韓延?xùn)|，韓明勇，楊文勝，2

（1.天津大學(xué)分子+研究院,天津300072；2.吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院,長(zhǎng)春130012）

二氧化硅（SiO2）是自然界最為豐富的物質(zhì)之一［1］. 1864年Graham［2］采用溶膠-凝膠技術(shù)首次獲得凝膠狀SiO2，迄今，利用此方法制備的各種SiO2材料已被大量生產(chǎn)并得到了廣泛的應(yīng)用. 尤其是在催化［3，4］、吸附［5，6］、分離［7，8］和生物醫(yī)藥［9～11］等領(lǐng)域的重要應(yīng)用前景，有序介孔結(jié)構(gòu)的SiO2材料一直備受關(guān)注. 1992年Kresge 等［12］首先發(fā)現(xiàn)以表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）為介孔導(dǎo)向劑，硅酸酯在醇/水混合體系中經(jīng)水解/縮合過(guò)程形成均勻的孔徑為3～4 nm 的六角形介孔SiO2. 隨后以CTAB 為介孔導(dǎo)向劑的溶膠-凝膠策略被擴(kuò)展應(yīng)用于合成不同種類(lèi)的有序介孔材料，包括金屬氧化物［13］、有機(jī)聚合物［14］、過(guò)渡金屬［15］等. 該溶膠-凝膠法制備介孔SiO2分為如下過(guò)程：（1）硅酸酯水解；（2）介孔導(dǎo)向劑與硅酸脂水解物種間的自組裝；（3）水解物種間的縮合［16，17］. 反應(yīng)體系的pH、溫度、凝膠化時(shí)間、表面活性劑濃度及抗衡離子種類(lèi)等對(duì)這3個(gè)過(guò)程較為敏感，通過(guò)改變這些變量可以對(duì)介孔SiO2的孔徑和結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效調(diào)控［18］.

Fig.1 Schematic representation of various mesoporous silica nanomicrostructures prepared by the sol-gel approach[22～27]

此后研究者也嘗試使用其它表面活性劑，如嵌段共聚物或非離子型表面活性劑等調(diào)控介孔SiO2的孔道尺寸及形狀［19］，但以CTAB 為介孔導(dǎo)向劑的溶膠-凝膠法仍是迄今為止制備介孔SiO2材料最為常見(jiàn)的方法［20，21］. 為了改善和提高介孔SiO2材料的性能以拓展其應(yīng)用范圍，近年來(lái)研究者構(gòu)筑了各種復(fù)雜的介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)，包括單殼層空心、多殼層空心、蛋黃殼層、雙面神、納米管狀、薄膜等不同類(lèi)型的納微結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）［22～27］. 本文綜述了利用溶膠-凝膠法構(gòu)筑介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展及其在生物、醫(yī)藥、催化、吸附等領(lǐng)域的應(yīng)用研究，并對(duì)這一領(lǐng)域所面臨的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望.

1 介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑

1.1 球形介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)

1.1.1 實(shí)心介孔SiO2由于操作簡(jiǎn)單、條件溫和、變量多樣，如CTAB濃度、溫度、溶劑極性或其它助模板劑等，以CTAB為介孔導(dǎo)向劑的溶膠-凝膠法可以更有效地調(diào)控實(shí)心介孔SiO2粒子的尺寸、尺寸分布及孔徑的均一性，已成為介孔SiO2粒子制備的重要方法［20］. 其優(yōu)點(diǎn)在于可以在較低溫度下在溶液中形成介孔結(jié)構(gòu)，而且通過(guò)對(duì)CTAB 分子濃度進(jìn)行調(diào)控或化學(xué)修飾，就可以較容易地調(diào)控介孔SiO2粒子的尺寸和孔徑［12，16］. 至今，利用CTAB為模板的溶膠-凝膠法改善介孔SiO2的尺寸、結(jié)構(gòu)、性能及其應(yīng)用仍然是介孔SiO2材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn).

Fig.2 Illustration of the formation mechanism of the defrmable hollow mesoporous silica spheres(A),TEMimages of deformable hollow mesoporous silica via the preferential etching approach for the thioether-bridged mesostructured silica spheres incubated in NaOH aqueous solution(0.48 mol/L)for 1(B1),3(B2),5(B3)and 20 min(B4). The arrow in(B2)indicates the voids[22]

1.1.2 單殼層空心介孔SiO2由于具有較大的內(nèi)部空腔和較高的比表面積，單殼層空心介孔SiO2微球備受關(guān)注，在藥物存儲(chǔ)/釋放、催化、吸附、分離等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景［28～33］. 1996年，Stucky等［34］在乳液體系中利用陽(yáng)離子表面活性劑為介孔導(dǎo)向劑進(jìn)行硅酸脂水解/縮合形成空心介孔SiO2. 隨后，Wang等［35］在非離子表面活性劑穩(wěn)定的水/油乳液中，也能夠得到空心介孔SiO2微球. 除油包水體系外，其它水包油體系［36～39］、水-油-水體系［40］或油-水-油體系［41］等，都可以控制硅酸脂前體在油-水界面的水解/縮合得到空心介孔SiO2微球. 雖然乳液體系的穩(wěn)定性較差，但在以CTAB為介孔導(dǎo)向劑的溶膠-凝膠法中通過(guò)優(yōu)化醇/水比和CTAB 的使用濃度，可以調(diào)控正硅酸乙酯（TEOS）的水解/縮合速率，形成相對(duì)穩(wěn)定的微乳液油滴（水包油），再經(jīng)緩慢的水解/縮合過(guò)程不但可以得到粒徑均一的空心介孔SiO2微球，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)微球尺寸（210～720 nm）和殼層厚度（40～140 nm）的有效調(diào)控［42］. 近年來(lái)的研究還發(fā)現(xiàn)，在空心SiO2的骨架中引入鍵長(zhǎng)和鍵角易于改變的有機(jī)組份，可以使空心SiO2粒子殼層具有一定的柔性，從而賦予粒子結(jié)構(gòu)形變的能力［43，44］. 如Lu等［22］采用CTAB為介孔導(dǎo)向劑的溶膠-凝膠法，在醇/水溶液中加入雙硅源前體，TEOS和雙［3-（三乙氧基甲硅烷基）丙基］四硫化物（TESPTS），可形成有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化的介孔SiO2粒子. 該粒子刻蝕后，縮合度較低的內(nèi)核部分會(huì)被選擇性刻蝕掉，形成空心介孔結(jié)構(gòu)［圖2（A）］. 當(dāng)殼層厚度降低到20～38 nm之間時(shí)，粒子的柔性明顯增加，烘干后會(huì)形成清晰的皺褶形狀［圖2（B1）～（B4）］. 研究結(jié)果表明，該空心介孔粒子的楊氏模量可以降低到3.95～47.7 MPa. 這種柔性的空心介孔SiO2膠囊加載抗癌藥物后，表現(xiàn)出更高的細(xì)胞攝取效率和對(duì)癌細(xì)胞的殺傷作用. 除此之外，也有研究報(bào)道以聚合物［45］或其它膠體粒子［46］作為硬模板制備空心介孔SiO2，該類(lèi)硬模板在對(duì)空心介孔粒子的尺寸和殼層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)控方面更具優(yōu)勢(shì)，但需要更為苛刻的煅燒或刻蝕去除模板獲得空心介孔結(jié)構(gòu).

1.1.3 多殼層空心介孔SiO2與單殼層空心介孔SiO2相比，多殼層空心介孔SiO2具有多腔室的內(nèi)環(huán)境、可調(diào)的質(zhì)量傳輸通道、以及更大的面積/體積比［47，48］，可以進(jìn)一步拓展空心介孔SiO2在異相催化［49］、多級(jí)藥物釋放［50］、高性能鋰離子電池［51］、光子學(xué)器件［52，53］等領(lǐng)域的應(yīng)用. 在多殼層空心介孔SiO2的制備方法中，常見(jiàn)的是軟模板的方法［54～58］. 如Zhang等［54］以1，2-雙（三乙氧基甲硅烷基）乙烷（BTSE）為硅源和非離子表面活性劑聚環(huán)氧乙烷-b-聚環(huán)氧丙烷-b-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物（P85）為介孔導(dǎo)向劑，在酸催化條件下經(jīng)溶膠-凝膠過(guò)程，制備了殼層數(shù)為2～7層的海綿狀多殼層空心介孔SiO2微球. 此外也有眾多研究者為調(diào)控多殼層空心SiO2微球的殼層厚度和殼層間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用硬模板的方法［48，49］.如Li 等［59］以TEOS 作為硅源，聚甲基丙烯酸（PMAA）為硬模板，經(jīng)溶膠-凝膠過(guò)程層/層組裝生長(zhǎng)形成SiO2@PMAA@SiO2@PMAA@SiO2多殼層夾心結(jié)構(gòu)，高溫煅燒除去PMAA 模板層后，得到多殼層空心介孔SiO2微球. 但這種硬模板的制備方法需要反復(fù)離心純化和多次的投料后再生長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)步驟較為繁瑣，且容易產(chǎn)生自成核［48］，隨后的高溫煅燒也會(huì)在一定程度上導(dǎo)致多殼層結(jié)構(gòu)的損壞［49，59］. 近年來(lái)，研究者開(kāi)始嘗試?yán)脽o(wú)模板法制備多殼層空心介孔SiO2微球. 2011年，Chen等［60］在研究中發(fā)現(xiàn)，SiO2微球在水中加熱孵化時(shí)，其殼層會(huì)因?yàn)樗舛l(fā)生軟化（—Si—O—Si—縮合度降低）；在醇相中加熱孵化時(shí)其殼層會(huì)進(jìn)一步縮合而發(fā)生硬化（—Si—O—Si—縮合度升高）. 通過(guò)在醇或水中交替處理后多次生長(zhǎng)的SiO2微球，可以得到界面結(jié)構(gòu)具有明顯差異性的多殼層SiO2微球. 經(jīng)水中加熱進(jìn)行選擇性刻蝕后，軟殼層部分會(huì)被水溶解掉，而硬殼層部分會(huì)被保留，從而形成多殼層空心多孔SiO2微球. 2015 年，Zhao 等［61］以CTAB 為介孔導(dǎo)向劑，以TEOS 和BTSE 為雙硅源進(jìn)行共水解/縮合，得到了內(nèi)部縮合度較低，而外部縮合度較高的SiO2微球. 通過(guò)多次注入2種硅源分子進(jìn)行再生長(zhǎng)，也可以形成界面結(jié)構(gòu)具有明顯差異性的多殼層SiO2微球. 這種微球經(jīng)水熱處理并高溫煅燒去除CTAB后，可以轉(zhuǎn)化成多殼層空心介孔（約3.2 nm）SiO2. 本課題組［62］在對(duì)St?ber法中SiO2粒子的生長(zhǎng)過(guò)程研究中發(fā)現(xiàn)，TEOS的水解/縮合速率會(huì)隨反應(yīng)體系堿濃度的升高而加快，并且改變所使用堿催化劑的種類(lèi)可以調(diào)節(jié)水解和縮合速率的相對(duì)速度. 據(jù)此，以強(qiáng)堿性四甲基氫氧化銨（TMAH）作為催化劑，使反應(yīng)初期TEOS 水解更有優(yōu)勢(shì)，形成縮合度較低的SiO2粒子；而在反應(yīng)后期由于催化劑的消耗，TEOS 水解/縮合速率趨于相對(duì)平衡，所沉積的SiO2殼層具有較高的縮合度. 此外，定量的TEOS滴定實(shí)驗(yàn)證實(shí)TEOS的消耗量與TMAH的消耗呈線性關(guān)系，因此可以通過(guò)改變TMAH的使用量實(shí)現(xiàn)對(duì)層/層組裝生長(zhǎng)過(guò)程中SiO2粒子低縮合度和高縮合度殼層厚度的精準(zhǔn)調(diào)控［圖3（A）］，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多殼層空心介孔二氧化硅粒子的殼層數(shù)目、殼層厚度以及殼層間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控［圖3（B1）～（B3）］）［23］，為復(fù)雜多孔金屬氧化物納微結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑提供了新的設(shè)計(jì)思路.

1.1.4 蛋黃殼層結(jié)構(gòu)介孔SiO2由于具有可移動(dòng)核并且與外部介孔殼層之間具有較大的空腔，蛋黃殼層介孔結(jié)構(gòu)具有密度低、比表面積大、滲透性好、負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并且其內(nèi)核與外殼層還可具備不同的功能［63～66］，可應(yīng)用于藥物可控釋放［67，68］、催化［69，70］、能量存儲(chǔ)［71，72］等領(lǐng)域. 硬模板層/層組裝生長(zhǎng)是構(gòu)筑蛋黃殼層介孔結(jié)構(gòu)的常規(guī)方法. 如可以首先制備出內(nèi)核粒子，然后在內(nèi)核粒子表面層/層組裝生長(zhǎng)2層不同材質(zhì)的殼層，其中內(nèi)側(cè)的殼層可以通過(guò)刻蝕或煅燒選擇性去除，而外側(cè)殼層和內(nèi)核粒子得以保留［73～75］. 這種硬模板法可以較好地控制蛋黃殼介孔微球的內(nèi)核尺寸、空腔大小、外殼層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù). 利用軟模板法如乳液途徑［76，77］也可以構(gòu)筑出復(fù)雜的蛋黃殼層介孔結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)微納結(jié)構(gòu)調(diào)控的精準(zhǔn)度尚有所不足. 此外，也有課題組利用柯肯達(dá)爾效應(yīng)（Kirkendall effect）制備蛋黃殼層介孔結(jié)構(gòu)［78，79］. 該方法利用刻蝕過(guò)程中溶質(zhì)在粒子內(nèi)部不同殼層部位擴(kuò)散速率的差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)微球內(nèi)核尺寸和外殼層厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)控. 2008年，Yin等［80］研究發(fā)現(xiàn)，利用溶膠-凝膠法制備的無(wú)定形SiO2粒子在NaBH4堿溶液中孵化時(shí)，粒子內(nèi)部更容易受到刻蝕，然后再生長(zhǎng)形成新的多孔外殼. 通過(guò)改變孵化時(shí)間和孵化溫度可以得到不同尺寸的蛋黃殼層多孔的SiO2. 2009年，Tang等［81］在研究中也發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)控硅酸酯的水解/縮合過(guò)程，可以使SiO2粒子形成內(nèi)核與外殼層縮合度較高，而中間夾層縮合度較低的夾心結(jié)構(gòu)，此時(shí)通過(guò)選擇性刻蝕就可以去除縮合度較低的中間夾層，得到具有蛋黃殼層多孔結(jié)構(gòu)的SiO2微球. 由于在溶膠-凝膠過(guò)程中沒(méi)有引入介孔導(dǎo)向劑，上述研究中所得到的SiO2微球外殼層都是無(wú)序的多孔結(jié)構(gòu). 2014年，Teng 等［24］以TEOS和BTSE為雙硅源，以CTAB 為介孔導(dǎo)向劑，通過(guò)雙硅源共水解/縮合制備了具有介孔結(jié)構(gòu)的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化的SiO2微球. 由于BTSE的水解/縮合速率低于TEOS，導(dǎo)致微球從內(nèi)至外縮合度和化學(xué)成分存在差異，水中加熱孵化后，縮合度相對(duì)較低的中間夾層部分發(fā)生溶解，從而形成尺寸較為均一的蛋黃殼層介孔SiO2微球. 通過(guò)改變2種硅酸酯前體的摩爾比和CTAB 的用量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微球尺寸的有效調(diào)控（110～380 nm），微球的最大比表面積可達(dá)到975 m2/g. 由于使用CTAB 作為介孔導(dǎo)向劑，制備微球的孔徑均為3.2 nm 左右. 又由于使用BTSE作為硅源與TEOS共水解/縮合，孵化處理后微球內(nèi)部仍會(huì)殘留大量的有機(jī)基團(tuán)（乙基），與使用單一TEOS硅源制備的介孔SiO2相比，這種有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化的介孔SiO2在高濃度條件下仍呈現(xiàn)良好的非溶血活性（圖4）.

Fig.3 Schematic representation for fabrication of the multi-shelled hollow mesoporous silica spheres via the in situ seed growth(A), TEM images of multishelled hollow silica spheres after incubating solid spheres prepared by two(B1),four(B2),and eight(B3)successive injections of TMAH into 500 mmol/L ethanol solution of TEOS[23]

1.2 非球形介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)

1.2.1 管狀介孔SiO2除了上述的空心、多殼層、蛋黃殼層等球形介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)以外，研究者也嘗試了其它非球形介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與構(gòu)筑. 如一維管狀的介孔SiO2，由于其內(nèi)壁和外壁表面均可實(shí)現(xiàn)功能化，在生物分離、催化等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景［82，83］. 2010年，Huang等［84］研究發(fā)現(xiàn)，新型組氨酸衍生的表面活性劑N-十二烷?；?L-組氨酸（DHis）在水溶液中存在聚集行為. 將其與陽(yáng)離子表面活性劑適量混合后，溶液會(huì)逐漸從透明均相變成果凍狀溶膠，并逐漸演變成表面帶有正電荷的纖維狀凝膠. 基于此過(guò)程，可以復(fù)制構(gòu)筑管狀介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑為約10 nm，外徑為約30 nm. 當(dāng)改變反應(yīng)溫度時(shí)，內(nèi)徑和外徑尺寸會(huì)有適當(dāng)變化（8～10 nm 和26～30 nm），但管壁厚度基本保持不變. 近期研究還發(fā)現(xiàn)，有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化的手性SiO2納米管表現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)和傳感特性［85，86］. 2019 年，Yang等［25］研究發(fā)現(xiàn)，以有機(jī)硅源1，2-二苯基-1，2-雙［4-（三乙氧基甲硅烷基）苯基］乙烯（BTSTPE）為前驅(qū)體，以手性陽(yáng)離子凝膠劑L-ValPyBr（由L-纈氨酸組成）或D-ValPyBr（由D-纈氨酸組成）的自組裝體作為模板，在堿性條件下經(jīng)溶膠-凝膠過(guò)程，可分別得到含四苯乙烯（TPE）的左旋（Silica-M）或右旋（Silica-P）的SiO2介孔納米管（圖5），由此得到的管狀介孔SiO2具有獨(dú)特的圓偏振發(fā)光特性.

1.2.2 薄膜型介孔SiO2以金屬、玻璃、石墨或光纖等為基底或支撐物沉積的二維薄膜型介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)，由于其具有較高的比表面積以及有序的介孔結(jié)構(gòu)，在光學(xué)、傳感、分離等領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值一直備受關(guān)注［87～89］. 在早期研究中，通常是通過(guò)硅酸酯前體在兩相界面通過(guò)溶膠-凝膠過(guò)程構(gòu)筑有序的介孔SiO2薄膜，此時(shí)由于沉積物與基材平行時(shí)，表面能更低，導(dǎo)致構(gòu)筑的介孔SiO2薄膜中孔道取向總是平行于薄膜表面［90，91］. 從應(yīng)用角度看，垂直于薄膜表面的孔道其性能可能更為優(yōu)越［92］. 近期有課題組嘗試使用熱解的石墨［93］或改性玻璃［94］為基底，通過(guò)π-π或親水-疏水相互作用改變介孔的取向，得到平行或垂直取向的介孔薄膜結(jié)構(gòu). 如Zhao等［26］以CTAC為介孔導(dǎo)向劑，基于雙相分層生長(zhǎng)策略，將玻璃基底浸入含有CTAC 和TEOS 的油水混合的兩相體系中. 通過(guò)調(diào)控TEOS 在CTAC 膠束表面的水解/縮合速率，經(jīng)緩慢的溶膠-凝膠過(guò)程，可最終形成孔道取向垂直于基底的薄膜型介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)，該介孔SiO2薄膜具有約50 nm的超薄厚度，以及約1420 m2/g的超高表面積（圖6）.

Fig.4 Schematic illustration for the sol-gel formation of yolk-shell mesoporous hybrid silica spheres with ordered radial mesochannels(A), TEM image of the as-made mesostructured inorganic-organic hybrid spheres(B),TEM image of the yolk-shell mesoporous hybrid spheres with ordered radial mesochannels prepared by incubating the as-made hybrid spheres in water at 70 ℃for 12 h(C),schematic representation for hemolysis experiments(top panel) and percentages of hemolysis of red blood cells(lower panel)incubated with the yolk-shell mesoporous hybrid silica spheres(a), mesoporous silica spheres prepared by using TEOS as precursor and CTAB as pore directing agent(b) and commercial St?ber amorphous silica spheres prepared by using TEOS as precursor at different concentrations(c)(D)[24]

Fig.5 Chemical structures of the chiral L-ValPyBr and D-ValPyBr and schematic illustration for formation of the single-handed helical TPE-containing silica nanotubes(A), FESEM images of TPE-containing silica-M(B)and silica-P(C)nanotubes[25]

Fig.6 Schematic illustration for the formation of membranous mesoporous silica via the simple biphase stratification growth strategy(A), SEM(B) and TEM(C) images of the membranous mesoporous silica[26]

1.2.3 雙面神結(jié)構(gòu)介孔SiO2除一維納米管、二維薄膜外，近年來(lái)在三維非球形介孔SiO2粒子制備方面也取得了突破. 如雙面神結(jié)構(gòu)介孔SiO2，由于其具有雙重的表面結(jié)構(gòu)和兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間，有利于雙客體分子的負(fù)載或不同材料的復(fù)合，從而賦予介孔SiO2粒子多功能特性［27，95～97］. 2014年，Li等［97］利用溶膠-凝膠法以CTAB為介孔導(dǎo)向劑制備了表面帶有大量的親水基團(tuán)（—Si—OH）的介孔SiO2微球，以此為種子，通過(guò)不斷滴加親油的BTSE硅源，在CTAB導(dǎo)向劑作用下通過(guò)異相成核/生長(zhǎng)，在親水微球表面形成親油的介孔SiO2方塊. 這種具有“球@方塊”結(jié)構(gòu)的雙面神型介孔SiO2不僅具備雙重浸潤(rùn)性，還具有雙重介孔孔道（2.1 和4.5 nm）. 2018 年，Zhao 等［27］也基于溶膠-凝膠法，通過(guò)表面電荷介導(dǎo)（Surface-charge-mediated）的策略成功合成出了具有疏水性碳和親水性SiO2空間隔離的雙介孔Fe3O4@mC@mSiO2雙面神納微結(jié)構(gòu)（圖7）. 其中親水性介孔SiO2棒部分具有可調(diào)的長(zhǎng)度（50～400 nm）和均一的孔道尺寸（約2.7 nm）；而疏水性介孔碳球部分也具有可調(diào)的體積（其直徑約為150 nm）和均一的孔徑（約10 nm）. 通過(guò)改變SiO2棒和碳球之間的體積比可以精確調(diào)控其親水/疏水比. 由于兼具兩親性和磁性，這種材料具有類(lèi)似表面活性劑的乳液穩(wěn)定能力以及在外加磁場(chǎng)下的可回收能力.

Fig.7 Schematic illustration for the formation of Janus mesoporous Fe3O4@mC@mSiO2 via the surface-chargecontrolled selective encapsulation(A),TEM image of the Janus mesoporous Fe3O4@mC@mSiO2(B)[27]

2 介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

由于具有均一介孔孔徑、較高的比表面積、較大的孔容、差異性界面結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，復(fù)雜的介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)用、催化、吸附、分離等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注.

2.1 生物醫(yī)學(xué)

由于單殼層或多殼層空心介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的藥物負(fù)載能力以及良好的生物相容性和生物降解能力，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用一直備受期待［98～102］. 如Shi 等［102］報(bào)道，通過(guò)水熱刻蝕的途徑可將溶膠-凝膠法制備的有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化的空心介孔SiO2粒子進(jìn)一步刻蝕成具有更大孔徑的空心介孔結(jié)構(gòu). 該粒子可以負(fù)載更大尺寸的客體分子，如可將抗癌藥鹽酸阿霉素（DOX）和P-糖蛋白（P-gp）調(diào)節(jié)的小干擾核糖核酸（siRNA）同時(shí)封裝到聚β-氨基酯-修飾的空心介孔SiO2粒子中. 這種載藥控釋體系具有更強(qiáng)的細(xì)胞穿透性和滯留作用，可以積聚在腫瘤中并被進(jìn)一步內(nèi)吞，從而有效殺死耐藥性的癌細(xì)胞［圖8（A1）～（A3）］. 此外，近期也有研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)空心介孔SiO2的殼層數(shù)目和構(gòu)建有機(jī)/無(wú)機(jī)的雜化結(jié)構(gòu)，可以更好地促使溶酶體逃逸和提高抗原的遞送功效，從而提升癌細(xì)胞的免疫效果［103～106］. 如Yu等［106］報(bào)道，將卵清蛋白或腫瘤細(xì)胞片段負(fù)載在雙殼層有機(jī)空心介孔SiO2上，與單殼層空心無(wú)機(jī)SiO2粒子相比，其腫瘤細(xì)胞碎片的釋放得到了明顯延長(zhǎng)［圖8（B1）～（B3）］. 皮下接種實(shí)驗(yàn)表明，有機(jī)硅的組成和雙殼層結(jié)構(gòu)可共同提高小鼠體內(nèi)的免疫刺激，皮下接種疫苗后可顯著延長(zhǎng)35 d 后50%小鼠的存活率，并抑制了腫瘤接種后的黑色素瘤. 從生物成像角度看，介孔SiO2獨(dú)特的納微結(jié)構(gòu)和良好的生物相容性有利于各類(lèi)熒光探針的負(fù)載，并可應(yīng)用于生物成像［107，108］. 2012年，Xiong等［108］報(bào)道，ZnO納米晶經(jīng)過(guò)三乙氧基硅烷、四乙氧基硅烷和氨丙基三乙氧基硅烷3種硅氧烷前體的層/層包覆，可得到單分散的ZnO@SiO2核-殼型粒子，在水、磷酸鹽緩沖液和細(xì)胞培養(yǎng)基中均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性. 通過(guò)改變ZnO納米晶的尺寸，可以得到藍(lán)色、綠色和黃色的ZnO@SiO2復(fù)合粒子，其熒光量子產(chǎn)率可分別達(dá)到53.8%，48.7%和33.5%［圖8（C1）～（C5）］. 細(xì)胞毒性和細(xì)胞吸收動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，不同顏色的ZnO@SiO2復(fù)合粒子均表現(xiàn)出低細(xì)胞毒性，是一類(lèi)有潛在應(yīng)用價(jià)值的生物成像材料.

Fig.8 TEM image(A1)of the large-pore hollow mesoporous organosilica nanoparticles(HMONs),and schematic structures of P-gp modulator siRNA and DOX co-loaded in HMONs(A2),photographic images of tumors after different immunotherapy(A3)[102],TEM image(B1)and schematic(B2)of the wall structure of double-shelled mesoporous organosilica hollow silica(DMOHS-2S),tumor cell fragments(TF)release profile from various nanoparticles in PBS solution(B3)[106], schematic structures of ZnO@silica nanoparticles(C1), photograph(C2) and confocal luminescence images of Hela cells incubated with 50 μg/mL of 2.5 nm-ZnO@silica(C3),3.5 nm-ZnO@silica(C4)and 4.2 nm-ZnO@silica(C5)particles at 37 ℃under 365 nm UV light[108]

2.2 異相催化

空心或蛋黃-殼介孔SiO2粒子由于具有較高的比表面積、較大的孔容、良好的穩(wěn)定性及易功能化的表面，是一類(lèi)較為理想的異相催化劑或催化劑載體［109～114］. Liu等［114］通過(guò)將手性N-磺?；坊袡C(jī)銠的絡(luò)合物固定在乙烯橋連的有機(jī)硅酸鹽中，可制備出手性有機(jī)銠官能化的空心介孔納米球. 該非均相催化劑在手性鄰苯二甲酸酯的合成中具有高催化活性和對(duì)映選擇性，且可方便地回收并多次重復(fù)使用. 此外，蛋黃-殼介孔結(jié)構(gòu)的SiO2在作為催化劑時(shí)，由于其外殼層可以較好地保護(hù)活性粒子的浸出和聚集，其內(nèi)核與外殼層又可具有協(xié)同作用，因此可更高效地促進(jìn)催化反應(yīng)進(jìn)行［115，116］. 2012 年，Yang等［116］通過(guò)選擇性刻蝕的方法制備出氨基-核/巰基-殼的空心介孔SiO2，該粒子的殼層厚度約為20 nm，核與殼之間的空隙間距約為24 nm. 在這種蛋黃-殼介孔結(jié)構(gòu)中，核上堿性催化位點(diǎn)（氨基）和殼上的酸性催化位點(diǎn)（巰基）由于在空間上既相對(duì)獨(dú)立，又彼此關(guān)聯(lián)，因此可以有效催化亨利-脫縮醛串聯(lián)反應(yīng)（Deacetalization-Henry cascade reaction），其催化活性要明顯優(yōu)于簡(jiǎn)單物理混合的酸性和堿性催化劑.Qiao等［117］利用囊泡軟模板的方法可制備出一種蛋黃-殼有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化的空心介孔SiO2. 該粒子的空隙間距約為4 nm，殼層厚度約為16 nm［圖9（A）］，而且通過(guò)浸漬和還原的方法可將各種金屬納米粒子（如Au，Pt和Pd等）封裝并限域在核與殼層之間的空間內(nèi)［圖9（B1）～（B3）］，從而改善和提高金屬粒子的催化活性. 如包裹了Pd 納米粒子的蛋黃-殼型粒子，在醇氧化成醛的反應(yīng)中，其催化轉(zhuǎn)化率可接近100%，選擇性可高達(dá)約99%［圖9（C）］.

Fig.9 TEM images of the yolk-shell hybrid silica nanoparticles at different magnifications(A),TEM image(B1), HRTEM image(B2), and HAADF-STEM image(B3) of Pd-containing yolk-shell hybrid silica nanoparticles,selective oxidation of various alcohols into aldehyde over Pd-containing yolk-shell hybrid silica nanoreactors(C)[117]

2.3 吸附和分離

由于出色的分離選擇性，分子印跡材料已經(jīng)在吸附分離領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［118～122］. 通過(guò)聚合物合成過(guò)程引入與目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)和形狀互補(bǔ)的模板分子，除掉模板后可以得到大小和形狀與模板分子互補(bǔ)的特異性結(jié)合位點(diǎn)［123～125］. 利用無(wú)機(jī)硅前體水解/縮合得到的介孔SiO2材料，其具有較大的比表面積和孔體積、明確且可調(diào)節(jié)的介孔通道、以及快速的吸附速率和易于功能化的表面，是一類(lèi)較為理想的分子印跡基質(zhì)材料［126，127］. 然而，在介孔SiO2的表面印記雖然很容易實(shí)現(xiàn)，但由于無(wú)機(jī)SiO2材料中—Si—O—Si—鍵剛性的化學(xué)特征，在吸附分離的應(yīng)用中很容易受到磨損而破壞印跡的結(jié)合位點(diǎn)［128］.進(jìn)一步，通過(guò)無(wú)機(jī)和有機(jī)硅前體的共水解/縮合的溶膠-凝膠過(guò)程，形成有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化的韌性孔壁結(jié)構(gòu)可以克服這些缺陷［129］. Ozin等［130］首先將雙酚A（BPA）印跡分子連接至功能性硅烷氧基單體上，生成共價(jià)結(jié)合的印跡前體，再以三嵌段共聚物為模板經(jīng)酸催化溶膠-凝膠過(guò)程，將該前體摻入到交聯(lián)的周期性介孔二氧化硅基質(zhì)中，并在介孔SiO2的孔壁中形成清晰的印跡位點(diǎn)，可以從水中選擇性地去除超過(guò)90%的雙酚. 近期，Liang等［131］也設(shè)計(jì)了一種功能性的雙酚A印跡單體［圖10（A）］，可通過(guò)溶膠-凝膠化學(xué)反應(yīng)將分子印跡引入到有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化的介孔SiO2膜中［圖10（B）］. 這種雙酚A印跡的介孔SiO2具有高度有序的周期性六邊形介孔結(jié)構(gòu)，比表面積為944.28 m2/g，在pH=6.5 時(shí)對(duì)雙酚A 的飽和吸附容量可達(dá)到16.8 mg/g［圖10（C）］，相對(duì)選擇性系數(shù)為1.06～3.20. 經(jīng)過(guò)5個(gè)萃取/洗脫循環(huán)后，雙酚A印跡介孔SiO2的吸附效率仍高達(dá)97.96%. 與未印跡的介孔SiO2相比，在從廢水中選擇性去除雙酚A 的實(shí)驗(yàn)中，印跡后的介孔SiO2體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)［圖10（D）］.

Fig.10 Schematic illustration for the synthesis of the functional monomer(A) and TEM image of the BPA(bisphenol A)imprinted mesoporous silica(BIMS)membrane(B),effect of pH on the binding capacity of the BIMS(C), binding capacity of the BIMS, non-imprinted mesoporous silica(NIMS), and bare mesoporous silica(MCM-41)(D)[131]

3 總結(jié)與展望

利用溶膠-凝膠法構(gòu)筑介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)的研究不但豐富和推動(dòng)了硅化學(xué)領(lǐng)域自身的發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了納米硅化學(xué)與生物醫(yī)學(xué)、催化、吸附與分離等學(xué)科的交叉與融合. 然而從溶膠-凝膠法出發(fā)構(gòu)筑的介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)，目前對(duì)于尺寸、形貌、孔徑、孔容、比表面積、縮合度、化學(xué)組分等調(diào)控更多地是依靠經(jīng)驗(yàn)方法，對(duì)這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)控還遠(yuǎn)未達(dá)到理性設(shè)計(jì)和構(gòu)筑的層面. 這是因?yàn)楣杷狨ヮ?lèi)型及硅酸酯分子水解/縮合的速率與CTAB間的相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的控制密切相關(guān). 特別是在堿催化下溶膠-凝膠反應(yīng)中，常規(guī)的硅烷試劑（如TEOS）與其它有機(jī)硅烷試劑在含有介孔導(dǎo)向劑的醇/水混合溶液中進(jìn)行水解/縮合反應(yīng)時(shí)，由于TEOS和其它硅烷試劑的水解/縮合速率不同，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)于所形成的介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控. 在介孔導(dǎo)向劑的作用下，系統(tǒng)研究和深入理解雙硅源或多硅源前體的水解/縮合的反應(yīng)機(jī)制，并探究水解/縮合速率與納微結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性是實(shí)現(xiàn)介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)理性設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)構(gòu)筑的前提.

此外，能否實(shí)現(xiàn)介孔SiO2材料通過(guò)人體腎臟等組織的有效清除及其在人體腫瘤組織中特異性積累的平衡是介孔SiO2粒子在生物醫(yī)藥應(yīng)用中所面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn). 同時(shí)，載藥后的介孔SiO2材料對(duì)腫瘤組織的靶向能力也至關(guān)重要，在腫瘤上的有效富集及剩余的部分通過(guò)腎臟等組織的快速清除對(duì)減少藥物的副作用是有益的. 通過(guò)調(diào)控溶膠-凝膠過(guò)程，精準(zhǔn)調(diào)控介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的活性位點(diǎn)（—Si—OH等）與—Si—O—Si—鍵的縮合度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)載藥控釋體系在體內(nèi)靶向和生物降解/腎臟清除之間的相對(duì)平衡，是介孔SiO2在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用中必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題. 如果能夠調(diào)控基于介孔SiO2載藥體系在體內(nèi)靶向和腎臟清除之間的平衡，這將有助于進(jìn)一步提高和改善腫瘤的檢測(cè)與治療效果.

作為催化劑或催化劑載體使用時(shí)，介孔SiO2相對(duì)有限的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性是其進(jìn)一步應(yīng)用推廣所必須解決的問(wèn)題. 利用水熱或溶劑熱方法合成的介孔SiO2材料具有較好的穩(wěn)定性，但目前還難于規(guī)模化制備. 深入理解溶膠-凝膠過(guò)程中不同反應(yīng)階段水解/縮合速率及其平衡關(guān)系，設(shè)計(jì)具有更高活性的有機(jī)硅酸酯前驅(qū)體，進(jìn)一步提高介孔SiO2的縮合度及有序程度，是提高其穩(wěn)定性的一個(gè)可能途徑. 此外，一般手性催化反應(yīng)的反應(yīng)條件都比較溫和，以手性的有機(jī)分子作為連接基團(tuán)，設(shè)計(jì)合成具有手性的有機(jī)硅酸酯前驅(qū)體，通過(guò)溶膠-凝膠反應(yīng)獲得具有對(duì)映選擇性的手性催化劑，是一個(gè)值得關(guān)注的研究領(lǐng)域.

在作為吸附劑時(shí)，通過(guò)溶膠-凝膠法制備的介孔SiO2通常是非晶態(tài)的，孔壁中—Si—O—Si—難以形成長(zhǎng)程有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔的機(jī)械強(qiáng)度較差，在吸附或脫附過(guò)程中易發(fā)生結(jié)構(gòu)塌陷. 在溶膠-凝膠過(guò)程中引入有機(jī)硅源，形成無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化結(jié)構(gòu)，是提升介孔SiO2孔壁的韌性，改善其機(jī)械強(qiáng)度的一個(gè)可行途徑. 這類(lèi)無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化SiO2構(gòu)筑通常涉及雙硅源的反應(yīng)，與單硅源前驅(qū)體相比，雙硅源或多硅源前驅(qū)體的共水解/縮合反應(yīng)更為復(fù)雜，其尺寸/尺寸分布調(diào)控機(jī)制尚不夠清晰. 系統(tǒng)研究和深入探索在介孔模板劑存在條件下，雙硅源或多硅源的水解/縮合速率及其平衡機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化介孔SiO2微納結(jié)構(gòu)以及尺寸/尺寸均一性的有效調(diào)控，在保證其吸附性能及機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，提高其過(guò)濾回收效率，也是一個(gè)很有研究?jī)r(jià)值和重要應(yīng)用背景的研究課題.

總之，通過(guò)有效調(diào)控溶膠-凝膠過(guò)程中多種硅酸酯分子的水解/縮合，精準(zhǔn)調(diào)控其納微結(jié)構(gòu)，更為清晰地推測(cè)出構(gòu)-效關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)介孔SiO2納微結(jié)構(gòu)理性設(shè)計(jì)與構(gòu)筑的重要前提，也是其進(jìn)一步走向應(yīng)用推廣的必經(jīng)之路.