纳米材料的广泛应用在给人类生活带来巨大变革的同时，其潜在的环境和健康风险也引起了高度的关注^[1].富勒烯(C₆₀)是最具代表性、 并已实现量产的碳纳米材料之一，可应用于新材料、 新能源、 电子和生物医学等众多领域^[2,3,4].由于C₆₀几乎不溶于水(溶解度<10^-12 g ·L^-1)^[5]，很难均匀分散在水溶液中，严重制约了其在各领域的应用.鉴于此，多种C₆₀稳定悬浮水溶液的制备方法被开发出来； 其中，溶剂替换^[6]和延时搅拌^[7]是两种最为常用的方法.研究表明，稳定悬浮液中C₆₀主要以聚集体(nC₆₀)的形式存在，这些纳米尺度的颗粒可在数周到数月内稳定分散于水中^[8].近期有关毒理学的研究也显示，水中存在的C₆₀及其纳米颗粒可对各种微生物、 水生生物和人体细胞产生显著的毒副作用^[9~11].而未来C₆₀的大规模应用，则可能使其在生产、 使用和废弃等各个环节进入水环境，并以纳米颗粒的形式稳定存在于水中.因此，C₆₀纳米颗粒在水中的环境行为已成为近年来纳米材料和环境科学领域的研究热点.

C₆₀纳米颗粒进入水环境后，可能会与水中存在的离子、 有机物及生物体通过范德华力、 静电引力和化学键力等发生相互作用^[12]，引起凝聚或分散，进而影响其在水中的形态、 性质和稳定性的变化.本研究以溶剂替换和延时搅拌两种方法制备的C₆₀纳米颗粒为对象，系统研究贮存时间、 pH、 电解质和有机物等因素对其稳定性的影响，以期为揭示其在水环境中的扩散迁移规律、 正确评估生态环境效应提供理论依据. 1 材料与方法 1.1 材料

C₆₀，纯度99.9%，Sigma-Aldrich； 甲苯、 高氯酸镁、 氯化钠、 氯化钾、 六水合氯化镁、 氯化钙、 氢氧化钠、 盐酸，均为AR级； 腐殖酸，Sigma-Aldrich.

采用1 mol ·L^-1的NaCl和KCl储备液及200 mmol ·L^-1的MgCl₂和CaCl₂储备液调节电解质投加量，采用1 mol ·L^-1的NaOH和HCl储备液调节pH； 储备液使用前采用0.22 μm滤膜过滤，避光4℃保存. 1.2 C₆₀纳米颗粒悬浮液的制备及浓度测定

延时搅拌法：根据Lyon等^[13]和Cheng等^[14]的方法并加以改进.称取500 mg C₆₀加入到1 L去离子水中，快速搅拌4周，静置72 h，取上层均匀橙黄色悬浮液用0.22 μm滤膜过滤，滤液即为延时搅拌法制得的C₆₀纳米颗粒悬浮液，记为C₆₀/aq.避光4℃保存.

溶剂替换法：根据Andrievsky等^[15]的方法并加以改进.称取10 mg C₆₀与25 mL甲苯混合，振荡12 h，加入100 mL超纯水，超声分散48 h，使C₆₀从甲苯相转移到水相； 旋转蒸发去除甲苯，剩余液体用0.22 μm滤膜过滤，滤液即为溶剂替换法制得的C₆₀纳米颗粒悬浮液，记为C₆₀/son.避光4℃保存.

悬浮液中C₆₀浓度采用Lyon等^[13]和Deguchi等^[16]提出的紫外分光光度法、 于334 nm处测定吸光度，并利用C₆₀甲苯溶液标准工作曲线计算获得. 1.3 C₆₀纳米颗粒表面性质测定

C₆₀纳米颗粒的ζ电位与粒径均采用英国Malvern公司ZetaSizer Nano ZS90纳米粒径及Zeta电位分析仪测定.ζ电位检测采用激光多普勒电泳方式测定； 粒度检测利用动态光散射(dynamic light scattering, DLS)技术测定； 25℃下进行. 1.4 凝聚动力学研究

C₆₀纳米颗粒凝聚过程采用水力学半径随时间的变化速率来表征，通过测定粒径随时间的变化，计算其有效碰撞概率α，以此定量描述水中C₆₀纳米颗粒凝聚动力学.凝聚实验中，C₆₀/aq和C₆₀/son储备液浓度均稀释至1 mg ·L^-1，将一定量的电解质加入到稀释后的C₆₀溶液中，迅速混合后倒入样品池测量.采用90°激光束每15 s检测一次粒径.腐殖酸存在下，其他步骤与上述实验相同，仅在电解质加入前，先投入腐殖酸混合均匀.实验周期为15 min~3 h，以产生足够数量的水力学半径数据来满足凝聚动力学计算的要求.

已有研究发现，胶体颗粒水力学半径随时间的变化率与其初始浓度呈正比^[17]，如式(1)所示.

颗粒之间的有效碰撞概率α采用各电解质浓度下的凝聚速率常数与扩散控制条件下的凝聚速率常数的比值表示^[18].

采用两种方法制备的C₆₀纳米颗粒悬浮液理化性质如表1所示.两种C₆₀纳米颗粒悬浮液表观性状相近，但其理化性质存在一定的差异. C₆₀/son中C₆₀纳米颗粒粒径略低于C₆₀/aq，浓度却大大高于后者，表明两种悬浮液中C₆₀纳米颗粒的形成机制有所不同.两种悬浮液中C₆₀纳米颗粒表面均呈较高的负电性，被认为是其在水中稳定分散的主要原因^[16]； 但其起源尚不明确.有研究认为C₆₀纳米颗粒表面具有的高电子密度是其呈现负电性的原因^[19]； 也有学者将此解释为C₆₀纳米颗粒表面所带官能团电离的结果^[20].

表1(Table 1)

表1 C60纳米颗粒理化性质 Table 1 Physicochemical property of C60 nanoparticles 项目 C60/aq C60/son 表观性状 淡黄色透明 棕黄色透明 pH 6.32~6.41 6.45~6.49 浓度/mg·L-1 3.04~3.13 27.6~28.9 粒径/nm 168~182 106~133 ζ电位/mV -25.4~-29.7 -26.8~-31.5

表1 C60纳米颗粒理化性质 Table 1 Physicochemical property of C60 nanoparticles

两种悬浮液中C₆₀纳米颗粒浓度随贮存时间的变化如图11所示. C₆₀/aq的浓度在前3周内基本保持稳定，浓度下降不超过10%； 但随着时间进一步延长，浓度快速降低，贮存16周后浓度降低了54%. C₆₀/son浓度总体随时间的变化较慢，贮存16周后浓度仅降低了18%； 表明其稳定性更好，可长时间贮存.

图1

Fig. 1

图1 C60纳米颗粒浓度及下降率随贮存时间的变化 Fig.1 Concentration and rate of decline of C60 nanoparticles versus time

两种C₆₀纳米颗粒粒径及ζ电位随贮存时间的变化如图2所示. C₆₀/aq中C₆₀纳米颗粒表面|ζ|在短时间内保持稳定后，即随时间快速下降，使得颗粒间斥能减弱，更易发生碰撞凝聚，从而导致粒径增大； 16周后|ζ|减小至5 mV左右，粒径增大到500 nm左右.而C₆₀/son的粒径和ζ电位随时间的变化不大，进一步证实，其较C₆₀/aq更为稳定.

图2

Fig. 2

图2 C60纳米颗粒粒径和 ζ电位随贮存时间的变化 Fig.2 C60 nanoparticle size and ζ potential versus time

C₆₀纳米颗粒的粒径和ζ电位随pH的变化见图3所示.随pH上升，粒径先快速减小后趋于稳定，|ζ|则随pH上升而持续增大.|ζ|随pH升高而增大，可能是因为pH的升高使C₆₀纳米颗粒表面可电离官能团去质子化； 也可能是C₆₀纳米颗粒表面因吸附溶液中负离子(如水合羟基离子)而荷电，在高pH条件下，负离子浓度提高，颗粒表面吸附量增大而导致|ζ|增大.|ζ|增大导致C₆₀纳米颗粒间的静电斥能增大，抑制凝聚发生，粒径因而变小.当pH>3，且|ζ|到达10～20 mV左右时，C₆₀纳米颗粒间所具有的静电斥能就可使C₆₀纳米颗粒达到稳定的分散状态，因此，|ζ|上升颗粒粒径不再减小.

图3

Fig. 3

图3 pH对 C60悬浮液粒径和 ζ电位的影响 Fig.3 Influence of pH on the C60 nanoparticle size and zeta potential

投加电解质凝聚反应3 h后，C₆₀纳米颗粒粒径和ζ电位随电解质浓度的变化如4和图5所示.可以看出：4种电解质投加均可导致C₆₀纳米颗粒间相互凝聚； 随着电解质浓度的增加，C₆₀纳米颗粒表面|ζ|降低，凝聚后粒径增大.金属阳离子可通过压缩双电层作用，使得C₆₀纳米颗粒双电层变薄、 |ζ|降低，颗粒间斥力变弱、 势垒降低，更易相互碰撞而发生凝聚，导致粒径增大.NaCl和KCl对C₆₀纳米颗粒表面性质的影响相近； MgCl₂和CaCl₂对颗粒表面|ζ|的影响相似，但其投加浓度大大低于一价电解质； 这与压缩双电层机制中，高价反离子更易置换出低价反离子，促进凝聚的机制相一致.随投加浓度提高，CaCl₂较MgCl₂可使凝聚后粒径大幅增加； 表明除压缩双电层作用外，CaCl₂可能也通过其他作用机制，如吸附架桥、 共沉淀等，促进凝聚的发生.

图4

Fig. 4

图4 一价电解质对 C60悬浮液粒径和 ζ电位的影响 Fig.5 Influence of monovalent cations on the C60 nanoparticle size and zeta potential

图5

Fig. 5

图5 二价电解质对 C60悬浮液粒径和 ζ电位的影响 Fig.5 Influence of divalent cations on the C60 nanoparticle size and zeta potential

两种C₆₀纳米颗粒凝聚反应后颗粒尺寸变化呈现出一定的差异.低浓度电解质条件下，凝聚后C₆₀/aq的粒径大于C₆₀/son，而在高浓度电解质条件下，凝聚后C₆₀/son则大于C₆₀/aq.其原因尚不明确，但表明两种C₆₀纳米颗粒的凝聚反应过程存在差异. 2.5 C₆₀纳米颗粒凝聚动力学

两种C₆₀纳米颗粒凝聚过程中有效碰撞概率α随电解质浓度的变化如图6所示.随着电解质浓度增大，α均呈现出先上升后趋于稳定的趋势，使凝聚过程分为两个不同的阶段.这与经典的胶体稳定性理论(derjaguin-landau-verwey-overbeek，DLVO)相符^{[21, 22]}.低浓度条件下，电解质可通过压缩双电层作用使C₆₀纳米颗粒表面ζ电位降低，颗粒间斥力减小，但还不足以使静电斥力完全消失，颗粒间需经过多次碰撞才能粘结凝聚，其α<1，此阶段称为反应控制凝聚或慢速凝聚，α随电解质浓度增加而上升； 高浓度条件下，颗粒表面自由电子完全被金属阳离子所置换，ζ电位达临界电位，颗粒间势垒消失，静电斥能远小于胶粒布朗运动的动能，颗粒一经碰撞就立即发生不可逆的永久性粘结，此阶段称为扩散控制凝聚或快速凝聚^[23]，其α=1.

图6

Fig. 6

图6 有效碰撞概率 α随电解质浓度的变化 Fig.6 Attachment efficiencies of C60 nanoparticles as a function of NaCl, KCl, MgCl2, and CaCl2 concentrations

两凝聚阶段的交点即为临界凝聚浓度(critical coagulation concentration,CCC)，表示使胶体颗粒发生快速凝聚的电解质最低浓度.本研究中，C₆₀/aq的CCC：NaCl为295 mmol ·L^-1，KCl为278 mmol ·L^-1，MgCl₂为7.8 mmol ·L^-1，CaCl₂为5.9 mmol ·L^-1； C₆₀/son的CCC：NaCl为321 mmol ·L^-1，KCl为316 mmol ·L^-1，MgCl₂为9.6 mmol ·L^-1，CaCl₂为6.7 mmol ·L^-1. C₆₀/son的CCC高于C₆₀/aq，表明使C₆₀/son中C₆₀纳米颗粒完全凝聚所需的电解质浓度更高，C₆₀/son悬浮液比C₆₀/aq更为稳定，这与前述研究结果一致.天然水体中普遍存在着各种电解质，Na⁺的含量约为0.7~25 mg ·L^-1，K⁺的含量约为0.5~10 mg ·L^-1，Mg²⁺含量约为0.4~6 mg ·L^-1，Ca²⁺含量约为2~12 mg ·L^-1[24].天然水体中这些离子的浓度远低于本研究所获得的C₆₀纳米颗粒临界凝聚浓度，表明当C₆₀纳米颗粒进入水体后，并不会发生快速凝聚，仍可稳定悬浮于水中. 2.6 腐殖酸对 C₆₀纳米颗粒稳定性的影响

有无腐殖酸(HA)条件下，C₆₀纳米颗粒凝聚反应3 h后粒径变化如图7所示.可以看出，凝聚反应后，腐殖酸存在的两种C₆₀纳米颗粒粒径均显著低于无腐殖酸存在； 5 mg ·L^-1腐殖酸浓度条件下，凝聚后C₆₀纳米颗粒粒径下降约5%～13%，C₆₀/aq中C₆₀纳米颗粒粒径下降幅度略大于C₆₀/son，表明腐殖酸可增加水中C₆₀纳米颗粒的稳定性.这可能是因为腐殖酸分子中所含的芳香结构可与C₆₀中的环状结构相互作用生成π—π键，而使其被C₆₀纳米颗粒所牢固吸附^[25,26,27]； 吸附腐殖酸大分子后，C₆₀纳米颗粒间因形成空间位阻效应而抑制了有效碰撞的发生，导致C₆₀凝聚性降低、 稳定性显著增强.以腐殖酸为主要构成组分的天然有机物广泛存在于各类地表水体中，天然有机物可能会影响C₆₀纳米颗粒在水体中的稳定性，进而影响其水生态环境效应.因此，进一步深入研究有机物对水中C₆₀稳定性的影响有着重要的环境学意义.

图7

Fig. 7

图7 腐殖酸存在下不同电解质中 C60的粒径 Fig.7 C60 nanoparticle sizes in the absence and presence of 5 mg ·L-1 humic acid for different electrolyte solutions

(1)两种方法制备的C₆₀纳米颗粒悬浮液表观性状相近，C₆₀/son中C₆₀纳米颗粒粒径小于C₆₀/aq，浓度和稳定性高于后者.随着pH增大，粒径减小，|ζ|增大，C₆₀纳米颗粒稳定性增强.

(2)随电解质浓度增加，凝聚反应后C₆₀纳米颗粒具有的|ζ|减小、 粒径增大； C₆₀纳米颗粒凝聚过程分为反应控制和扩散控制两个阶段，符合经典的胶体稳定性理论，C₆₀/son临界凝聚浓度NaCl为321 mmol ·L^-1、 KCl为316 mmol ·L^-1、 MgCl₂为9.6 mmol ·L^-1和CaCl₂为6.7 mmol ·L^-1，C₆₀/aq的临界凝聚浓度NaCl为295 mmol ·L^-1、 KCl为278 mmol ·L^-1、 MgCl₂为7.8 mmol ·L^-1和CaCl₂为5.9 mmol ·L^-1，远高于其在水环境中的浓度.

(3)腐殖酸可以抑制C₆₀纳米颗粒间凝聚的发生，表明有机物存在可显著增强C₆₀纳米颗粒在水中的稳定性，C₆₀纳米颗粒可稳定存在于典型的水环境中.