赵 柔，刘 琦，王 姗，杨靖涵，彭绪玲，韩晓燕
(天津中医药大学中药学院，天津 300193)
开设综合化学实验对培养药学专业学生的综合化学实验技能具有重要的意义，下面介绍一个我们学院待开设的一个实验项目：MgAl-LDH的制备及表征。
层状双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxide，LDH)作为一类新型无机材料，具有明显的可调控性。M2+/M3+的配料比和层间阴离子的种类都会使层板的化学性质发生变化，得到不同功能的LDH。此外，制备过程中的温度也会对LDH的粒径和分散性产生影响。目前，国内外已报道许多LDH的制备方法，如：“共沉淀法[1]”、“水热合成法[2]”、“离子交换法[3]”、“煅烧重建法[4]”等。作为药物载体，LDH的粒径大小至关重要，研究表明[4-5]，LDH的制备方法、M2+/M3+原料配比和干燥方式都会对LDH的粒径产生影响。
本文采用共沉淀和水热合成法制备MgAl LDH，通过单因素考察实验，探讨M2+/M3+原料配比、制备方法和干燥方式对LDH粒径的影响，确定LDH的最佳制备工艺条件。采用傅里叶红外光谱(IR)、X射线粉末衍射(XRD)对产物结构进行表征，差热分析仪(DSC)测定产物的热稳定性，通过比表面积及孔径分析仪(SSA)、透射电镜(TEM)和粒径电位仪、考察LDH比表面积和孔径、外观形貌及粒径电位等理化性质。
1.1 药品与试剂
氯化镁，阿拉丁试剂有限公司；
六水氯化铝，阿拉丁试剂有限公司；
氢氧化钠，阿拉丁试剂有限公司。
1.2 仪 器
DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；
ME104EA/02电子天平，日本岛津公司；
H1650台式高速离心机，长沙湘仪离心机仪器有限公司；
IVOS-30A真空干燥箱，施都凯仪器设备有限公司；
Varian 640傅里叶变换红外光谱，南昌捷岛科学仪器有限公司；
SCIENTZ-950E超声波细胞粉碎机，宁波新芝生物科技股份有限公司；
DZ3320A差热分析仪，南京大展机电技术研究所；
MIniflex600X-射线粉末衍射仪，日本株式会社理学；
BT-90纳米激光粒度分布仪，丹东百特仪器有限公司；
HORIBA粒径电位仪，日本HORIBA公司；
XO-5200DTS超声波清洗机，南京先欧仪器制造有限公司；
FD-1C-50冷冻干燥器，北京博医康实验仪器有限公司；
HT7700透射电子显微镜，日立集团；
SSA 6000比表面积及孔隙分析仪，北京彼奥德电子技术有限公司。
2.1 LDH中Mg/Al摩尔比的筛选
精密称取摩尔比为2:1和3:1的MgCl2和AlCl3·6H2O，将其溶于60 mL去CO2去离子水中得到混合盐溶液。精密称取0.18 mol NaOH溶于75 mL去CO2去离子水中得到碱溶液。在氮气氛围下，将前者缓慢滴入后者中，混合溶液最终pH调至10。磁力搅拌24 h后老化3 h，将沉淀离心、水洗，真空65 ℃干燥24 h，即得粉末状MgAl-LDH。
2.2 LDH制备方法的筛选
(1)共沉淀法：按照上述“2.1”方法，以Mg/Al摩尔比3:1配制金属盐溶液和碱溶液。在氮气氛围下，将前者缓慢滴入后者中，混溶液最终pH调至10。磁力搅拌24 h后老化3 h, 将沉淀离心、水洗，真空65 ℃下干燥24 h，即得共沉淀法制备的MgAl LDH。
(2)水热合成法：将共沉淀法制备得到的LDH水洗后，分散在去CO2去离子水中，100 ℃下水热4 h。沉淀再次离心、水洗，真空65 ℃下干燥24 h，即得水热合成法制备的MgAl-LDH。
2.3 LDH干燥方式的筛选
将水热合成法制备的MgAl-LDH分别通过真空65 ℃和冷冻的方式进行干燥，通过粒径仪测定LDH胶体溶液的粒径大小，观察干燥方式是否对LDH的粒径产生影响。
2.4 LDH的表征
采用Varian 640 傅里叶变换红外光谱对LDH结构进行表征，KBr压片，波段400～4000 cm-1。
采用D/max-rA型转靶X射线衍射仪表征LDH结构。测试条件：Cu-Kα射线源，电压40 kV，电流40 mA，扫描速度10°/min。
采用DZ3320型差热分析仪对LDH进行差热分析(DSC)，空气流，升温速度为20 ℃/min。
采用SSA-6000比表面积及孔径分析仪测定LDH的比表面积和孔径分布。样品在200 ℃下进行高真空脱气，以He 为载气，在-196 ℃下进行吸附和脱附测试。采用多点法测定LDH的比表面积，采用BJH(Barrett-Joyner-Halenda)方法测定并分析LDH的孔结构。
取适量LDH超声分散在去离子水中，终浓度为1 mg/mL，采用BT-90纳米激光粒度分布仪测定LDH的粒径，采用HORIBA粒径电位仪测定LDH的Zeta电位。
取适量LDH超声分散在去离子水中，制备约0.1 mg/mL的胶体溶液。用移液枪吸取10 μL样品滴加到铜网薄膜上，静置5 h使样品沉积于铜网表面，用HT7700透射电子显微镜观察样品形态。
3.1 Mg/Al摩尔对比粒径的影响
固定使用共沉淀法制备LDH，考察Mg/Al摩尔比分别为3:1和2:1时LDH胶体溶液的粒径大小。由粒径测量结果可知，当Mg/Al摩尔比为3:1时，281 nm以下的LDH颗粒占总体数量的33.85%；
而Mg/Al摩尔比为2:1时，284 nm以下的LDH颗粒占总体数量的16.87%。两者比较，Mg/Al摩尔比为3:1制备得到的LDH小颗粒更多，因此后续实验中选用该比例制备LDH。
3.2 制备方法对比粒径的影响
共沉淀法制备的LDH粒径不均匀，分散性较差，且大颗粒LDH含量较多。然而结果显示，经过100 ℃水热处理4 h后，LDH颗粒变得非常均匀，粒径分布较窄，普遍集中在100～300 nm之间，分散性良好。
3.3 干燥方式对比粒径的影响
如图1、图2所示，冷冻干燥制备的LDH比真空干燥制备的LDH粒径低，且198 nm以内的LDH颗粒达到了总量的93.49%，样品符合预期。
图1 真空干燥LDH粒径图Fig.1 Particle size of LDH synthsized by vacuum drying method
图2 冷冻干燥LDH粒径图Fig.2 Particle size of LDH synthsized by freeze drying method
3.4 红外光谱分析
图3 LDH的FT-IR谱图Fig.3 FT-IR spectra of LDH
图3为LDH的FT-IR谱图。MgAl-LDH在3453 cm-1处出现一个强且宽的吸收峰，这是由于LDH层板上和层间水分子的-OH伸缩振动所引起。1635 cm-1的吸收峰是由于层间水分子-OH弯曲振动所引起。另外，663 cm-1和448 cm-1处出现的吸收峰是由M-O和 M-O-M(M=Mg，Al)的晶格振动引起，与文献报道相一致[6]。
3.5 X射线衍射分析
图4为MgAl-LDH的XRD谱图。由图3看出，MgAl-LDH具有尖锐的衍射峰，表明其层状晶体结构较好。样品的尖峰主要集中在11.36°、22.96°、34.62°、38.40°、45.62°、60.62°和61.98°，分别对应六边形晶体系统中的(003)、(006)、(012)、(015)、(018)、(110)和(113)晶格面。进一步计算出晶胞参数a=9.85 Å、b=5.72 Å、c=16.90 Å，证明MgAl-LDH的晶体结构与文献报道的相同[6]。在2θ=11°衍射峰属于晶格面(003)的衍射，其d003值为LDH的层间距(d-spacing)。根据计算可以获得，LDH的层间距为0.77～0.79 nm。
图4 LDH的XRD谱图Fig.4 XRD atlas of LDH
3.6 差热分析
根据图5 LDH的DSC谱图，可以明显观察到样品存在两个吸热峰。其中，130～178 ℃的吸热峰是由于LDH表层吸附水和层间结晶水的脱除；
358～421 ℃的吸热峰归因于层板羟基、层间Cl-的脱除。
图5 LDH的差热分析图Fig.5 DSC of LDH
3.7 比表面积和孔径分析
LDH氮气吸附-脱附等温线见图6。按照IUPAC进行分类，LDH的吸附等温线属于第四种类型。在低压端时，LDH的吸附量较为平稳、增加缓慢，而当P/P0=0.8-1.0时，LDH的吸附量急剧上升。这表明LDH的孔径在2～50 nm，属于介孔结构。在孔径分布图7中，最小孔径为 5.2 nm，但在12～14 nm处出现了稍宽的分布曲线，推测由于LDH片状结构聚集使得孔径分布不均匀。此外，LDH比表面积较大，为95.97 m2/g，单点总孔体积为0.28 cc/g，单点平均孔半径为5.84 nm。
图6 LDH的氮气吸附-脱附等温线Fig.6 Nitrogen adsorption-desorption isotherm of LDH
图7 LDH的孔径分布曲线Fig.7 Distribution of pore sizes of LDH
3.8 Zeta电位分析
图8显示了LDH在去离子水中均匀分散时Zeta电位为(46.25±1.34)mV，这是由于原始LDH在表面上具有大量的羟基，从而使周围的水分子去质子化，因此分散液的pH值呈弱碱性，则Zeta电位为正。
图8 LDH的Zeta电位图Fig.8 Zeta potential of LDH
3.9 透射电镜观察LDH形貌
由图9 LDH的TEM图像可见，LDH外貌呈六角片形，尺寸大小在80～120 nm，但分散不均，聚集较为严重，这说明原始LDH容易聚集，分散性较差。
图9 LDH的TEM图Fig.9 TEM image of LDH
文献[4-5]表明LDH纳米颗粒粒径大小对人体细胞会产生不同影响，当LDH纳米颗粒尺寸在100～200 nm时对人体细胞产生极低的毒性，为最佳粒径尺寸。本实验结果表明，不同制备方法对粒径影响较大，“共沉淀法”虽然方法简单、容易操作，但得到的LDH结晶性差、粒径较大且分布广，容易聚集。然而经过水热后的LDH结晶度高，粒径小、均匀度高，分散性好。这说明“水热合成法”可以控制LDH晶相结构及粒径，从而获得晶体较好、粒径较小、分散性好的LDH。此外，干燥方式对LDH粒径也有一定影响，相比真空65 ℃下进行干燥，冷冻干燥后的粒径较小，说明高温可使LDH产生小幅度的聚集，粒径增大。
透射电镜观察LDH纳米颗粒的形貌呈现六角片型，聚集较明显，因此在后续实验中对药物-LDH纳米杂化物进行修饰，进而形成新的组装体，从而改善其分散性。比表面积和孔径分析结果显示：LDH具有介孔孔径和较大的比表面积。这种特性使其能更好的包载药物，提高载药能力，并且在药物释放的过程中起到缓释作用，延长药物释放时间。综合上述，LDH具有作为药物载体的显著优势。
分别采用共沉淀法、水热合成法制备MgAl-LDH，以粒径为指标，考察M2+/M3+原料配比、制备方法和干燥方式对LDH粒径的影响，单因素实验筛选出LDH最优制备条件。通过IR、XRD和DSC对LDH结构进行表征，说明成功制备MgAl-LDH。LDH的平均粒径为(113±15)nm，PDI为(0.14±0.04)，Zeta电位为(46.25±1.34)mV。透射电镜观察到LDH呈六角片型，容易产生聚集。比表面积及孔径分析得到LDH的比表面积为95.97 m2/g，单点总孔体积为0.28 cc/g，单点平均孔半径为5.84 nm，表明LDH的比表面积较大、孔隙为介孔结构，适合作为药物载体。
该实验可以作为综合实验在药学专业学生开展，该实验的开设有助于学生提高综合化学实验能力，从而为后续的药学实验奠定重要基础。
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