纳米材料多维分离纯化系统的研制

The development and application of nanomaterials strongly depends on the assessment of their environmental and biological safety, which urgently requires the separation and purification techniques and instruments for nanomaterials. Currently available techniques are designed mainly for the separation and purification of small or macromolecules, and are not suitable for the preconcentration, separation and purification of nanomaterials in complex matrices. In this proposal, we plan to (i) develop some key instrument parts like membrane filter and monolithic column for size exclusion chromatography by using new mechanism and techniques such as recyclable supramolecular membranes, which can be fabricated by on-line self-assembly and dissolution, for the separation of nanomaterialand based on their characteristics ; (ii) combine on-line membrane filtration, hollow fiber membrane-based flow field-flow fractionation, and size exclusion chromatography with isoelectric focusing electrophoresis to develop a multiple instrument system for the separation and purification of nanomaterials; (iii) study the transport and transformation of some typical nanomaterials like nano-silver in environment and organism, and reveal the mechanism for the impacts of size and surface potential of nanomaterials on their environmental processes and biological effects. The implement of this project will provide key and fundamental data for evaluating the environmental risk of nanomaterials, which is of both academic and practical importance for the safe application of nanomaterials and nanotechnology.

纳米材料的应用和发展亟需评估其环境和生物安全性，相关研究迫切需要纳米材料的分离纯化技术和装置。现有的分离纯化技术大多是针对小分子和大分子而设计的，不能满足复杂基体中纳米材料的富集、分离和纯化的要求。本项目拟针对纳米材料分离的特点，通过应用可在线自组装和溶解的可循环使用的超分子膜等新技术和新原理，研制适合纳米材料分离纯化的滤膜和体积排阻色谱柱等关键部件；在此基础上，构建由在线膜过滤、中空纤维膜场流分离、体积排阻色谱和等电聚焦电泳等分离技术组成的纳米材料多维分离纯化系统，实现复杂体系中纳米材料的富集、分离和纯化；利用研制的纳米材料多维分离纯化系统，研究纳米银等几种典型的纳米材料在环境和生物体中的迁移转化行为，揭示粒径和表面电荷等对纳米材料环境过程和生物效应的影响机制。项目的实施，将为科学评估纳米材料的环境风险提供关键的技术和基础数据，对安全使用纳米材料和技术具有重要的学术和应用价值。

纳米材料的环境行为和生物安全性研究迫切需要分离纯化纳米材料的技术和装置，但现有的分离纯化技术大多是针对分子和离子而设计的，不能满足复杂基体中纳米材料的富集、分离和纯化的要求。本项目研制了纳米材料多维分离纯化系统，为纳米材料环境行为和生物安全性评价研究提供了关键技术和装置。仪器系统由五大模块组成，其中膜过滤分离模块可将纳米材料粗分为大粒径和小粒径纳米颗粒两大部分；中空纤维膜流场流分离模块主要用于分离纯化大粒径纳米材料，它在膜过滤分离工作模式下过滤去除分子、离子和小粒径纳米材料，再在流场流模式下将大于10nm的纳米材料按粒径大小分离，可在22min内基线分离46nm和100nm的纳米材料；体积排阻色谱分离模块主要用于小粒径纳米材料的分离，可在8min内基线分离粒径分别为2、4、10nm的三种纳米材料；离子交换色谱分离模块用于分离粒径相同但表面包覆剂不同的纳米材料，可在10min内分离粒径10nm、包覆剂分别为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和柠檬酸的两种纳米材料；自动控制模块可对分离模块进行自动控制并采集数据。将本仪器与激光粒度分析仪、紫外-可见检测器和电感耦合等离子体质谱仪等检测仪器在线联用，实现了纳米材料的高灵敏分析和表征。本仪器性能稳定，使用操作方便，运行成本低，已成功用于分离测定复杂基质中的纳米高聚物、金属、金属氧化物、石墨烯等材料，并推广应用到其他单位。项目还利用研制的纳米材料多维分离纯化系统，发展了复杂基质中纳米材料的分离测定方法，研究了纳米银等几种典型的纳米材料在环境和生物体中的迁移转化行为，揭示了粒径和环境因素等对纳米材料环境过程和生物效应的影响机制，为科学评估纳米材料的环境风险提供了关键的技术和基础数据。