[发明专利]一种利用非对称场流仪分离C60纳米晶体颗粒尺度分布的方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料尺寸分布的分离领域，尤其涉及一种利用非对称流场流技术耦合激光散射检测分离C₆₀纳米晶体颗粒尺度分布的方法。

背景技术

纳米颗粒粒度分析的方法有很多，现在已有200多种基于各种工作原理的分析测量仪器，并且不断有新的方法和仪器研制出来。传统的粒度测量方法有显微镜法、沉降法、电感应法等，近些年发展出来的有激光散射法、电子显微镜图像分析法、光子相干光谱法、基于颗粒布朗运动的测量法等，不同原理的仪器采用了纳米颗粒不同的与其自身大小相关的物理性质或行为来度量其大小^[1]。由于各分析方法得到的是等效粒径，因此相互之间不能进行横向比较，并且每种方法都具有一定的适用范围。

电子显微镜法包括透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道电镜(STM)和原子力显微镜(AFM)。透射电镜的分辨率为0.1～0.2nm，冷场扫描电镜的分辨率为0.6～3.0nm。电镜法能得到颗粒的原始粒径及形貌，是粒度观测的绝对方法，具有可靠性和直观性。但是电镜法是对局部样品的观测，测量结果缺乏整体统计性，在进行粒度分布分析的时候，需要观测多幅照片，再通过软件分析统计出粒度分布。另外，纳米粒子具有高的表面活性，滴样后容易团聚，使测量结果有所偏差；一些在强电子束轰击下不稳定甚至分解的纳米颗粒很难分析出准确的粒度。对于扫描电子显微镜法，样品在拍摄前需脱水干燥和导电性处理，拍摄时也必须在高真空干燥环境内进行，都对样品颗粒有一定的损伤，并且操作时间长、成本高^[2]。

激光光散射法可测量20～3500nm的粒度分布，其分析的理论模型建立在颗粒为球形、单分散条件上，得到的是等效球体积分布。实际被测颗粒的形状和粒径分布对分析结果准确性的影响很大，被测颗粒的形状越不规则、粒径分布范围越宽，该方法粒度分析结果的误差就越大。激光光散射法的样品用量少、测量速度快、重复性好，但是对样品的浓度限制大，不能分析高浓度体系的粒度。激光光散射法分为静态光散射法和动态光散射法。动态光散射法是通过研究散射光在不同时间下因颗粒布朗运动所引起的变化进行粒径表征，由于大颗粒布朗运动较为缓慢，散射光斑的强度波动也会较缓慢，因此对于大颗粒的表征存在的较大误差。单一的激光光散射法得到的是纳米颗粒的平均粒径以及D_10％、D_90％，无法得到具体的各粒径段的粒子数目及比例。

非对称场流(Asymmetrical field flow，AFF)技术耦合多角度激光散射检测器(MALS)是一种新的有效分离和准确表征纳米颗粒粒度的方法，能分离从几纳米到几十微米的颗粒，与透射电镜和动态光散射等传统方法相比，此技术不会引起明显的颗粒聚集，同时能准确得到颗粒粒径分布情况^[3]。1987年，Giddings博士提出的非对称场流分离技术，用于颗粒分离及表征，该技术是场流分离技术的一个分支，由于其分离条件温和、分辨率高，在纳米颗粒的表征研究中的应用不断地增加。

分离过程是在一个扁平的薄腔内进行的，沿着腔室方向的主体流是抛物线型的层流，作用是洗脱，垂直于主体流的横向流又称交叉流，作用是提供一个使样品分离的力场，在分离时这两股流动分别进入腔室，通过调节它们的流速，可以有效的分离不同粒径的颗粒。样品颗粒在交叉流的作用下会向累积壁迁移，当分子自身的扩散作用与迁移作用平衡时，样品颗粒将处在累积壁上方的一个平衡位置。由于小颗粒的扩散系数比较大，其平衡位置距累积壁较远，因此具有较大的主体流速，会首先从腔室中洗脱出来，大颗粒洗脱出来的时间则晚于小颗粒，由此实现了对不同粒径的颗粒的分离。非对称场流仪后面连接静态光散射仪，则洗脱出来的颗粒按从小到大的顺序依次进入静态光散射仪中进行粒径大小的检测，能检出样品中所有颗粒的粒度，给出样品粒度的详细信息。此种方式下进入静态光散射仪的颗粒浓度较低，有效规避了静态光散射技术对浓度的限制。

非对称场流与常规的分离手段如比尺寸排阻法相比，具有众多优势：样品无需预处理，可直接进样；不用使用固定相，因此不存在剪切力；能使用众多的流动相条件，因此能在与悬浮物形成条件相同的溶剂背景下进行分离操作；允许使用去离子水或者离子强度高达10mM的缓冲液，不用另加其他流动相改良剂，如会影响尺寸和表面电荷的表面活性剂^[4]。通过优化聚焦时间、进样量、主体流流速、交叉流流速可以提高分离的精确度，使粒度分布的结果更加准确。

参考文献：