水介质中C60纳米晶体颗粒的扩散状态对其光化学反应活性的影响研究*

倪 明 张 波＊＊ 何义亮 Kim Jae－kong Hughes Joeseph B

(1.上海交通大学环境科学与工程学院，上海，200240;2.School of Civil and Environmental Engineering，Georgia Institute of Technology，Atlanta，GA 30332，United States)

富勒烯(fullerene)是被广泛应用在物理化学、材料科学和生物医学等领域的碳纳米材料之一［1－4］.在种类繁多的富勒烯家族中，C60由于其奇特的物理、化学特性和结构的稳定性，是目前世界各国研究的一种新型纳米材料.C60具有对称空心笼状三维芳香结构，具有强疏水性，几乎不溶于水，也不溶或微溶于多数有机溶剂［5－6］.但研究表明，C60在水中通过长期搅拌可以形成稳定的纳米晶体颗粒(water stable crystalline nano－scale C60aggregates，nC60)，尺寸在几纳米到 200 nm之间，表面电荷在 －9 mV到－30 mV.目前，研究者们利用有机溶剂置换和超声快速制备了水中稳定的C60纳米晶体颗粒［7－10］.C60在各领域的广泛应用，以及在水介质中纳米晶体颗粒的形成和其强亲脂疏水性引起了人类对其潜在水环境风险的关注.

C60纳米晶体颗粒的生物毒性实验研究表明，其对于细菌、水生动物和人类组织细胞都具有毒性影响［8，11－16］.C60的光催化反应活性一直被认为是 C60纳米晶体颗粒具有生物毒性的重要原因之一［11，17－20］.在有机溶剂中，C60分子能够成为单线态氧(1O2)和超氧自由基离子(O·－2)等活性氧自由基(ROS)产生的前体［21］.然而，当C60在水介质中形成纳米晶体颗粒后，在非生物系统中的实验研究表明，作为C60分子本身的光化学反应特征消失了，C60纳米晶体颗粒不具有光化学反应活性，不能产生ROS［22］.但也有研究表明，C60与γ－环糊精和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等聚合物形成的络合物具有光化学反应活性，能够产生ROS，诱导DNA断裂和脂肪酸过氧化［17，23－24］，暗示了C60纳米晶体颗粒的光化学反应活性能够被水介质中出现的特定物质诱导而恢复，但对于诱导机制尚不清楚.

本文利用物理化学试验、紫外－可见吸收光谱、动态光散射仪(DLS)和透射电子显微镜(TEM)等实验手段检测并分析了C60纳米晶体颗粒在阳离子、阴离子和非离子表面活性剂中的光化学反应特性，深入研究了水介质中扩散状态对C60纳米晶体颗粒光化学反应活性的影响.

1 材料与方法

1.1 C60纳米晶体颗粒的制备

称取C608 mg，与20 mL甲苯混合后，置于摇床上振荡24 h.确定C60完全溶解后，再加入80 mL超纯水.将容器密封，置于超声清洗机中超声(80 Hz)48 h，使C60从甲苯转移到水中.超声结束后，用旋转蒸发仪蒸发掉甲苯，然后使剩余液体通过220 nm滤膜，滤除剩余C60固体.测定得到的C60纳米晶体颗粒的浓度，妥善保存备用［7，13］.

1.2 C60纳米晶体颗粒在表面活性剂中的扩散

分别选取阳离子表面活性剂(Hexadecyltrimethylammonium bromide(CTAB))、阴离子表面活性剂(Sodium dodecyl sulfate(SDS))和非离子表面活性剂(Triton X－100(TX－100)、Triton X－405(TX－405))，研究其对C60纳米晶体颗粒光化学反应活性的影响.表面活性剂溶液浓度均控制在临界胶束浓度以上.将20 mL 5mg·L－1的C60纳米晶体颗粒加入等体积上述表面活性剂中，避光，在转速为300 r·min－1的搅拌器上搅拌24 h备用.

1.3 光化学反应活性检测

1O2的浓度通过糠醇(furfuryl alcohol，FFA)指示剂(二级反应速率常数k(FFA+1O2)=1.2×108L·mol－1·s－1)测定.分别吸取3 mL FFA和27 mL表面活性剂扩散的C60纳米晶体颗粒到40mL的石英玻璃反应器中，光照2 h.光化学反应器装有6个4 W的BLBL(BLACK LIGHT BLUE LAMPS)光源，激发波长范围350—400 nm，入射光强度3.33×10－4Einstein·min－1·L－1.FFA初始浓度设定在10 mmol·L－1.每20 min取样1 mL，过滤(Anotop 25 plus 0.22 μm滤膜，Waters)后，FFA浓度通过Agilent 1100 HPLC/DAD 测定，采用 Zorbax SB－C18 反相色谱柱(4.6 mm ×150 mm，5 μm)，流量 1.0 mL·min－1.扩散在 TX－100 中的nC60溶液的光化学反应活性测定时，FFA的测定采用Eclipse Plus C18反相色谱柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)，流量 1.0 mL·min－1.所有实验在相同条件下重复 3 次.

1.4 C60纳米晶体颗粒表征

扩散在表面活性剂中的C60纳米晶体颗粒通过紫外－可见吸收光谱、DLS和TEM分别表征其典型吸收峰的最大吸收波长变化、尺寸及表观特征.C60纳米晶体颗粒、表面活性剂及二者混合液的紫外－可见吸收光谱由紫外－可见分光光度计(Varian Cary 50)测定.利用Zetasizer Nano ZS90测定C60纳米晶体颗粒的尺寸，最低检测限为5 nm.应用TEM(JEM 2100)检测C60纳米晶体颗粒表观形状和尺寸，首先将C60纳米晶体颗粒浓缩10倍，然后滴加在碳/聚乙烯醇缩甲醛镀膜的200目铜网上，成像软件为Image Pro.

1.5 C60浓度测定

吸取2 mL的C60纳米晶体颗粒到10 mL玻璃小瓶，然后加入1 mL 1mol·L－1Mg(ClO4)2和2 mL色谱纯的甲苯，混合搅动24 h，在－20℃条件下冷冻，然后通过吸光度测定确定甲苯溶液中C60浓度［13］.

2 结果与讨论

2.1 C60纳米晶体颗粒的光化学反应活性

图1显示了FFA在阳离子、阴离子和非离子表面活性剂扩散的C60纳米晶体颗粒中的降解动力学.在C60纳米晶体颗粒的空白液中，FFA并没有显示降解，表明C60纳米晶体颗粒没有产生1O2.与C60纳米晶体颗粒的空白液相对照，阳离子表面活性剂CTAB扩散的C60纳米晶体颗粒中，FFA没有发生降解，也不能产生1O2，如图1a所示.阴离子表面活性剂SDS本身能够产生微量1O2，而在C60纳米晶体颗粒扩散到SDS中后对于FFA的降解没有影响，如图1b所示.在非离子表面活性剂扩散的C60纳米晶体颗粒中，对于TX－405，FFA没有显示任何降解，但是在TX－100中，FFA在实验时间内发生快速降解(图1c)，表明这种表面活性剂能够快速诱导C60纳米晶体颗粒产生光化学反应活性.

2.2 紫外－可见吸收光谱

图2显示了阳离子、阴离子和非离子表面活性剂扩散的C60纳米晶体颗粒的紫外－可见吸收光谱.C60纳米晶体颗粒在347 nm处具有典型吸收峰，而C60分子在甲苯和正己烷等有机溶剂中以分子形态存在时在330 nm左右具有典型吸收峰.在347 nm处典型吸收峰的存在是C60纳米晶体颗粒以聚集形态存在的直接证明.与C60纳米晶体颗粒的对照液相比较，在阳离子表面活性剂CTAB中，C60纳米晶体颗粒的典型吸收峰没有发生偏移，而在阴离子表面活剂SDS中，典型吸收峰向紫外方向发生微小移动，在非离子表面活性剂TX－100和TX－405溶液中，C60纳米晶体颗粒的典型吸收峰向紫外区发生明显的迁移，尤其在TX－100溶液中，C60纳米晶体颗粒的典型吸收峰的最大吸收波长已由347 nm偏移至330 nm，与C60分子的典型吸收峰的最大吸收位置基本相同.

图1 FFA在表面活性剂扩散的C60纳米晶体颗粒中的降解动力学Fig.1 Kinetics of FFA degradation with C60nanocrystallines dispersed in surfactants

图2 表面活性剂扩散的C60纳米晶体颗粒紫外－可见吸收光谱Fig.2 UV－vis spectra of C60nanocrystallines dispersed in surfactants

2.3 DLS 分析

DLS分析结果表明，在CTAB和SDS溶液中，C60纳米晶体颗粒的水动力学直径无明显变化，但在非离子表面活性剂TX－100中，C60纳米晶体颗粒的水动力学直径明显降低，由115.1 nm减小到22.38 nm，表明在非离子表面活性剂TX－100中，C60纳米晶体颗粒被明显扩散.

表1 表面活性剂溶液扩散的C60纳米颗粒的动力学直径Table 1 Hydrodynamic diameter of C60nanocrystallines dispersed in surfactants

2.4 TEM 检测

在非离子表面活性剂扩散的TX－100溶液中，TEM的成像结果进一步证明了DLS的分析结果.C60纳米晶体颗粒尺寸明显减小，并且趋向分散体系(图3).分散态的C60纳米晶体颗粒直径为约1 nm，表明C60纳米晶体颗粒在非离子表面活性剂扩散的TX－100溶液中向分子状态转变.

2.5 C60提取

水介质中C60的浓度常用甲苯提取测定，首先加入弱氧化剂及盐Mg(ClO4)2，去除C60纳米晶体颗粒表面电荷，使其聚沉，然后加入甲苯溶液剧烈搅动，使C60从水相转移至甲苯溶液中.本实验中，在C60纳米晶体颗粒的对照液中，C60在甲苯中的浓度为2.38 mg·L－1;在CTAB和SDS中，C60能够像C60纳米晶体颗粒的对照液一样从水相转移至甲苯溶液中，浓度为2.31 mg·L－1;在TX－405溶液中，在甲苯溶液中能够检测到大约1.12 mg·L－1的C60浓度;而在非离子表面活性剂扩散的TX－100溶液中，C60不能提取，表明C60纳米晶体颗粒被非离子表面活性剂扩散后难以用常规液－液提取方法测定C60浓度，表明在不同的表面活性剂中，C60与表面活性剂结合程度不同.

综上所述，C60在不同的表面活性剂溶液中呈现出不同的光化学反应活性特征既与表面活性剂的电性有关，又与表面活性剂分子的结构有关.C60纳米晶体颗粒表面带有负电荷，在阳离子表面活性剂中，由于电性相反易发生电性中和，使C60聚沉;在阴离子表面活性剂中，电性相同发生排斥作用，C60纳米晶体颗粒难以与阴离子表面活性剂发生相互作用;而非离子表面活性剂不带电荷，因而C60易分散在非离子表面活性剂中，但非离子表面活性剂的疏水部分结构明显影响其对C60纳米晶体颗粒的分散程度.如图4显示了本实验中所用的非离子表面活性剂TX－100和TX－405的分子结构.TX－405与TX－100的区别在于在疏水端苯环上的烷基链长度不同.本实验的结果表明，TX－100能够最大程度扩散C60纳米晶体颗粒.非离子表面活性剂对于C60纳米晶体颗粒光化学反应活性的诱导不但与疏水端芳香环有关，而且与芳香环上的烷基链有关.

图3 表面活性剂扩散的C60纳米晶体颗粒的TEM检测Fig.3 TEM images of C60nanocrystallines and C60 nanocrystallines dispersed in TX－100

图4 TX－100和TX－405的分子结构Fig.4 Molecular structure of TX－100 and TX－405

水介质中C60纳米晶体颗粒引起生物体细胞膜的脂质过氧化一直被认为是C60纳米晶体颗粒具有生物毒性的潜在原因之一，但由于已有研究表明，C60在水介质中形成聚集体后失去了光化学反应活性，对于脂质过氧化的机制并不明确.本实验研究的TX－100系列常被用作模型生物膜，其对于C60纳米晶体颗粒的光化学反应诱导，暗示了生物系统内的细胞膜结构有可能对光化学反应活性具有诱导作用，产生活性氧自由基，进而损害细胞膜结构.而且，计算机的模拟研究也表明，C60纳米晶体颗粒能够迁移进入模型磷脂双分子层和脂质体囊泡内部，并且在膜内部C60聚集体逐渐解聚［25］.

3 结论

水介质中C60纳米晶体颗粒在表面活性剂中扩散后，其光化学反应活性会发生变化，并且这种变化因表面活性剂种类不同而不同.其中非离子表面活性剂TX－100能够明显改变C60纳米晶体颗粒的扩散状态，使其趋于形成更加均匀的体系，从而使其光化学反应活性发生极其明显的变化.可见，C60纳米晶体颗粒的光化学反应活性能够被诱导.

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