琼脂糖凝胶电泳法分离金属性和半导体性单壁碳纳米管

摘要琼脂糖凝胶电泳( AGE) 是实现金属性单壁碳纳米管( m-SWCNTs) 和半导体性单壁碳纳米管( s-
SWCNTs) 低成本、规模化分离的有效技术之一。本研究利用琼脂糖凝胶电泳分离单壁碳纳米管。通过紫外-可见-近红外吸收光谱和拉曼光谱对色谱带进行分段表征，发现电泳中迁移的最快的部分m-SWCNTs 含量最高。考察了琼脂糖的浓度对SWCNTs 中m-SWCNTs 分离的影响。结果表明: 高的琼脂糖浓度有利于m-SWCNTs的富集，可以通过扩大电荷密度带来的迁移速率的差异来使SWCNTs 中的m-SWCNTs 得到更有效的分离。

    单壁碳纳米管( Single-walled carbon nanotubes，SWCNTs) 具有独特的结构和优异的电学、力学和热力学性能，在电子器件、碳纳米管增强复合材料、生物医学和军事等领域有着广阔的应用前景［1 ～ 3］。但是，现有的制备手段得到的SWCNTs 几乎都是其金属性单壁碳纳米管( Metallic single-walled carbonnanotubes，m-SWCNTs) 和半导体性单壁碳纳米管( Semiconducting single-walled carbon nanotubes，s-SWCNTs) 的混合物，这在一定程度上限制了SWCNT 基于其单一电学性质的应用。例如，纳米电路的导线需要m-SWCNT［4］，而纳米级的场效应晶体管则需要s-SWCNT，m-SWCNT 的存在会阻碍电子转换效应，从而使整个FET 的性能降低［5］。因此分离出具有单一性能的SWCNTs 具有重要意义。目前已有分离技术包括: 等离子体化学气相沉积法［6］、交流电泳分离法［7］、超高速离心法［8］选择性破坏法［9］和生物法［10］等。但这些技术普遍存在成本高、耗时和制备量小等缺点。
    Tanaka 等采用琼脂糖凝胶电泳法( AGE) 实现了对m-SWCNTs 和s-SWCNTs 的分离［11 ～ 14］。该方法简单、成本低，且有望实现规模化，可同时获得m-SWCNTs 和s-SWCNTs，但是分离纯度不佳。AGE 技术对SWCNTs 的分离非常依赖于分散剂的种类以及凝胶体系的选择。十二烷基硫酸钠( SDS) 分散的SWCNTs 表现出极好的分离结果，这是由于SDS 分散的s-SWCNTs 表面吸附了较少的SDS分子，与琼脂糖之间具有较大的亲和力; 而m-SWCNTs 吸附的SDS 分子相对较多，与琼脂糖的作用力相对较弱。因而在电场力作用下，表面带有大量负电荷的m-SWCNTs 很容易摆脱琼脂糖凝胶的束缚而发生迁移，从而实现m-SWCNTs 和s-SWCNTs 的分离。本研究考察了影响分离纯度的若干因素。结果表明，加入无机盐对m-SWCNTs 和s-SWCNTs 表面吸附性质影响很大［15］，而且不同种类的琼脂糖凝胶也会对m-SWCNTs 和s-SWCNTs 的分离产生相应的影响。凝胶强度为2500 g /cm2( 1． 5%) 的琼脂糖分离m-SWCNTs 的纯度最高［16］。在此基础上，本研究选用分离效率较高的高凝胶强度电泳特制琼脂糖( Nacalai． tesque，Agarose) ，考察了不同浓度的琼脂糖对SDS-SWCNTs 分离的影响。