1992年，美孚公司的研究人员以具有亲水、亲油双亲基团的长链烷基季铵盐阳离子表面活性剂作为结构导向剂，利用水热法制备了孔道长程有序的M41S系列介孔分子筛。这类介孔材料包括具有一维六方结构的MCM-41系列（如图4-2所示）、三维立方结构的MCM-48系列，以及层状不稳定结构的MCM-50系列等三种类型。该类材料的问世，将分子筛由微孔范围拓展至介孔范围，大大拓宽了多孔材料的应用范围。这其中，MCM-41系列介孔材料所具有的大比表面积（高达1 000 m2/g），孔径尺寸连续可调以及孔道长程有序等优点，使该类材料在催化、气体吸附分离、大分子分离提纯，以及光能利用与转换等领域具有潜在的应用前景。而随着材料制备技术的发展和创新，许多新型结构的介孔材料，如：KIT、MSU以及SBA二氧化硅介孔分子筛，金属氧化物分子筛如氧化铝、氧化锆和氧化钛，介孔碳、非金属及金属介孔分子筛等相继被研发出来，基于该类材料的新应用也不断被开发。这其中，介孔氧化硅分子筛由于其具有的优越性质，如超高的比表面积，连续可调的孔径及超强的功能可修饰性，在介孔分子筛家族中占据着最重要的地位。

图4-2　M41S系列结构示意图

4.4.2.1　介孔二氧化硅材料的制备

介孔二氧化硅材料的制备主要以水热合成法为主，其他方法包括：室温合成法、微波合成法、湿胶焙烧法、相转变法、溶剂挥发法以及非水体系制备法。以传统的水热制备法为例，介孔氧化硅分子筛的制备主要经历以下几个步骤：（1）松散的表面活性剂和无机硅酸的复合物的生成；（2）利用水热处理来提高和改善硅羟基的缩聚程度，提高产物的稳定性；（3）通过高温煅烧或溶剂萃取，除去结构导向剂，从而得到多孔二氧化硅材料。在介孔氧化硅的制备过程中，所使用的硅源包括正硅酸乙酯（TEOS）、硅酸钠、硅溶胶以及无定型二氧化硅等，所使用的表面活性剂包括阳离子型，如十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）；非离子型，如在合成SBA-15时采用的长链嵌段表面活性剂聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯（PEO-PPO-PEO）。介孔氧化硅分子筛的制备既可在酸性条件下合成，也可在碱性条件下进行，体系的pH值对介孔氧化硅分子筛的结构及形貌都有巨大影响。

图4-3　分别在酸性、碱性与中性条件下无机物种与表面活性剂基团可能的作用过程；

（a）（b）（c）与（d）为电荷吸引，而（e）（f）则通过氢键作用

根据制备所采用的表面活性剂类型以及无机物种带电性质的不同类型，可以对自组装反应及所生成的硅基介孔材料进行分类。I（Inorganics）表示无机物种（可以分别是带正电荷的I+、负电荷的I-和电中性的I0）；S+表示阳离子表面活性剂，如长链烷基季铵盐、长链烷基吡啶型等；S-表示阴离子表面活性剂，如各种盐型（羧酸盐和硫酸盐等）和酯盐型（磷酸酯和硫酸酯等）；S0表示非离子表面活性剂，如非离子Gemini型、长链烷基伯胺和二胺等；X-表示Cl-，Br-等；M+表示Na+，H+等。其他还有两性表面活性剂也可以作为模板剂，如聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯（PEO-PPO-PEO）等。如图4-3（a）所示，在碱性溶液中，硅酸根阴离子与表面活性剂阳离子S+作用，使带负电荷的无机硅酸根I-有序化，这种最简单的有机/无机的介孔结构被称为S+I-结构。基于此机理，陆续发现了其他新的制备机理。如图4-3（b）所示，强酸性介质中合成二氧化硅介孔材料时采用的是S+X-I+静电力，因为此时硅元素显正电，这种组合开始是S+X-I+，然后逐渐变成结构接近IX-S+的产物。如图4-3（c）所示，是与此相反的S-M+I-组合方式，主要也是金属氧化物介孔材料。而如图4-3（d）所示的是金属氧化物介孔采用S-I+作用；介孔结构也可以在基本上没有电荷参与的情况下生成。如图4-3（e）所示，是采用中性的有机胺表面活性剂或非离子的聚乙二醇氧化物表面活性剂作为模板剂生成产物的S0I0/N0I0，这种组合不仅适合生成二氧化硅介孔材料，同样也可制备金属氧化物介孔材料。如果利用离子对，那就是如图4-3（f）所示的S0（XI）0。

4.4.2.2　介孔氧化硅材料的性质调控

1.介孔结构调控

美孚公司最初报道的M41S系列包含三种结构，分别是六方相（P6mm相）的MCM-41，立方相（Ia3d相）的MCM-48，以及层状相的MCM-50。产物的相态除了可以通过调控反应时间实现相互转换之外，还可通过直接改变反应体系中的表面活性剂模板剂浓度进行调控。另外，人们逐渐发现表面活性剂在溶液相中的胶束形态对最终形成的介孔相态有决定性的作用，因此，通过选择不同的表面活性剂及改变表面活性剂的浓度即可调控介孔的结构。之后，国外有学者进一步用表面活性剂有效堆积参数g对介孔产物的结构进行了预测和解释，在理论上将表面活性剂的成胶束行为与介孔的形态进行了科学的关联。表面活性剂的有效堆积参数g=V/a0L，其中V指的是表面活性剂链加上链间的助溶有机分子形成的总体积；a0是在有机无机界面之间的有效表面活性头基面积；L是动力学表面活性剂链长度。这一公式可以很好地描述在特定的条件下可以生成何种液晶相，这样便于研究者在进行介孔材料的合成时通过控制合成条件和参数来得到想要的结构，并且还能用它来解释实验所得结果。当g值小于1/3时生成笼的堆积SBA-1（Pm3n立方相）和SBA-2（P63/mmc三维六方相）；1/3＜g＜1/2时生成MCM-41（P6mm二维六方相）；1/2＜g＜2/3时生成MCM-48（Ia3d立方相）；g=1时生成层状相的MCM-50（见表4-4）。目前，研究者们通过选用不同的表面活性剂和调节反应条件等已合成了一系列不同介观结构的有序介观氧化硅材料，典型的结构包括P6mm、La3d以及Pm3n、Lm3m、Fd3m和Fm3m相等。

表4-4　不同g值下的胶束几何形状和介观相结构

2.孔径尺寸调控

目前，有效调节介孔材料孔径分布的方法主要有以下几种：（1）使用不同的表面活性剂分子为模板剂；（2）改变水热反应的温度；（3）添加合适的扩孔剂。一般而言，介孔材料的孔径大小主要取决于表面活性剂疏水基团的大小。例如，与双亲聚醚类共聚物相比，以阳离子季铵盐型表面活性剂为结构导向剂所制得介孔材料的孔径一般较小。代表性的例子为以阳离子季铵盐型表面活性剂为模板剂制备得到的MCM-41介孔氧化硅分子筛，以及以聚氧丙烯-聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段共聚物为模板剂制备得到的SBA-15介孔氧化硅分子筛，前者的孔径一般在2～3 nm，而后者的孔径可达10 nm。阳离子季铵盐型表面活性剂的疏水链越长，得到介孔材料的孔径越大，但是如果烷基链过长，该表面活性剂在水中将难以溶解，就不能充当模板剂用于介孔材料合成。对于双亲嵌段共聚物而言，所得介孔材料的孔径主要取决于疏水嵌段分子量大小，其分子量越大，得到的介孔孔径就越大。介孔材料的孔径大小除了受所用结构导向剂分子的影响外，还与其水热处理温度有很大的关系。一般而言，较高的水热处理温度有利于大孔径介孔分子筛材料的合成，但是水热处理温度也不能过高。否则将会对介孔分子筛的介观有序性造成很大的损坏，这一点对于介孔氧化硅分子筛而言尤其明显，这主要是由于氧化硅分子筛骨架为无定形结构，且表面具有丰富的表面硅羟基，因此在水热条件下非常容易发生水解，最终导致骨架结构的坍塌。相比而言，通过在合成体系中加入一定量的胶束膨胀剂分子，如三甲苯等，则可更有效地实现扩孔的目的，并且在扩孔的同时不会对孔道有序性产生大的影响。加入到反应体系的扩孔剂一般都是疏水分子，倾向于进入表面活性剂胶束的疏水区，通过扩大胶束的体积实现扩孔的目的。这一点可用表面活性剂有效堆积参数g值加以补充解释。

图4-4　以ZSM-5为核，MCM-41为壳的微孔-介孔复合体系的FESEM及结构示意图

a ZSM-5单晶；b以ZSM-5为核，MCM-41为壳的微孔-介孔核-壳粒子；c～e为核-壳结构的高分辨FESEM；c，d分为沿b轴方向观测到的孔；e为沿a轴方向观测到的孔；f与g为沿b轴和a轴方向观察到的孔结构的示意图。

随着应用要求不断增多，除了单一孔径的介孔材料之外，具有多级孔道体系的介孔材料也相继被开发出来，该体系在作为药物分子的载体时，可用于调控药物分子的释放速度。此外，介孔还可与微孔甚至大孔结构实现有机的复合。例如，微孔沸石分子筛与介孔分子筛的复合。如图4-4所示，是以ZSM-5沸石单晶为核，MCM-41介孔氧化硅为壳的多级孔材料。这种核-壳结构中核区沸石的微孔与壳层氧化硅介孔之间的孔道高度连通，壳层的酸性可通过引入Al实现调控，因此还具有多级孔及梯度酸分布，在石油催化领域有着潜在的应用前景；除了微孔与介孔分子筛的复合之外，介孔还能与大孔体系实现有机的复合。如图4-5所示，为Stein等以聚合物纳米粒子规则堆积而成的光子晶体为模板，将制备介孔的反应体系灌注到光子晶体中粒子之间的空隙中，再将聚合物纳米粒子核表面活性剂焙烧去除，制备得到的大孔与介孔高度连通的多级孔结构。这种体系中的介孔孔道取向及孔径可通过选择不同类型的表面活性剂加以调控。在工业催化及水处理过程中，微孔与介孔组成的多级孔结构有利于吸附物及反应物质的传输及扩散，可有效避免由于单一孔径造成的孔道堵塞问题，因此通常具有更为优越的应用性能。而介孔与大孔组成的多级孔结构不仅可用于催化及环境领域，还可用于生物领域中蛋白质等大分子的筛选。

图4-5　有序大孔-介孔复合体系的SEM和TEM图

3.介孔氧化硅材料的杂化改性

介孔氧化硅具有稳定的骨架结构、大的比表面积、尺寸可调的孔道体系以及孔道表面富含羟基等诸多优点，作为一种新型的无机多孔材料，具有很多潜在的实际用途。通过加入有机官能团来调节无机骨架孔表面的极性，可以极大地拓展这些无机材料的应用范围。为了开发具有新颖性能的介孔二氧化硅功能材料，科学家们通过在介孔二氧化硅的孔道表面或者无机骨架引入不同类型的有机官能团，通过后接枝法或者共缩聚法赋予这些硅基有序杂化材料新的性能，使其在离子吸附、催化、分离、离子检测、药物控释以及生物显像等方面具有了新性能。

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图4-6　有机官能团改性的介孔氧化硅材料

1）后接枝法

后接枝法主要是指将介孔氧化硅材料制备好以后，将预先硅烷基化的有机官能团或金属有机官能团引入到介孔孔道，取代介孔氧化硅内表面的硅羟基，对其进行修饰、改性，从而达到将其功能化的目的，如图4-6（a）所示。目前主要的改性基团是有机硅烷[（R′O）3SiR]、氯硅烷（ClSiR3）或者硅氮烷类[HN（SiR）3]。通过这些有机官能团与孔道表面的活性位点的缩聚反应来实现对氧化硅表面的改性修饰。缩聚反应常用的有机溶剂可以是经过无水前处理的苯、甲苯、二甲苯或其他惰性溶剂，但通常情况下使用无水甲苯；缩聚反应的温度一般是在溶剂的回流温度下进行，且反应时间较长（通常为12～24 h）；为了防止副反应的发生（主要为有机硅烷偶联剂发生水解或者自缩聚），缩聚反应全过程需在惰性气体保护下进行。在首次改性后，还可以在此基础上，利用被接枝官能团的反应活性，继续对接枝官能团改性或者接枝，可以实现该类杂化材料的二次或是三次改性，以达到最终目的。如巯基改性后，可以被氧化为磺酸基，而氨基基团则可以继续引入其他有机官能团。有机官能团引入孔道表面后，介孔二氧化硅的比表面积和孔径尺寸都要减小，同时介孔二氧化硅的有序孔道结构也会被破坏，主要表现在XRD衍射图谱中（100）面的衍射峰（2θ）一般会向小角方向位移，而且峰强与未修饰前相比，将会明显降低。后接枝法的优点是简便且易操作，但是很容易引起有机官能团分布不均，导致介孔孔道的堵塞。

2）共缩聚法

经常使用的另一种使用有机官能团修饰、改性介孔氧化硅材料的方法被称为共缩聚法，如图4-6（b）所示，因其反应时将所有原料一起投入反应瓶并一步完成，又称为一锅法（One-pot Synthesis）。共缩聚法是直接在合成介孔二氧化硅的无机硅源前驱体溶液中加入一定比例含有有机官能团的硅源前驱体，使之与无机硅源在胶束周围共聚，直接将有机基团锚接在介孔骨架上，对无机骨架进行改性，形成官能团化的介孔氧化硅材料。由于是将含有有机官能团的烷氧基硅烷充分分散在前驱体溶液中，所以能够得到表面官能团分布较均匀的功能化介孔二氧化硅，而且介孔结构的完整性也得以保存。

通过上述两种方法得到的介孔硅基有机/无机杂化材料充分利用了介孔二氧化硅比表面积大、介孔孔道具有“限域”特性以及表面富含硅羟基的特点，将多种具有特定功能的有机官能团引入到孔道表面，制备了多种具有特异功能的硅基杂化材料，在许多应用领域都发挥了巨大的作用。后接枝法和共缩聚法是两种对介孔二氧化硅改性的主要方法，迄今为止大部分的新型介孔硅基有机/无机杂化材料都是在这两种改性方法的基础上得到的。虽然具有步骤简单，官能团多种多样等优点，然而这两种方法也各自都有一定的缺点。利用后接枝方法得到的表面功能化的介孔二氧化硅杂化材料，表面官能团的分布很不均匀；对于共缩聚法而言，硅基杂化材料的介孔规整度会随着反应体系中有机硅烷偶联剂的加入量的增加而逐渐变差，如果加入量太大，将会造成介孔孔道的堵塞和坍塌。

3）周期性介孔有机氧化硅材料的制备

图4-7　PMO材料的制备示意图

近年来，一类新型的硅基介孔有机/无机杂化材料，即周期性介孔有机氧化硅（PMO）材料的出现，克服了上述两种方法的缺点。与之前引入官能团的方法不同的是，该类材料将有机官能团引入无机骨架中，从而使得介孔孔道更为开放，孔道有效容积率大为提高，如图4-7所示。随着PMO材料制备技术的发展，人们逐渐将官能团从单纯的有机物向复合功能发展，荧光官能团便是其中的一类。所谓荧光PMO材料，顾名思义，就是引入无机骨架的官能团为具有荧光发射能力的官能团，将荧光官能团引入骨架后，使材料本身具有了荧光，同时引入的官能团并不占用孔道本身，使得该类材料的孔道利用率大大提高；而且不同有机官能团量的引入，必然会引起材料本身极性的变化。但是，迄今为止该类材料几乎都是具有有序介孔结构的无定形形貌，而具有球形或是其他规整形貌粒子的材料尚未被开发出来，这也限制了该类材料在生物领域的应用。因此，制备具有规整形貌的荧光PMO粒子，并以该类材料作为纳米载体，将会在药物控释以及生物显像等领域有很好的应用前景。

4）形貌调控

介孔氧化硅的形貌对其应用领域具有非常重要的作用，这是由于在分离、催化和传感器等应用领域，对介孔分子筛材料的形态结构有一定的具体要求，如膜（film）材料在分离和催化反应中被广泛应用，薄片（monolith）材料在光学上具有特殊的用途，而尺寸均一的球状（sphere）氧化硅在生物领域具有非常重要的作用，也是最常用的色谱柱填料。因此，在制备介孔结构材料过程中，控制其形态结构，也是目前该领域的一个主要研究方向。研究表明，酸性条件下，氢键和模板剂之间存在弱相互作用，容易控制硅酸盐的水解和缩聚，虽然介孔结构生长较快，该过程主要受动力学因素控制，但是在一定条件下，可以使之向能量较低的方向生长。影响介孔二氧化硅宏观形貌的因素主要有：硅酸盐物种的水解和缩聚，胶束的形状，硅酸盐和胶束间的相互作用以及添加剂（无机盐、有机膨胀剂、溶剂、表面活性剂等）。控制这些因素，可以得到具有不同形貌的介孔二氧化硅。例如，可用手性的阳离子表面活性剂做模板，制备具有手性孔道和螺旋状外形的介孔二氧化硅；在碱性体系中，可以十六烷基三甲基溴化铵为结构导向剂，合成具有螺旋状外形的MCM-41材料，这是由于乙酸乙酯的水解推动硅酸钠和CTAB自组装形成介孔结构，物种的手性聚集导致了MCM 41手性结构的形成。另外，还可制备麦穗状、圆环、绳状、碟状等外形的介孔氧化硅材料。

具有亚微米尺寸的单分散介孔纳米粒子近年来引起了各个领域研究人员的广泛兴趣。尺寸均一的纳米粒子可以在单个粒子中利用空间排布实现多种功能的复合，以介孔为壳层的各种复合型粒子包括核-壳型、空腔型、蛋黄-蛋壳型纳米粒子，从而实现包括多级孔道、磁性、荧光及催化等多功能的复合。例如，以SBA-15，MCM-41及金属纳米粒子为核，介孔氧化硅为壳可制备蛋黄-蛋壳型介孔纳米粒子，实现多级孔及催化等多功能的复合（图4-8）；还可以磁性纳米粒子为核，介孔氧化硅为壳的核-壳型及蛋黄-蛋壳型纳米粒子，利用空腔提高了对客体分子的吸附容量（图4-9（a））；还可以均匀沉积贵金属纳米粒子的磁性纳米粒子为核，介孔氧化硅为壳的核-壳粒子，实现了磁分离及催化功能的复合（图4-9（b））；上述这些功能可调控性强的介孔纳米粒子在生物、催化及环境领域都有诱人的应用前景。

图4-8　不同蛋黄-蛋壳型结构的TEM图

图4-9　（a）以磁性纳米粒子为核，介孔氧化硅为壳的蛋黄-蛋壳结构；（b）以均匀沉积贵金属纳米粒子的磁性纳米粒子为核，介孔氧化硅为壳的核-壳粒子

4.基于介孔氧化硅纳米粒子的智能释控型药物运输载体

自科学家在2001年首先提出将MCM-41材料作为药物载体应用于药物控释系统研究以来，介孔氧化硅材料作为药物载体已获得广泛的研究。早期的药物载体的制备和应用目的非常简单，即让药物分子安全快速地到达治疗位置并实现释放，而不考虑粒子其他的功能。如图4-10所示，为不同形貌、孔径分布，以及不同有机官能团表面修饰改性的硅基介孔材料对药物负载和控释性能的影响。结果表明：根据介孔材料孔径大小不同，可以选择性地吸附不同分子量的药物分子；而介孔材料的比表面积和孔体积越大，则相应的所能负载的药物分子的量也越大；当介孔材料的内表面采用不同的有机官能团修饰改性后，不仅可以得到表面疏水性不同的杂化材料，而且利用所负载的有机官能团与药物分子之间的弱相互作用力，如：氢键、共轭π键等，实现对药物分子的控释作用。早期的硅基控释药物载体主要考虑以下几个问题：（1）如何利用该类材料富含硅羟基，具有良好的生物相容性的特点；（2）制备具有大比表面积和孔体积的材料使其可以负载更多的药物分子；（3）如何选择合适的有机官能团来改性修饰介孔材料内表面，从而能够实现对药物分子的可控释放。随着研究的进一步深入，人们逐渐不满足于通过上述的简单方法来实现药物的控释，逐步开发了多类新型的控释类型，比如：通过对外部pH值、磁场或者入射光光强等条件的调节来实现对药物分子的智能控释。

图4-10　影响硅基有序介孔材料药物释放和负载量性能的各种因素（孔表面的修饰采用后接枝法）

施剑林等制备了一种基于介孔氧化硅纳粒子的新型的pH响应药物释放体系，该体系并没有采用传统药物负载方法（制备好药物载体之后再将目标释放药物引入），而是采用一步法，直接将疏水药物阿霉素（DOX）与表面活性剂十六烷基溴化铵（CTAB）以及无机硅源一起添加到反应液，原位合成了CTAB胶束中裹有疏水药物的介孔氧化硅纳米粒子，整个体系中因DOX高度疏水，在pH＞7条件下，释放的速率和量都很少，但是当释放环境pH＜7后，相当于酸性条件下的模板剂萃取，使得孔道中的CTAB被去除，与此同时，胶束中的DOX也随之释放出来，该体系将模板剂在酸性条件下的去除与药物释放有机结合，达到缓释和控释的目的。另外，还可以孔壁用有机胺修饰的介孔氧化硅纳米粒子为载体，利用分子与分子之间的相互作用力将金属离子与目标释放药物DOX引入孔道当中，当释放环境为pH＜7时，孔道中各组分的配位作用被破坏，药物分子与金属离子同时释放，该类药物载体的释放模式较为新颖，不仅可以释放药物分子，而且引入了金属离子的配合与释放概念，这为由于人体缺乏某些金属离子而造成的基因疾病的治疗提供了一条新途径。

近年来，通过光辐射响应机理来制备智能药物释放载体也引起了人们的关注。该类载体利用光照，使对光照敏感的化学键断裂或发生旋转，从而打开孔口，使药物分子从孔道中释放出来。因此，可制备基于光响应的药物载体，该粒子以在光照下可发生顺-反旋转的N=N化合物为光板机，粒子负载药物进入细胞之后，在光照条件（413 nm）下使N=N旋转，打开孔道，药物分子顺利从孔道中释放出来，且释放量与光照强度以及光照时间有关，时间越长则强度越大，释放量也越多。

以上关于介孔材料作为药物控释载体的例子充分显示了介孔材料强大的功能可修饰性，目前，多种功能基团及纳米粒子都已相继引入介孔体系中，并实现了在生物显像、疾病的诊治和治疗等领域的应用。例如：稀土发光材料或半导体纳米粒子可用于目标肿瘤的荧光显像以及癌细胞的长期实时监控；低聚核苷酸修饰的金纳米粒子能够识别因表面胞质团共振波长改变而引起的颜色变化的DNA链；磁性纳米粒子可用于磁共振显像、生物分离等生物领域。但是，这类制备简单、只具有单一功能的硅基纳米复合材料远远不能满足日益增长的科研和实际应用的需要。对于现代智能药物载体来说，人们在疾病诊疗、治疗以及药物筛选时，不仅需要该类材料具有可控释放药物的能力，同时还需同时或者部分具有以下性能：即实时示踪、细胞显像（荧光显像或者磁共振显像）、基因表达或者治疗等，而单一功能的纳米材料显然不能达到上述要求。因此，具有复合多功能的各类纳米复合体材料就应运而生。这些纳米复合材料除了具有独特的物理和化学性质，纳米尺寸本身也使得这些材料可以作为理想的平台应用于生物领域。因为这些材料本身具有大的比表面积，并与一些功能性单体连接，从而可选择性地识别多种生物分子，如DNA链、抗体等，使该类材料在目标位置显像、诊疗以及药物输送等领域具有独特的优势。