Жидкостная хроматография мицеллярных растворов наночастиц металлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.11, кандидат химических наук Волков, Анатолий Александрович

• Волков, Анатолий Александрович
• кандидат химических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат химических наук Волков, Анатолий Александрович

Содержание работы.

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1 Понятие наночастицы.

1.2. Синтез наночастиц.

Химические методы синтеза наночастиц.

Синтез в обратных мицеллах.

Радиационно-химическое восстановление ионов металлов.

Метод биохимического синтеза в обратных мицеллах.

Фотохимический метод синтеза наночастиц.

Восстановление металлосодержащих соединений.

Золь-гель-метод.

Синтез кластеров и наночастиц металлов в растворах полимеров и полимерных матрицах.

Синтез наночастиц на границе раздела газовой и жидкой фаз.

Радиационно-химическое восстановление ионов металлов в водных растворах.

Разложение металлосодержащих соединений под действием ультразвука.

Термолиз металлосодержащих соединений.

Физические методы синтеза наночастиц.

Конденсационные методы.

Методы нанодиспергирования компактного материала.

1.3 Методы определения свойств наночастиц.

Исследование наночастиц металлов хроматографическими методами.

Адсорбционная хроматография.

Ситовая (эксклюионная) хроматография.

Гидродинамическая хроматография.

Газовая хроматография.

Электрофорез.

Оптические свойства наночастиц.

Глава 2. Экспериментальная часть.

Растворы, реагенты, объекты исследования и оборудование.

Пробоподготовка.

Выбор условий хроматографического эксперимента.

Выбор неподвижной фазы.

Выбор подвижной фазы.

Глава 3. Результаты и их обсуждение.

Исследование адсорбционных свойств мицеллярных наночастиц.

Исследование кинетики образования мицеллярных наночастиц.

Разделение мицеллярных наночастиц.

Прямофазная хроматография.

Гидродинамическое разделение.

Эксклюзионное разделение мицеллярных растворов наночастиц металлов.

Обращено-фазовая жидкостная хроматография мицеллярных растворов наночастиц металлов.

Исследование адсорбционных свойств композиционных материалов на основе мицеллярных наночастиц.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Жидкостная хроматография мицеллярных растворов наночастиц металлов»

Конец XX века — начало XXI ознаменовались резким повышением интереса у учёного сообщества к исследованию наноразмерных объектов. Это связывают с двумя основными факторами: современная технология столкнулась с проблемой, связанной с возникновением аномальных свойств материалов при переходе от макрообъектов к наноразмерным, а также появилась возможность исследовать материю на наноуровне благодаря появлению сканирующей туннельной микроскопии, атомно-силовой микроскопии и электронной микроскопии. В настоящей работе показаны примеры использования различных вариантов жидкостной хроматографии для исследования обратномицеллярных растворов наночастиц металлов. Необходимость использования жидкостной хроматографии связана со сложностью матрицы, в которых синтезированы наночастицы металлов. Неиспаряющееся мицеллообразующее поверхностно-активное соединение создаёт ограничения для всех методов анализа материи на наноуровне (АСМ, ПЭМ, СТМ, а из-за присутствия обратных мицелл становятся непригодны методы, основанные на светорассеивании). Метод жидкостной хроматографии позволяет обойти эту проблему без предварительной обработки, уменьшая затраты времени, реактивов и избегая возможного изменения системы в ходе этой обработки. Кроме того метод жидкостной хроматографии отличается большей информативностью. С его помощью можно получать информацию не только о размерах наночастиц, но и говорить о химии поверхности наночастиц, о том, в какой форме они находятся в растворе, об их взаимодействии с различными сорбентами, а также позволяет изучать процесс взаимодействия наночастиц с матрицей при создании нанокомпозиционных материалов и исследовать свойства полученных материалов. Методом жидкостной хроматографии можно контролировать как процесс синтеза наночастиц, их динамику образования, так и различные процессы по обработке наночастиц — удаление и смена исходной матрицы.

Цель работы: целью настоящей работы является изучение обратномицеллярных растворов наночастиц металлов: методом жидкостной хроматографии и демонстрация её возможностей при работе с нанообъектами.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи с помощью метода жидкостной хроматографии:

1. Использовать хроматографию для изучения процесса формирования наночастиц в обратных мицеллах.

2. Получить информацию об обратномицеллярных растворах наночастиц: о форме нахождения в растворе и размере наночастиц, о химии поверхности наночастиц, устойчивости к различным воздействиям.

3. Изучить устойчивость мицелл, содержащих наночастицы металлов (мицеллярные наночастицы), влияние на неё смены растворителя мицеллярного раствора и удаление избытка поверхностноактивного вещества (ПАВ, АОТ), изучение взаимодействия обратномицеллярных растворов наночастиц с адсорбентами и влияние сорбированных мицеллярных наночастиц на свойства полученных нанокомпозитов.

Научная новизна работы.

В диссертационной работе впервые получены следующие результаты:

- исследована кинетика формирования наночастиц металлов методом жидкостной хроматографии на примере синтеза обратномицеллярного раствора наночастиц никеля радиационно-химическим способом;

- получена информация о химии поверхности мицеллярных наночастиц серебра и железа, синтезированных в обратных мицеллах, их устойчивости к высушиванию и длительному хранению, высказана гипотеза о форме нахождения в растворе;

- определён размер мицеллярных наночастиц серебра методом гель хроматографии;

- изучена устойчивость мицеллярных наночастиц железа, влияние на неё смены растворителя мицеллярного раствора и удаление избытка ПАВ;

- изучен процесс создания твёрдых нанокомпозитов и исследование их свойств.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные данные позволяют охарактеризовать процесс синтеза наночастиц, их химическую природу, размеры, т.е. основные свойства, необходимые в последующих исследованиях обратномицеллярных растворов наночастиц металлов, которые имеют перспективы использования в медицине[1, 2], катализе, полупроводниковой промышленности [3] и т.д.

Заключение диссертации по теме «Хроматография и хроматографические приборы», Волков, Анатолий Александрович

Выводы

Методом жидкостной хроматографии изучены мицеллярные растворы наночастиц серебра, железа, никеля, палладия.

1. Методом хроматографии изучена кинетика формирования наночастиц никеля в зависимости от мольного соотношения вода/АОТ. Показано, что процесс формирования наночастиц протекает во времени и скорость формирования наночастиц возрастает с увеличением со.

2. Показано, что мицеллярные наночастицы имеют неполярную поверхность, которая разрушается при контакте с полярным адсорбентом.

3. Изучен процесс взаимодействия наночастиц с полярным адсорбентом. В результате получается композиционный материал с обращенной фазой.

4. Методом ситовой хроматографии определён размер мицеллярных наночастиц. Показано, что размеры пустых мицелл, мицелл, содержащих соль и мицеллярных наночастиц близки по значению. На основании этого выдвинута гипотеза об их структуре.

5. Изучена устойчивость мицеллярных наночастиц к высушиванию, хранению и смене растоврителя. Показано, что при высушивании и последующем растворении в неполярных растворителях их свойства не изменяются.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Волков, Анатолий Александрович, 2009 год

1. J.H. Thral Nanotechnology and Medicine 11 Radiology 2004 V. 230 №2 Pp. 315-318

2. Bakalova R., Ohba H., Zhelev Z., Nagase Т., Jose R., Quantum dot anti-CD conjugates: Are they potential photosensitizers or potentiators of classical photosensitizing agents in photodynamic therapy of cancer? // Nano Letters,2004, V. 4, №9, 1567-1573

3. Губин С.П., Кокшаров Ю.А., Хомутов Г.Б. и др //Магнитные наночастицы: методы получения, строение и свойства.// Успехи химии2005, №74, с. 1-36

4. Сергеев Г.Б. Нанохимия. ИМ.: Изд-во МГУ, 2003. 288с.

5. Ильин А.П. Проблемы терминологии в области малых частиц и порошков, сс. 23-34. // Физико-химия ультрадисперсных (нано-) систем. Сборник научных трудов VI Всероссийской (международной) конференции. М.: МИФИ, 2003. 564с.

6. Суздалев И.П., Суз дал ев П.И. Нанокластеры и нанокластерные системы // Успехи химии, 2001, т.70, №3, с.203 — 239

7. Pileni М.Р. Nanosized particles made in colloidal assemblies // Langmuir, 1997, V. 13, № 13, P. 3266-3276.

8. Petit C., Pileni M.P. Physical properties of self-assembled nano-sized cobalt particles //Appl. Surf. Sci., 2000. V. 519, P. 162-163

9. Papp S., Decany I. Structural properties of palladium nanoparticles embedded in inverse microemulsion // Colloid Polim Sci, 2001, V. 279, P. 449-458

10. Егорова Е.М., Ревина А.А. Оптические свойства и размеры наночастиц серебра в мицеллярных растворах. // Коллоидный журнал. 2002.-Т.64,№3.- С. 334-345.

11. Докучаев А.Г., Мясоедова Т.Г., Ревина А.А. Изучение влияния различных факторов на образование агрегатов серебра в обратных мицеллах под действием □-излучения // Химия высоких энергий, 1997, Т. 31, №5, стр. 353-356

12. Ревина А.А'., Кезикова А.Н., Алексеев А.В., Хайлова Е.Б., Володько В.В. Радиационно-химический синтез стабильных наночастиц металлов // Нанотехника, 2005, №4, С. 105-111.

13. Рарр S., Szusc A., Decany I. Colloid synthesis of monodisperse Pd nanoparticles in layered silicates // Solid State Ionics, 2001, V. 141-142, P. 169-176

14. Egorova E.M., Revina A.A. Synthesis of metallic nanoparticles in reverse micelles inthe presence of quercetin // Colloids and Surfaces. Ser. A. 2000, №168, P. 87-92.

15. Помогайло А.Г., Розенберг A.C., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. // М:: Химия, 2000, 672 с

16. Huang Z.Y., Mills G., Hajek В. Spontaneous formation of silver particles in basic 2-propanol // J. Phys. Chem., 1993, V. 97, №20, P.l 1542 11551

17. Карпов C.B., Попов A.K., Слатко В.В. и др. // Коллоидный журн. 1995. -Т.57, №.5. С. 199-210

18. Henglein A. Surface chemistry of colloidal silver: surface plasmon damping by chemisorbed 1-, SH-and C6H5S-. // J. Phys. Chem. 1993, V.97. №21, P. 5457-5461.

19. Топорко A.B., Цветков B.B., Ягодовский В.Д. и др. // Ж. физ. химии. 1995, Т. 69, №5, С. 867-870

20. Saari U.A., Seltz R. Immobilized morin as fluorescence sensor for determination of aluminum(III) // Anal. Chem. 1983, V.55, P. 667-687

21. Sakaguchi T, Nakajima A. Recovery of uranium by tannin immobilized on agarose // J. Chem. Technol. Biotechnol, 1987, V. 40, №13, P. 133-137

22. Sun S., Murray C.B.I.3 Jim Room Temperature Emission from InAs/GaAs Self-Assembled Quantum Dots // J. Appl. Phys., 1999; V. 38, P. 528 530

23. D.R.Uhlmann, G. Teowee, J.Boulton The future of sol-gel science and technology // Journal of Sol-Gel Science and Technology, 1997, 8, 10831091

24. Horvath A., Beck A., Sarcany A., Effect of different treatments on Aerosil silica-supported Pd nanopaticles prodused by controlled colloidal synthesis// Solid-State Ionics, 2001, V. 141-142, P. 147-152

25. Литманович A.A., Паписов И.М // Высокомолек. Соед. Серия Б. 1997, Т.39, № 11, С. 1875-1878.

26. Grohn F., Bauer B.J., Akpalu Y.A. // Macromolecules, 2000,- V.33, № 10, P. 6042-6050

27. Miyazaki A., Nakano Y. Morphology of Platinum Nanoparticles Protected by Poly(N-isopropylacrylamide) // Langmuir. 2000, № 16, P. 71090-71099

28. Soldatov E.S., Kislov V.V., Gubin S.P., Artem'ev M. Monomolecular polymeric films with incorporated AulOl clusters // Microelectronic Engineering, 2005, V. 81, P. 400-404

29. Б.Г.Ершов Наночастицы металлов в водных растворах: электронные, оптические и каталитические свойства // Рос. хим. журн., 2001., Т XLV, 20-30

30. J.S.Yin, Z.L Wang Magnetic nanoparticles: preparation, structure and properties //Nanostruct. Mater., 1999, V. 10, P. 845-851

31. Farell D., Majetich A., Wilcoxon J. P. Preparation and Characterization of Monodisperse Fe Nanoparticles //J.Phys. Chem. В 2003. V.103. Pp.11022 -11030

32. T.Hyeon, S.S.Lee, J.Park, Y.Chung, H.B.Na. Size-controlled synthesis of magnetite nanoparticles // J. Am. Chem. Soc., 2001, V. 123, P. 12798 -23803

33. Романов A.B., Ларионов О.Г., Ревина A.A. Использование хроматографии для изучения адсорбции' стабильных наночастиц серебра // Сорбционные и хроматографические процессы. 2006. Т.6. Вып.2. Стр.242-249

34. Larionov O.G., Chalykh А.Е., Kolomiets L.N., Vinogradova N.I. Investigation of Solid' Surfaces by High-performance liquid chromatography. // J.Chromatogr. 1992. Vol.592. P. 121-126

35. Ревина A.A., Кезиков A.H., Дубенчук B.T., Ларионов О.Г. Синтез и физико-химические свойства стабильных наночастиц палладия // Российский химический журнал. 2006, Т.50, №4. Стр:55-60

36. Ревина A.A., Кезиков А.Н., Ларионов О.Г., Белякова Л'.Д. Исследование стабильных наночастиц палладия хроматографическим и спектрофотометрическим методом.* // Сорбционные и хроматографические процессы. 2006. Т.6. Вып.2. Стр.265-272

37. Jeminex V.L., Leopold С.М., Mazzitelli С., Jorgenson J.W., Murrey R.W. HPLC of monolayer-protected gold nanoclusters // Anal. Chem., 2003. V. 75, P. 199-206

38. Ревина А.А., Ларионов О.Г., Белякова Л.Д., Алексеев А.В. Возможности современной хроматографии в исследовании природы и адсорбционных свойств наноразмерных частиц металлов // Сорбционные и хроматографические процессы. 2004. — Т 4, №6. С. 689-700

39. Kirkland JJ. High-performance Size-Exclusion Liquid Chromatography of Inorganic Coolloids. //.Chromatography. 1979. V.185. Pp 273-288

40. Fischer Ch.-H, Weller H., Katsikas L., Henglein A. Photochemistry of Colloidal Semiconductors. 30. HPLC Investigation of Small CdS Particles.//Langmuir 1989. V.5. Pp. 429-432

41. Siebrands 1'., Gicrsig M., Mulvaney P., Fischer Ch-H. Steric Exclusion Chromatography of Nanometer-Sized Gold Particles //Langmuir 1993. V.9. Pp. 2297-2300;

42. Fischer Ch-H., Giersig M., Siebrands T. Analysis of colloidal particles V. Size-exclusions chromatography of colloidal semiconductor particles // ^Chromatography . 1994; V.A. 670. Pp.89-97

43. Krueger K. ML,, Al-Somali AIL Mf,. FalKnerr Jt C., Colvim V. L. Characterization of Nanocristalline CdS by Size Exclusion Chromatography //AnaliChem. 2005^, V. 77: Ppi35№351>5'

44. Wilcoxon J .P., Provencio P. Etching and& aging effects in nanosize Au clusters investigated using high-resolution size-exclusion chromatography // J. Phys. ChemrB* 2003i .Vc. 107, PM2949 12957

45. We G., Liu F:, Separation« of nanometer gold particles by size exclusion, chromatography//.!. Crom. 1999, 836, p. 253-260.

46. Wilcoxon J.P., Martin J.E., Provencio; P.,. Size distributions of gold nanoclusters studiedtby liquid chromatography // Langmuir, 2000, V. 16, P. 9912-9920

47. Song Y., Heien M.L., Jeminez V., Wightman R.M., Murray R.W. Voltammetric detection of metal nanoparticles separated by liquid chromatography // Anal. Chem., 2004, V. 76, P: 4911 4919

48. Fisher C., Siebrands Т., Analisys of colloids. VIII. Concentration and memory effects in size exclusion chromatography of colloidal inorganic nanometer-particles.//J: Chrom. 1995, 707, p. 189-197

49. Волков, A.A., Дайнеко C.B., Ларионов О.Г., Ревина А.А. Эксклюзионная хроматография обратномицеллярных растворов наночастиц металлов- // Тезисы Третьей Всероссийской конференции по нанотехнологиям НАНО 2009, Екатеринбург, 2009

50. Волков А.А„ Дейнека С.В., Ларионов О.Г., Ревина А.А. Эксклюзионная хроматография наночастиц серебра // Всероссийская конференция «Теория и практика жидкостной хроматографии. Хроматография и нанотехнологии» Тезисы докладов, Самара 2009., стр. 29*

51. R.J. Noel, K.M.Gooding, F.E. Regnier, D.M. Ball, K. Orr, M.E. Mullins Capillary hydrodynamic chromatography // J. Chrom. V. 166, 1978, P. 373382

52. Venema E., Kraak J.C., Poppe H., Tijssen R. Packed-column hydrodynamic chromatography using 1-j.im nonporous silica particles// J.Chromatography A 1996. V.740. Pp. 159-167

53. Fischer Ch.-H., Giersig M. Analysis of colloids VII. Wide-bore hydrodynamic chromatography, a simple method for the determination of particle size in the nanometersize regime // J. Chromatography A. 1994. V.688 . Pp. 97-105

54. Blom M., Chmela E.,Oosterbroek E., On-chip* hydrodynamic chromatography separation and detection of nanopaticles and biomolecules // Anal. Chem 2003, №75, p. 6761-6768

55. Arnaud I., Abid J.-P., Roussel Ch., Girault H.H. Size-selective separation of gold nanoparticles using isoelectric focusing electrophoresis (IEF) // Chemical Communications, 2004, V\ 10., P. 1039-1042

56. Klimov V.I., Mikhailovsky A.A., Su Xu, Malko A., Hollingsworth J.A. Optical Gain and stimulated emission in nanocrystal quantum dots // Sciense, 2000; V. 290

57. Андреевский P.A., Глезер A.M. Размерные эффекты в нанокристаллических материалах. II. Механические и физические свойства// Физика металлов и металловедение 2000, - т.89, - №1, стр. 91-112

58. Крутяков А.Ю., Кудринский А.А., Оленин А.Ю., Лисичкин Г.В. Синтез' и свойства наночастиц серебра: достижения и перспективы //.Успехи» химии, 2008, Т. 77, № 3, стр. 242-269

59. Chikan V., Kelley D.F. Synthesis of highly luminescent GaSe nanoparticles // Nano betters, 2002, V. 2, № 2, P. 141 145

60. Волков А.А., Ларионов О.Г., Ревина А.А., Хайлова Е.Б., Суворова О.В. Обращено-фазовая ВЭЖХ наночастиц железа // Тезисы VIII Международной научной конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» 14 19 сентября 2008 г., стр. 119