我们采用等离子体增强化学气相沉积法，在多种材料的纳米级颗粒上沉积了厚度从几纳米到数百纳米的薄膜。随后通过刻蚀去除核心材料，形成中空纳米壳层，其渗透性由壳层厚度控制。我们表征了这些涂层对小分子溶质的渗透性，并证明这些屏障能够实现核心物质在数天内的持续释放。
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摘要
摘要
在本实验方案中，通过等离子体增强化学气相沉积法合成核-壳纳米结构。我们采用异丙醇在不同固体基底（包括二氧化硅和氯化钾）上进行等离子体聚合，形成非晶态阻隔层。该技术具有良好的通用性，可用于处理粒径范围从37 nm至1微米的纳米颗粒和纳米粉末，所沉积薄膜的厚度可在1 nm至100 nm以上之间调节。通过溶解核层，我们可以研究物质透过薄膜的渗透速率。在这些实验中，我们通过包覆KCl纳米晶体并随后监测包覆颗粒在水中悬浮液的离子电导率，测定KCl在阻隔膜中的扩散系数。该过程的主要研究兴趣在于溶质的包封及其延迟释放。壳层厚度是控制释放速率的独立变量之一，对释放速率具有显著影响：当壳层厚度为20 nm时，释放时间为6小时；而当壳层厚度为95 nm时，可实现长达30天的长期释放。释放曲线呈现典型特征：溶解开始后的最初5分钟内快速释放（释放量达最终总量的35%），随后进入缓慢释放阶段，直至所有核层材料完全释放完毕。
方案
1. 沉积用二氧化硅纳米颗粒的制备
- 从干燥的二氧化硅粉末开始，首先去除大块聚集体，以制备用于涂覆的样品。
- 用乙醇（190 proof 纯度）清洗二氧化硅颗粒（直径为 200 nm，购自 Gel-Tec Corp.），并将样品置于通风橱中，直至所有水分随乙醇完全挥发。
- 将颗粒通过一系列金属筛网（美国标准 #100-400）进行筛分，以打散任何残留的团聚物。
- 将颗粒和一个小的磁力搅拌子放入管式反应器中，如图 1所示。颗粒应置于等离子体区域内。
- 通过在两个法兰之间放置一个 O 型圈来密封玻璃反应器，一个法兰位于玻璃管末端，另一个位于连接泵的管道末端。
- 在法兰周围安装不锈钢卡箍环，并用手拧紧卡箍周围的螺钉。
2. 真空系统的准备
- 填充液氮捕集阱，然后等待捕集阱表面冷却。等待5分钟。
- 在鼓泡器中加入异丙醇，并将其连接至等离子体反应器。
- 通过在金属管上放置橡胶O形圈并拧紧螺母，密封鼓泡器与管道的连接处，直至连接部位完全密封。
3. 等离子体沉积过程
- 将鼓泡器置于温度为 34±2 °C 的水浴中。
- 打开氩气流量控制器，并将设定值设为 6.00 sccm。
- 在泵运行的同时，逐渐打开连接玻璃管与泵的闸阀。此步骤需谨慎操作，因为压力突然降低可能导致颗粒被气流吹走。待压力降至 200 mTorr 后，将闸阀完全打开。
- 将磁力搅拌器置于玻璃管下方，并将转速设为 100 rpm。
- 将玻璃管反应器周围的铝环连接至射频（RF）发生器，并将不锈钢夹具接地。
- 首先打开匹配网络（ENI MW-5D），然后依次接通交流电源和射频发生器电源。整个过程中将功率设定为 30 W。
- 经过特定时间（10、20 或 40 分钟）后，依次关闭匹配网络、射频发生器和交流电源。
- 关闭单向阀，然后关闭氩气流量控制器。将鼓泡器从阀门上拆下，并逐步使反应器内压力恢复至大气压。
- 打开夹具，使用金属刮铲将颗粒从玻璃管中转移至塑料培养皿中。
4. 通过溶解核心材料制备中空颗粒
- 在整个加入氢氟酸的过程中，将样品置于通风橱内。
- 氢氟酸是一种极强的腐蚀性酸，眼睛和皮肤接触后可能导致永久性损伤。操作氢氟酸时应佩戴护目镜并加戴面罩，并穿上实验服。
- 将10 ml氢氟酸（Aldrich 49%）与10 ml去离子水混合，加入含有包覆颗粒的塑料培养皿中。
- 将塑料培养皿置于磁力搅拌器上，使核溶解24小时。
- 一天后，用50 ml去离子水稀释样品，并离心1小时。将上层液体弃入塑料容器中，将含有颗粒的底层转移至一个塑料培养皿中。
- 加入50 ml去离子水，涡旋混匀样品后再次离心。弃去上层液体，将颗粒层转移至洁净的培养皿中。
- 用乙醇洗涤颗粒，晾干样品，将空心颗粒转移至带盖小瓶中，并将颗粒保存在干燥器内。
5. 通透性表征（核心物质释放速率）
材料：核心材料用氯化钾
- 通过将 0.0745 克氯化钾（KCl）与 1 升去离子水混合，配制 0.001 摩尔的氯化钾（KCl）溶液。
- 将恒定输出雾化器型号 3076 的玻璃瓶装满，并安装瓶盖。
- 将压缩空气管连接至膜式干燥器，该干燥器再连接至雾化器的气体入口。然后在出口管路上连接一个滤膜，用于收集 KCl 纳米颗粒。
- 缓慢打开压缩空气阀门，使空气通过膜式干燥器。让颗粒在滤膜中积累 5 小时。
- 关闭压缩空气阀门，小心取下滤膜并收集颗粒。将收集的颗粒置于干燥器中，待后续包衣处理前保存。
- 按照方案 2 和方案 3 的步骤操作，以获得均匀包衣的 KCl 颗粒。
- 将包衣后的 KCl 与 10 ml 去离子水在玻璃小瓶中混合。为充分混匀样品，将磁力搅拌子放入溶液中，并置于磁力搅拌器上持续搅拌。将样品在 25 °C 下孵育。
- 将电导率仪探头（Thermo Orion 型号 105）插入小瓶中，并记录 30 天内的电导率变化。
6. 代表性结果
我们已将该工艺应用于多种核心材料，包括氧化物（二氧化硅）、盐类（KCl）和金属（Al），如图2所示。采用透射电子显微镜确认了薄膜的径向均匀性，并测量其厚度。我们已成功包覆直径范围从37 nm到200 nm的颗粒（图2），但该方法在可处理颗粒尺寸方面并无根本性限制。壳层沉积速率约为1 nm/min。这一相对较慢的速率使得通过控制沉积时间即可精确调控薄膜厚度。等离子体聚合形成的壳层是一种可渗透屏障，这一点可通过核心材料经刻蚀或溶解后被去除的事实得以证明。图3展示了二氧化硅核心被去除后残留的空心壳结构。核心的去除是完全的，且薄膜的径向均匀性和厚度均很高。为了评估这些薄膜的渗透性，我们改用KCl作为核心材料，因为通过溶液的离子电导率可非常方便地监测KCl的溶解过程。图4显示了四个具有不同壳层厚度（分别为20 nm、40 nm、75 nm和95 nm）的样品中KCl从核心释放的情况。将包覆的KCl颗粒悬浮于水中，并连续监测溶液电导率长达30天。除这四个样品外，还同时监测了一个由未包覆KCl颗粒组成的对照组。未包覆的KCl颗粒在约1分钟的极短时间内即完全溶解。相比之下，包覆的KCl颗粒释放速率显著减缓。包覆颗粒的释放曲线表现为初始突释阶段（发生在最初1小时内），随后是持续数天、速度慢得多的持续释放阶段，具体持续时间取决于壳层厚度。
图1. 纳米颗粒制备、等离子体沉积及中空颗粒形成的示意图。
图 2. 包覆的（a）、（b）二氧化硅颗粒（d=200 nm）、（c）二氧化硅颗粒（d=37 nm）、（d）铝颗粒（d~100 nm）和（e）氯化钾颗粒（d=100 nm）的透射电子显微镜（TEM）图像
图3. 刻蚀直径为200 nm的(a)、(b)二氧化硅核和(c)KCl核后得到的中空颗粒的透射电镜图像。
图4. 壳层厚度对释放曲线的影响。插图显示了最初1小时内的释放情况。
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讨论
纳米颗粒包覆技术面临的最大挑战之一是实现包覆层与基底之间的相容性化学性质1,2。本文所述方法的优势在于其不依赖特定材料。等离子体聚合物在多种基底上均表现出优异的附着力，包括硬质金属（图2(c)）、二氧化硅（图2(c)）、硅以及软性材料（如聚合物），且无需任何特殊表面改性处理3,4,5。该技术另一优势在于不受核心颗粒尺寸限制，可轻松适用于纳米至微米尺度的颗粒。包覆层厚度由沉积时间控制，可方便地从几纳米调节至数百纳米。此外，通过选择不同的有机前驱体，可进一步调控包覆层的性质。例如，可通过合理选择前驱体来调节包覆层的疏水性6。该工艺中仍需进一步改进的一个方面是包覆均匀性的提升。我们估计，在等离子体处理的颗粒中，约有70%实现了完全包覆，其余30%则仅部分包覆。设计并构建一种新型反应器，使等离子体在整个处理过程中完全包围颗粒，有望改善这一问题。
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披露
未声明任何利益冲突。
致谢
本研究工作得到了美国国家科学基金会资助项目（项目编号：CBET-0651283）和先进冷却技术公司资助项目（项目编号：117041PO9621）的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 二氧化硅颗粒 | Geltech Inc. | ||
| 氯化钾（晶体） | EMD Chemicals Inc. | ||
| 异丙醇（99.9%） | Sigma-Aldrich | ||
| 氢氟酸（48-51%） | VWR | ||
| 管道和法兰 | Swagelok | 直径为 ¼ 英寸和 1 英寸 | |
| 粗抽泵 | Edwards | ||
| 液氮阱 | A&N Corporation |
参考文献
- Xu, X., Asher, S. A. Synthesis and Utilization of Monodisperse Hollow Polymeric Particles in Photonic Crystals. Journal of the American Chemical Society. 126, 7940-7945 (2004).
- Lou, X., Archer, L., Yang, Z. Hollow Micro-/nanostructures: Synthesis and Applications. Advanced Material. 20, (2008).
- Kim, D. J., Kang, J. Y., Kim, K. S. Coating of TiO2 Thin Films on Particles by a Plasma Chemical Vapor Deposition Process. Advanced Powder Technology. 21, 136-140 (2010).
- Marino, E., Huijser, T., Creyghton, Y., van der Heijden, A. Synthesis and Coating of Copper Oxide Nanoparticles Using Atmospheric Pressure Plasmas. Surface and Coatings Technology. 201, 9205-9208 (2007).
- Hakim, L., King, D., Zhou, Y., Gump, C., George, S., Weimer, A. Nanoparticle Coating for Advanced Optical, Mechanical and Rheological Properties. Advanced Functional Materials. 17, 3175-3181 (2007).
- Kim, S. H., Kim, J., Kang, B., Uhm, H. S. Superhydrophobic CFx Coating via In-Line Atmospheric RF Plasma of He-CF4-H2. Langmuir. 21, 12213-12217 (2005).
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重印与许可
