粒径几乎总是小于使用 DLS 获得的粒径。这有许多原因。主要原因是 SEM 是在真空中对干燥的粒子进行测量的，而 DLS 是在粒子悬浮液上测量的。从 DLS 测量获得的直径值与粒子在其悬浮的液体中如何扩散有关，因此被称为流体力学直径。该直径将取决于粒子固体核心的大小，也取决于粒子的表面结构及其悬浮的液体。可能改变 DLS 获得的粒径的表面效应与 SEM 图像分析无关，因为粒子悬浮的液体在样品制备的干燥过程中被去除了。然而，SEM 的优势在于它可以用于可视化粒子，包括粒子表面是光滑还是粗糙，以及粒子是否是球形的。

粒子表征：实验室课程

扫描电子显微镜 (SEM) 和动态光散射 (DLS)

在两节实验室课程中，若没有技术人员的一些帮助，实际上无法专门用一整节课的时间同时使用 SEM 和 DLS 方法进行粒子表征。由于研究设备的性质以及本实验室课程的目标学生群体是高年级本科生，在一节课中，学生要么有时间接受关于 SEM 和 DLS 的辅导，在场并被展示如何获取 SEM 图像和进行 DLS 测量，并获得 DLS 数据和 SEM 图像；要么被培训进行 DLS 测量，并在受过培训的技术员的监督下实际进行测量，并获得 SEM 图像以进行报告。除非本科生之前接受过培训并获准进行电子显微镜测量，否则这些测量总是必须由受过培训的操作员获取，学生动手的经验较少。然而，这个实验室提供了比大多数本科生将拥有的更多关于制备 SEM 样品和表征的经验，因为它是针对多次的小组（2-3名学生），而不是少数几次的大组。这允许学生在对自己粒子成像期间全员参与，同时能够以与缺乏经验的研究生在 SEM 设备上进行研究培训相同的方式获得经验。粒子也可以通过透射电子显微镜进行分析，但这通常是一种更耗时且复杂的技术。

DLS 测量相对容易进行，因为该设备在某些方面类似于紫外-可见分光光度计。本科生可以在进行测量时接受培训和监控。

如果时间允许，理想的做法是在一节课中进行 SEM 辅导和分析，并在第三个单独的课程中进行动态光散射或其他表征。

粒子表征的替代方法

光学显微镜

根据 DLS 和 SEM 仪器的可用性以及实验室课程的运行时间长度，可以使用光学显微镜对粒子进行定性表征。

图 S1 显示了图 2 中 SEM 图像所示的相同两个样品（30分钟和120分钟时间点）的光学显微照片。图像是使用配备 Axio cam ICc 1 相机的 Zeiss Axioshop 40 偏光显微镜拍摄的（未使用偏光模式）。总体而言，图像的放大倍数为 2520 倍，由 40×40 \times 镜头和相机的 63×63 \times 放大倍数组合而成。由于显微镜和相机的限制，图像在像素级别上不够清晰，无法使用 Image Tool 5{ }^{5} 或 Image J6\mathrm{J}^{6} 进行定量图像分析。然而，尝试进行图像分析给出的结果是，30分钟和120分钟时间点的平均粒子直径分别约为 500nm500 \mathrm{nm} 和 700nm700 \mathrm{nm}。虽然这个数字比 SEM 获得的值大，但粒子直径随时间增加的趋势仍然很明显。

图 S1. 一个小组在反应开始后 A) 30 分钟和 B) 120 分钟产生的粒子的光学图像。放大倍数为 2520 倍。标尺为 10μm10 \mu \mathrm{m}。

参考文献

(1) Shaw, D.J. Introduction to Colloid and Surface Chemistry, 4th 4{ }^{\text {th }} ed.: Butterworth-Heinemann (Elsevier), 1992 (2) Dynamic Light Scattering. http://www.malvern.com/common/downloads/campaign/MRK65601.pdf (accessed Apr. 2012). (3) Stöber, W.; Fink, A.; Bohn, E. J. Colloid Interface. Sci. 1968, 26, 62-69 (4) Bogush, G.H.; Tracy, M.A.; Zukoski IV, C.F. J. Non-Cryst. Solids, 1988, 104, 95-106 (5) UTHSCSA Image Tool. http://ddsdx.uthscsa.edu/dig/itdesc.html (accessed Apr. 2012). (6) Image J. http://rsbweb.nih.gov/ij/ (accessed Apr. 2012).

技术人员须知

化学品

一水合磷酸二氢钠, 99%, (NaH2PO4⋅H2O)\left(\mathrm{NaH}_{2} \mathrm{PO}_{4} \cdot \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\right)。 磷酸氢二钠, 99%(Na2HPO4)99 \%\left(\mathrm{Na}_{2} \mathrm{HPO}_{4}\right)。 聚乙烯亚胺 -PEI, 99%(25kDa)99 \%(25 \mathrm{kDa}) (Sigma Aldrich 目录号 408727)。 三甲氧基甲基硅烷 - TMOMS, 98% (Sigma Aldrich 目录号 246174)。 盐酸, 37%37 \%, 用水稀释至 1M1 \mathrm{M} 溶液。

二氧化硅粒子实验溶液

如果可能，所有溶液/样品中应使用 Milli-Q 水 (18.2MΩcm)(18.2 \mathrm{M} \Omega \mathrm{cm})，虽然如果这不可能，也可以使用 RO 水。

磷酸钠缓冲液 - pH 7.4

它由磷酸二氢钠 (NaH2PO4)\left(\mathrm{NaH}_{2} \mathrm{PO}_{4}\right) 和磷酸氢二钠 (Na2HPO4)\left(\mathrm{Na}_{2} \mathrm{HPO}_{4}\right) 制成。两种盐的纯度应为 99%。此外，应使用彻底清洗并冲洗过的玻璃器皿，以确保不存在污染物。

浓度为 290mM290 \mathrm{mM}。这是 10 倍浓缩液，因此当学生将其加入反应时，最终浓度将为 29mM29 \mathrm{mM}。

溶解： 17.4gNaH2PO417.4 \mathrm{g} \mathrm{NaH}_{2} \mathrm{PO}_{4} 于 500mL500 \mathrm{mL} 水中 20.6gNa2HPO420.6 \mathrm{g} \mathrm{Na}_{2} \mathrm{HPO}_{4} 于 500mL500 \mathrm{mL} 水中

你应该能够将其中一种加入另一种中，直到 pH 为 7.4（使用 pH 计大约需要 73mLNaH2PO473 \mathrm{mL} \mathrm{NaH}_{2} \mathrm{PO}_{4} 和 400mLNa2HPO4400 \mathrm{mL} \mathrm{Na}_{2} \mathrm{HPO}_{4}）。如果这不起作用，你也可以改用 HCl/NaOH\mathrm{HCl} / \mathrm{NaOH} 调节 pH。

聚乙烯亚胺（25 kDa，支化聚合物） 只给学生提供稀释的 PEI 溶液。

聚乙烯亚胺的纯度应为 99%。 应制备 10 X 浓度，相当于 1mM1 \mathrm{mM} 浓度。这意味着 1mL1 \mathrm{mL} 反应中的最终浓度将为 0.1mM0.1 \mathrm{mM}

制备 1mM25kDa1 \mathrm{mM} 25 \mathrm{kDa} PEI 溶液，使用 2.5g2.5 \mathrm{g} PEI 于 100mL100 \mathrm{mL} 水中。

注意 - 该聚合物极其粘稠且“发粘”。使用塑料移液管像取稠蜂蜜一样从容器中取出效果很好。使用后丢弃塑料移液管。置于搅拌器上直至溶解，在使用前几天制备。

小心；避免与皮肤接触，始终在通风橱中使用并穿戴全套 PPE（实验服，护目镜），戴手套 2\mathbf{2} mM\mathbf{mM} 盐酸 用于水解 TMOMS。

稀释已知浓度的 HCl\mathrm{HCl}。例如，499.5mL499.5 \mathrm{mL} 水 +0.5mL1M+0.5 \mathrm{mL} 1 \mathrm{M}（摩尔）HCl\mathrm{HCl}。 小心；始终将酸加入水中，并穿戴全套 PPE（实验服，护目镜），使用手套

TMOMS

这必须在实验内新鲜配制，并在加入混合物前水解15分钟。否则将形成凝胶而不是粒子。

TMOMS 的纯度为 98%。分子质量为 136.22g/mol136.22 \mathrm{g} / \mathrm{mol}。密度为 0.955g/mL0.955 \mathrm{g} / \mathrm{mL}。

如下制备用 HCl\mathrm{HCl} 水解的 1M1 \mathrm{M} TMOMS。 3.55mL3.55 \mathrm{mL} 水 +5mL2mMHCl+1.45mL+5 \mathrm{mL} 2 \mathrm{mM} \mathrm{HCl}+1.45 \mathrm{mL} 纯 TMOMS =10mL=10 \mathrm{mL} 用 HCl\mathrm{HCl} 水解的 1M TMOMS。

设备

微量离心管 1.5mL1.5 \mathrm{mL} 微量移液器和吸头 每组 1 个 5ml5 \mathrm{ml} 移液管和绿色移液管分配器 秒表 微型离心机 例如小型 Thermoline 离心机或 5418 Eppendorf 涡旋混合器 超声仪 离心管架 烧杯 50mL×250 \mathrm{mL} \times 2 酸洗过的 用于磷酸钠缓冲液、PEI 和 HCl\mathrm{HCl} 溶液的玻璃瓶。 实验室中的学生计算机，用于访问粒子表征数据和图像

注意：使用了最大转速为 6500rpm(2000×g)6500 \mathrm{rpm}(2000 \times \mathrm{g}) 的小型便携式微型离心机。如果有具有更高最大转速的大型微型离心机，则可以使用更短的时间。例如，16873×g(14000rpm)16873 \times \mathrm{g}(14000 \mathrm{rpm}) 的 Eppendorf 5418 微型离心机由于更强的离心力，将在30秒到1分钟内使粒子沉淀。

安全信息

供应商网站上提供了关于所有化学品的更多信息。

TMOMS

监管危害信息：高度易燃 (F, R11, S16) CAS: 1185-55-3

MSDS 链接: https://fscimage.fishersci.com/msds/50922.htm

PEI

监管危害信息：有害 ( Xn )；对环境危险 ( N )；吞咽有害 (R-phrase(s) R22)；对水生生物有毒，可能在水生环境中造成长期不利影响 (R51/53)。

CAS: 9002-98-6

MSDS 链接: http://www.fishersci.com/msds?productName=AC178571000&productDescription=POLY(ET HYLENIMINE%29%2C+50WT+100GR&catNo=AC17857- 1000&vendorId=VN00032119&storeId=10652

一水合磷酸二氢钠, NaH2PO4⋅H2O\mathrm{NaH}_{2} \mathrm{PO}_{4} \cdot \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} 危害：吸入、皮肤吸收或吞咽可能有害。可能引起眼睛刺激。 未被归类为危险品或危险货物。 CAS:10049-21-5 MSDS 链接: http://fscimage.fishersci.com/msds/15191.htm

磷酸氢二钠 Na2HPO4\mathrm{Na}_{2} \mathrm{HPO}_{4} 危害：吸入、皮肤吸收或吞咽可能有害。可能引起眼睛刺激。 未被归类为危险品或危险货物。 CAS: 7558-79-4

MSDS 链接: http://fscimage.fishersci.com/msds/08330.htm