瓊脂糖凝膠電泳法分離金屬性和半導(dǎo)體性單壁碳納米管

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摘 要 瓊脂糖凝膠電泳（AGE）是實(shí)現(xiàn)金屬性單壁碳納米管（m-SWCNTs）和半導(dǎo)體性單壁碳納米管（s-SWCNTs）低成本、規(guī)模化分離的有效技術(shù)之一。本研究利用瓊脂糖凝膠電泳分離單壁碳納米管。通過(guò)紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜和拉曼光譜對(duì)色譜帶進(jìn)行分段表征，發(fā)現(xiàn)電泳中遷移的最快的部分m-SWCNTs含量最高。考察了瓊脂糖的濃度對(duì)SWCNTs中m-SWCNTs分離的影響。結(jié)果表明： 高的瓊脂糖濃度有利于m-SWCNTs的富集，可以通過(guò)擴(kuò)大電荷密度帶來(lái)的遷移速率的差異來(lái)使SWCNTs中的m-SWCNTs得到更有效的分離。

關(guān)鍵詞 單壁碳納米管；瓊脂糖凝膠電泳；紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜；拉曼光譜

1 引 言

單壁碳納米管（Single-walled carbon nanotubes， SWCNTs）具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)和熱力學(xué)性能，在電子器件、碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料、生物醫(yī)學(xué)和軍事等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1～3]。但是，現(xiàn)有的制備手段得到的SWCNTs幾乎都是其金屬性單壁碳納米管（Metallic single-walled carbon nanotubes， m-SWCNTs）和半導(dǎo)體性單壁碳納米管（Semiconducting single-walled carbon nanotubes， s-SWCNTs）的混合物，這在一定程度上限制了SWCNT基于其單一電學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用。例如， 納米電路的導(dǎo)線需要m-SWCNT [4]，而納米級(jí)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管則需要s-SWCNT，m-SWCNT的存在會(huì)阻礙電子轉(zhuǎn)換效應(yīng)，從而使整個(gè)FET的性能降低[5]。因此分離出具有單一性能的SWCNTs具有重要意義。目前已有分離技術(shù)包括：等離子體化學(xué)氣相沉積法[6]、交流電泳分離法[7]、超高速離心法[8]選擇性破壞法[9]和生物法[10]等。但這些技術(shù)普遍存在成本高、耗時(shí)和制備量小等缺點(diǎn)。

Tanaka等采用瓊脂糖凝膠電泳法（AGE）實(shí)現(xiàn)了對(duì)m-SWCNTs和s-SWCNTs的分離[11～14]。該方法簡(jiǎn)單、成本低，且有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模化，可同時(shí)獲得m-SWCNTs和s-SWCNTs，但是分離純度不佳。

AGE技術(shù)對(duì)SWCNTs的分離非常依賴于分散劑的種類(lèi)以及凝膠體系的選擇。十二烷基硫酸鈉（SDS）分散的SWCNTs表現(xiàn)出極好的分離結(jié)果，這是由于SDS分散的s-SWCNTs表面吸附了較少的SDS分子，與瓊脂糖之間具有較大的親和力；而m-SWCNTs吸附的SDS分子相對(duì)較多，與瓊脂糖的作用力相對(duì)較弱。因而在電場(chǎng)力作用下，表面帶有大量負(fù)電荷的m-SWCNTs很容易擺脫瓊脂糖凝膠的束縛而發(fā)生遷移，從而實(shí)現(xiàn)m-SWCNTs和s-SWCNTs的分離。本研究考察了影響分離純度的若干因素。結(jié)果表明，加入無(wú)機(jī)鹽對(duì)m-SWCNTs和s-SWCNTs表面吸附性質(zhì)影響很大[15]，而且不同種類(lèi)的瓊脂糖凝膠也會(huì)對(duì)m-SWCNTs和s-SWCNTs的分離產(chǎn)生相應(yīng)的影響。凝膠強(qiáng)度為2500 g/cm2 （1.5%）的瓊脂糖分離m-SWCNTs的純度最高[16]。在此基礎(chǔ)上，本研究選用分離效率較高的高凝膠強(qiáng)度電泳特制瓊脂糖（Nacalai. tesque，Agarose），考察了不同濃度的瓊脂糖對(duì)SDS-SWCNTs分離的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分