[发明专利]一种高浓度稳定碳纳米管水溶液

说明书

本申请是2008年3月20日提交的申请号为200810102321.7，发明名称为“制备高浓度稳定碳纳米管水溶液的方法”的分案申请。

技术领域：

本发明涉及一种用于生物医学领域中的碳纳米管水溶液的制备方法和应用。

背景技术：

碳纳米管是一类具有完美石墨结构的管形碳材料，直径一般从几个纳米到几十个纳米。碳纳米管具有优良的导电性、电磁特性以及优异的力学性能。其本身具有的多种优异性能，在许多方面存在广阔的应用前景。但是，原始状态的碳纳米管具有强疏水性，同时彼此之间存在极强的团聚作用，因此在水及有机溶剂、高分子基体中均很难分散，易聚集成团，一般不溶于任何溶剂，妨碍了对其进行分子水平研究及操作应用，也难于将它应用于生物医学领域。

为了将碳纳米管的优异性能应用于生物医药领域，对碳纳米管进行表面处理，使其在水中分散，形成碳纳米管的稳定悬浮溶液，对于进一步的生物医学应用具有重要的意义。采用何种手段对碳纳米管进行修饰和功能化成为碳纳米管走向实用的一个关键性的问题。

原始的碳纳米管的端口是封闭的。在特定条件下，碳纳米管表面存在一些晶格缺陷。很多研究采用氧化方法使碳纳米管的端口由封闭状态变成开口状态，同时在晶格缺陷处氧化，在碳纳米管端口和表面引入羧基等含氧基团，增加碳纳米管的亲水性。

迄今，对碳纳米管进行亲水性修饰应用比较多的手段是共价修饰法。一般常用的共价修饰方法是用强酸将碳纳米管氧化开口，并截成短管，使其末端或(和)侧壁的缺陷位点带上羧基。例如，通过在热硝酸溶液中长时间回流使碳纳米管变成开口状态，增加其水溶性；还有通过用浓硫酸和硝酸的混合溶液长时间处理，在超声辅助下，使单壁碳纳米管被切短至100-300nm，同时表面引入羧基，增加了碳纳米管在水溶液中的溶解度(J.Liu，A.G. Rinzler，H.Dai，J.H.Hafner，R.K.Bradley，P.J.Boul，A.Lu，T.Iverson，K.Shelimov，C.B.Huffman，F.Rodriguez-Macias，Y.-S.Shon and T.R.Lee D.T.Colbert，R.E.Smalley Fullerene Pipesscience 1998，280，1253-56)。Mitra S研究组利用微波和混合强酸来分散SWNT(Wang，Y.，Iqbal，Z.，Mitra，S.J.Rapidly Functionalized，Water-Dispersed Carbon Nanotubes at High ConcentrationJ.Am.Chem.Soc.2006，128(1)，95-99.)，在碳纳米管表面引入了羧基和磺酸基，得到高浓度的碳纳米管水溶液。表面元素分析后发现，每3个碳原子上引入一个羧基，每10个碳原子上引入一个磺酸基。扫描电镜观察到碳纳米管的直径稍微有所变小。激光动态光散射分析得到溶液中的颗粒的大小在3nm～800nm。

除了氧化的方法，也有研究采用其他一些方法使碳纳米管分散到水溶液中，例如，通过将水溶性的大分子缠绕在碳纳米管周围，可以使完整长度的碳纳米管分散到溶液中(Zorbas V，Smith AL，Xie H，Ortiz-Acevedo A，Dalton AB，Dieckmann GR，Draper RK，Baughman RH，Musselman IH Importance of Aromatic Content for Peptide/Single-Walled Carbon Nanotube Interactions J Am Chem Soc.2005 Sep 7；127(35)：12323-8)。也有研究组报道，在超声条件下利用白蛋白作为分散剂可以得到稳定的单壁碳纳米管的溶液(Karajanagi SS，Yang H，Asuri P，Sellitto E，Dordick JS，Kane RS Protein-assisted solubilization of single-walled carbon nanotubes Langmuir.2006 Feb 14；22(4)：1392-5)。还有研究组利用DNA分子等来修饰和分散碳纳米管。