具体实施方式

本公开提供了一种用于制备纳米粒子组合物的方法。本公开的方法特别适用于制备纳米粒子组合物，该纳米粒子组合物包含经由等离子体过程产生的纳米粒子，如下文更详细地描述。

该方法包括在低压反应器中形成纳米粒子气溶胶，其中气溶胶包含夹带在气体中的MX官能性纳米粒子，其中M为独立选择的第IV族元素，并且X为独立地选自H和卤素原子的官能团。如本文所用，元素周期表的族命名一般来自CAS或旧IUPAC命名法，但第IV族元素根据现代IUPAC体系被称为第14族元素，如本领域中容易理解的。该方法还包括将气溶胶的MX官能性纳米粒子收集在捕集流体中，其中捕集流体与等离子体反应器流体连通。捕集流体包含不可与水混溶的极性非质子流体。捕集流体还包含可与极性非质子流体混溶的官能化化合物，该官能化化合物包含与MX官能性纳米粒子的官能团X反应的官能团Y。

本公开的方法可以与利用不同等离子体反应器的各种等离子体反应器系统结合使用。具体地，本公开的方法可用于形成纳米粒子气溶胶并最终将MX官能性纳米粒子捕集或收集在捕集流体中的任何等离子体反应器系统中。下文描述本发明方法的示例性等离子体过程。

无论用于制备纳米粒子的特定等离子体系统和过程如何，等离子体系统通常依赖于前体气体。前体气体通常基于期望的纳米粒子组成进行选择。例如，如上所述，纳米粒子气溶胶包含MX官能性纳米粒子，其中M为独立选择的第IV族元素。

为此，所用的前体气体通常包含M；即，前体气体通常包含硅、锗和锡(它们为第IV族元素)中的至少一种。例如，当MX官能性纳米粒子包括SiX官能性纳米粒子时，前体气体通常包含硅。在各种实施方案中，前体气体可选自硅烷、二硅烷、卤素取代的硅烷、卤素取代的二硅烷、C₁-C₄烷基硅烷、C₁-C₄烷基二硅烷以及它们的混合物。在本公开的一种形式中，前体气体包含诸如硅烷的硅前体，该硅前体占反应物气体混合物的0.1体积％至2体积％，该反应物气体混合物可另选地称为气体混合物。另选地，硅前体可占反应物气体混合物的0.1体积％至50体积％。一般来讲，前体气体是指用于使纳米粒子成核的反应性气体，并且反应物气体混合物可包含如下所述的气体，以形成包含硅前体气体的气体混合物或反应物气体混合物。气体混合物还可包含其他百分比的硅烷。前体气体可附加或另选地包含SiCl₄、HSiCl₃和H₂SiCl₂。

另选地，当MX官能性纳米粒子包括GeH官能性纳米粒子时，前体气体通常包含锗。在该实施方案中，前体气体可选自锗烷、二锗烷、卤素取代的锗烷、卤素取代的二锗烷、C₁-C₄烷基锗烷、C₁-C₄烷基二锗烷以及它们的混合物。纳米粒子可包含硅和锗两者，或第IV族元素的其他混合物，其中前体气体包含上述前体气体的组合。

此外，有机金属前体分子也可用于前体气体中或用作前体气体。这些分子包括第IV族金属和独立选择的有机基团。第IV族有机金属前体包括但不限于有机硅、有机锗和有机锡化合物。第IV族前体的一些示例包括但不限于烷基锗、烷基硅烷、烷基锡烷、氯硅烷、氯锗、氯锡烷、芳族硅烷、芳族锗和芳族锡烷。硅前体的其他示例包括但不限于二硅烷(Si₂H₆)、四氯化硅(SiCl₄)、三氯硅烷(HSiCl₃)和二氯硅烷(H₂SiCl₂)。用于形成结晶硅纳米粒子的又其他合适的前体分子包括烷基硅烷和芳族硅烷，诸如二甲基硅烷(H₃C-SiH₂-CH₃)、四乙基硅烷((CH₃CH₂)₄Si)和二苯基硅烷(Ph-SiH₂-Ph)。可用于形成结晶锗纳米粒子的锗前体分子的特定示例包括但不限于四乙基锗烷((CH₃CH₂)₄Ge)和二苯基锗烷(Ph-GeH₂-Ph)。

前体气体可与气体混合物或反应物气体混合物中的其他气体(诸如第一惰性气体)混合。第一惰性气体的示例包括由选自元素周期表第18族的元素组成的惰性气体，诸如氦气、氖气、氩气、氪气、氙气以及它们的各种混合物。惰性气体可另选地包括在存在于等离子体反应器内的任何其他物质内不反应的任何气体。当存在于气体混合物中时，基于反应物气体混合物的总体积，第一惰性气体可以1体积％至99体积％的量使用。基于反应物气体混合物的总体积，气体混合物可以包含量为0.1体积％至50体积％，另选地1体积％至50体积％的前体气体。

在这些或其他实施方案中，纳米粒子可经历掺杂而变成掺杂的纳米粒子。例如，纳米粒子可在等离子体中经历气相掺杂，其中前体气体为第一前体气体，并且第二前体气体在纳米粒子成核时解离并掺入纳米粒子中。纳米粒子也可或另选地在纳米粒子制备的气相下游，但在纳米粒子被捕集于捕集流体中之前经历掺杂。此外，当捕集流体用于收集纳米粒子时，可在其中预加载掺杂剂的捕集流体中制备掺杂的纳米粒子，在这种情况下，纳米粒子在捕集流体中就地掺杂。掺杂的纳米粒子可通过与有机硅气体或液体(包括但不限于三甲基硅烷、二硅烷和三硅烷)接触而形成。气相掺杂剂可包括但不限于BCl₃、B₂H₆、PH₃、GeH₄或GeCl₄。

在某些实施方案中，基于反应物气体混合物的总体积，反应物气体混合物还包含第二前体气体，其可以占0.1体积％至49.9体积％。第二前体气体可包含BCl₃、B₂H₆、PH₃、GeH₄或GeCl₄。第二前体气体还可包含含有碳、锗、硼、磷和/或氮的其他气体。基于反应物气体混合物的总体积，第一前体气体和第二前体气体的组合一起可构成0.1体积％至50体积％。

在本公开的另一种形式中，反应物气体混合物还包含氢气。基于反应物气体混合物的总体积，氢气可以1体积％至50体积％，另选地1体积％至25体积％，另选地1体积％至10体积％的量存在。然而，还设想反应物气体混合物可包含其他百分比的氢气。

在这些或其他实施方案中，纳米粒子可包含第IV族元素的合金，例如硅合金。可形成的硅合金包括但不限于碳化硅、硅锗、硅硼、硅磷和氮化硅。可通过将至少一种第一前体气体与第二前体气体混合或使用含有不同元素的前体气体来形成硅合金。然而，还可以设想形成合金化纳米粒子的其他方法。

如上所述，MX官能性纳米粒子的X包括独立地选自H和卤素原子的官能团。前体气体(或反应物气体混合物中的气体)通常基于MX官能性纳米粒子的所需官能团来选择。例如，当X为H时，反应物气体混合物通常包含氢气或较低浓度的卤化物质(例如SiCl₄、HSiCl₃、BCl₃、GeCl₄等)。相比之下，当X为卤素原子时，前体气体(或反应物气体混合物)包含卤化物质(例如SiCl₄、HSiCl₃、BCl₃、GeCl₄等)。这些氯化物质中的任一者可包含除氯之外的卤素原子，例如溴、氟或碘。例如，根据期望的官能团X，SiBr₄可与SiCl₄组合使用或代替SiCl₄。此外，在官能团X为卤素原子的实施方案中，反应物气体混合物还可包含卤素气体。例如，在官能团X为Cl的实施方案中，氯气(Cl₂)可作为单独的进料或与前体气体一起用于反应物气体混合物中。卤素气体(如果使用)的相对量可基于多种因素(诸如所选的前体气体等)进行优化。例如，当前体气体包含卤化物质时，可能需要较少量的卤素气体来制备卤素官能性纳米粒子。在某些实施方案中，卤素气体可以大于0％至25％、另选地1％至25％、另选地1％至10％的反应物气体混合物的总体积的量使用。

在各种实施方案中，等离子体反应器是等离子体系统(另选地称为等离子体反应器系统)的部件。下文描述了特别适用于本发明方法的等离子体反应器系统的具体实施方案。应当理解，下文所述的具体实施方案仅仅是适用于制备MX官能性纳米粒子的示例性等离子体过程的示例。

参见图1，等离子体反应器系统(另选地称为极高频低压等离子体反应器系统或低压高频等离子体反应器系统)在20处示出。在该实施方案中，等离子体反应器系统20包括等离子体生成室22(其可另选地称为等离子体反应器或放电管)，该等离子体生成室具有反应物气体入口29和出口30，该反应物气体入口和出口具有由其限定的孔口或孔31。粒子收集室26(其可另选地称为沉积室或真空粒子收集室)被配置成与等离子体生成室22流体连通。粒子收集室26将捕集流体27容纳在容器32中。容器32或捕集流体27可适于被搅动(未示出)。例如，容器32可定位在可旋转支承件(未示出)上或可包括搅拌机构。可接受的预期搅拌形式包括搅拌、旋转、倒置和其他合适的方法。捕集流体27的搅拌用于刷新捕集流体27的表面并迫使捕集的纳米粒子远离孔32的中心线。如果需要更高的纳米粒子吸收到捕集流体中的速率，则可使用更强烈形式的搅拌；例如，这种强烈搅拌的一种方法可包括超声处理。通常，捕集流体27在等离子体反应器系统的操作温度下为液体。等离子体反应器系统5还包括与粒子收集室26和等离子体生成室22流体连通的真空源28。

等离子体生成室22包括附接到可变射频(RF)功率放大器21的电极配置24。等离子体生成室22还包括第二电极配置25。第二电极配置25相对于电极配置24接地、DC偏压或以推挽方式操作。电极配置24、25用于将高频(HF)或极高频(VHF)功率耦合到反应物气体混合物，以如23所标识的区域内点燃并维持等离子体的辉光放电(其可另选地称为“点燃等离子体”)。然后将一种或多种第一反应性前体气体(其可另选地称为反应物气体混合物)的组分在等离子体中解离以提供带电原子，该带电原子成核以形成MX官能性纳米粒子。然而，设想了其他放电管22配置，并且可用于实施本文所公开的方法。

在图1的实施方案中，MX官能性纳米粒子收集在粒子收集室26中的捕集流体27中。为了控制MX官能性纳米粒子的直径，等离子体生成室22的出口30中的孔口31与捕集流体27的表面之间的距离在孔口31的直径的5倍至50倍(即，5倍至50倍的孔径)的范围内。将捕集流体27的表面定位得太靠近等离子体生成室的出口可导致等离子体与捕集流体27产生不良相互作用。相反，将捕集流体27的表面定位得离孔口太远降低粒子收集效率。由于收集距离是出口的孔径以及等离子体生成室与收集室之间的压降的函数，因此基于本文所述的操作条件，可接受的收集距离为1cm至20cm、另选地5cm至10cm、另选地6cm至12cm。

等离子体生成室22还包括HF或VHF RF电源(未示出)。经由任意函数发生器触发的变频RF功率放大器21从功率源供应功率，以在区域23中建立高频脉冲等离子体(另选地简称为等离子体)。通常，在气体中使用环形电极、平行板或阳极/阴极装置将射频功率电容耦合到等离子体中，从而产生电容耦合的等离子体放电。另选地，可在电感耦合等离子体(ICP)反应器布置中使用设置在放电管22周围的RF线圈将射频功率电感耦合到等离子体中。

等离子体生成室22还可包括电介质放电管(未示出)。通常，反应物气体混合物进入生成等离子体的电介质放电管。

由反应物气体混合物形成的MX官能性纳米粒子开始成核，因为第一反应性前体气体的分子组分在等离子体中解离。

在各种实施方案中，等离子体生成室22包括或者为石英。

真空源28通常包括真空泵。另选地，真空源28可包括机械泵、涡轮分子泵、扩散泵或低温泵。

在一个实施方案中，等离子体生成室22的电极配置24、25包括流通式喷头设计，其中VHF射频偏压的上游多孔电极板24与下游多孔电极板25分开，板孔彼此对准。孔可为圆形、矩形或任何其他所需的形状。另选地，等离子体生成室22可包括电极24，该电极耦合到VHF射频功率源并且具有尖端(未示出)，该尖端介于顶端与室22内部的接地环之间具有可变距离。

在一个实施方案中，HF或VHF射频功率源在10MHz至500MHz的频率范围内的预选RF下操作以生成等离子体，持续足以在气体中形成包含MX官能性纳米粒子的纳米粒子气溶胶的时间。在另一个实施方案中，预选射频是10MHz至500MHz或30mHz至150mHz的连续频率，并且分别对应于5W至1000W或1W至200W的耦合功率。进一步另选地，预选射频是100mHz至150mHz的连续频率。在一个另选的实施方案中，尖端13可以定位在距以推挽模式(180°异相)操作的VHF射频动力环14可变距离处。在另一个另选的实施方案中，电极配置24、25包括感应线圈，该感应线圈耦合到VHF射频功率源，使得射频功率通过由感应线圈形成的电场递送到反应物气体混合物。等离子体生成室22的部分可抽空到1×10^-7托至500托或100毫托至10托范围内的真空水平。还设想了与本文所公开的方法一起使用的其他电极耦合配置。

在图1的例示的实施方案中，区域23中的等离子体经由RF功率放大器(诸如例如ARWorldwide KAA2040型或Electronics and Innovation 3200L型或EM Power RF Systems，Inc.BBS2E3KUT型)引发(另选地称为点燃)。放大器可以由任意函数发生器(例如，Tektronix AFG3252函数发生器)驱动(或脉冲)，该任意函数发生器能够产生0.15MHz至150MHz的高达200瓦特的功率。在若干实施方案中，任意函数可能能够利用脉冲串、振幅调制、频率调制或不同波形来驱动功率放大器。放大器与反应物气体混合物之间的功率耦合通常随着RF功率的频率增加而增加。较高频率的驱动功率可允许功率源与放电之间的耦合更有效。增加的耦合可表现为电压驻波比(VSWR)的减小。

其中p为反射系数，

其中Zp和Zc分别表示等离子体和线圈的阻抗。在低于30MHz的频率下，仅将2％-15％的功率递送至等离子体放电。这具有在RF电路中产生高反射功率的效果，这会导致发热增加和功率源寿命有限。相比之下，较高的频率允许更多的功率递送到等离子体放电，从而减少RF电路中反射功率的量。

在一个实施方案中，预选等离子体放电的功率和频率以产生用于形成MX官能性纳米粒子的最佳操作空间。通常，调谐功率和频率两者会在等离子体放电中产生适当的离子和电子能量分布，以有助于解离反应性前体气体的分子并使MX官能性纳米粒子成核。等离子体放电的功率控制等离子体放电内各个粒子的温度。通过控制等离子体放电内各个粒子的温度，可以控制在等离子体放电内形成的纳米粒子的结晶度。较高的功率产生结晶粒子，而低功率产生无定形粒子。对功率和频率两者的适当控制防止纳米粒子根据所需尺寸生长过大。

可脉冲图1中所示的等离子体反应器系统20以使操作员能够直接管理纳米粒子成核的停留时间，从而控制等离子体中的粒度分布和附聚动力学。系统20的脉冲功能允许对等离子体中的粒子停留时间进行受控调谐，这会影响MX官能性纳米粒子的尺寸。通过减少等离子体的“开启”时间，成核粒子具有较少的附聚时间，因此可平均减小MX官能性纳米粒子的尺寸(即，可将纳米粒子分布转变为较小直径的粒度)。

纳米粒子合成位置与捕集流体27表面之间的距离通常为足够短，以避免夹带的纳米粒子发生不需要的附聚。

还可以通过相对于所述至少一种前体气体分子通过放电控制等离子体停留时间、VHF射频低压辉光放电的高离子能量/密度区域来控制纳米粒子的粒度分布。通常，VHF射频低压辉光放电的等离子体停留时间相对于气体分子停留时间越短，在恒定操作条件下平均纳米粒子直径越小。操作条件可由放电驱动频率、驱动振幅、放电管压力、室压力、等离子体功率密度、前体质量流速和与等离子体源电极的收集距离来限定。然而，还可以设想其他操作条件。例如，随着VHF射频低压辉光放电的等离子体停留时间相对于气体分子停留时间增加，平均纳米粒子直径遵循y＝y₀-exp(-t_r/C)的指数增长模型，其中y为平均纳米粒子直径，y₀为偏移量，t_r为等离子体停留时间，并且C为常数。粒度分布还可随着在其他恒定操作条件下等离子体停留时间的增加而增加。

在另一个实施方案中，可以通过控制VHF射频低压辉光放电中至少一种前体气体的质量流速来控制纳米粒子的平均粒径(以及纳米粒子尺寸分布)。例如，随着前体气体(或多种气体)的质量流速在VHF射频低压等离子体放电中增加，合成的平均纳米粒子直径可遵循形式y＝y_o+exp(-MFR/C’)的指数衰减模型减小，其中y为平均纳米粒子直径，y_o为偏移量，MFR为前体质量流速，并且C’为恒定操作条件的常数。典型的操作条件可包括放电驱动频率、驱动振幅、放电管压力、室压力、等离子体功率密度、通过等离子体的气体分子停留时间以及与等离子体源电极的收集距离。合成的平均纳米粒子尺寸分布也可按照形式y＝y_o+exp(-MFR/K)的指数衰减模型减小，其中y为平均纳米粒子直径，y_o为偏移量，MFR为前体质量流速，并且K为恒定的操作条件的常数。

有利地，以较高频率范围操作等离子体反应器系统20并脉冲等离子体提供了与使用等离子体不稳定性来产生高离子能量/密度的常规收缩/细丝放电技术相同的条件，但附加优点是使用者可以控制操作条件以选择和产生具有各种预定尺寸的MX官能性纳米粒子，这会影响其特征物理性质，例如光致发光。

对于脉冲注入，MX官能性纳米粒子的合成(其可另选地称为沉积)可以使用脉冲能量源(诸如脉冲极高频RF等离子体、高频RF等离子体或用于热解的脉冲激光)来实现。通常，VHF射频以1kHz至50kHz范围内的频率脉冲。

将MX官能性纳米粒子转移到捕集流体27的另一种方法是在等离子体被点燃的同时脉冲输入反应物气体混合物。例如，可点燃其中存在第一反应性前体气体的等离子体以合成MX官能性纳米粒子，用存在的至少一种其他气体(诸如惰性气体)点燃以维持放电。当用质量流量控制器停止第一反应性前体气体的流动时，停止MX官能性纳米粒子的合成。当再次开始流动第一反应性前体气体时，继续合成MX官能性纳米粒子。这产生了MX官能性纳米粒子的脉冲流。该技术可以用于当冲击捕集流体27的MX官能性纳米粒子的通量大于MX官能性纳米粒子进入捕集流体27的吸收速率时增加捕集流体27中MX官能性纳米粒子的浓度。还可通过将等离子体循环至低离子能量状态或通过关闭等离子体将MX官能性纳米粒子从等离子体反应器22抽空到粒子收集室26。

在另一个实施方案中，MX官能性纳米粒子经由产生压差的孔口或孔31从等离子体生成室22转移到含有捕集流体27的粒子收集室26。预期等离子体生成室22与粒子收集室26之间的压差可通过多种方式控制。在一种配置中，放电管22的内径远小于粒子收集室26的内径，从而产生压降。换句话讲，真空粒子收集室26的压力小于反应室22的压力。在各种实施方案中，沉积室的压力＜1×10^-5托(由高真空泵，即涡轮分子泵、低温泵或扩散泵产生)。压降足以产生流出等离子体室的粒子的超音速射流。超音速射流使任何气相粒子与粒子的相互作用最小化，从而保持纳米粒子单分散在气流中。在另一种配置中，接地的物理孔口或孔31可以置于放电管22与收集室26之间，基于等离子体的德拜长度和室22的尺寸，该接地的物理孔口或孔迫使等离子体部分驻留在孔31内。另一种配置包括使用变化的静电孔31，其中产生迫使带负电的等离子体通过孔口31的同心正电荷。

纳米粒子离开设置在等离子体生成室22中的等离子体。在某些实施方案中，当纳米粒子为硅纳米粒子时，纳米粒子在其表面上具有SiH_x(x＜4)、自由基(悬空键)和/或卤素物质(如果存在于放电管中)。

如上首先所述，在图1的实施方案中，在等离子体生成室22中第一反应物前体气体的分子解离后，MX官能性纳米粒子形成并且被夹带在气相中。通常选择纳米粒子合成位置与捕集流体27的表面之间的距离，使得在MX官能性纳米粒子夹带于气相中时不发生不需要的成核或官能化。如果MX官能性纳米粒子在气相内相互作用，则许多单独的小MX官能性纳米粒子的附聚将形成并被捕集在捕集流体27中。如果在气相内发生过多的相互作用，则MX官能性纳米粒子可烧结在一起并形成具有较大平均直径的MX官能性纳米粒子。收集距离被定义为从等离子体生成室22的出口到捕集流体27的表面的距离。在描述等离子体反应器系统20的另选的实施方案后，下文详细描述捕集流体27。

与其中经由该离子体过程制备MX官能性纳米粒子的该具体实施方案相关的另外方面在国际(PCT)公布号WO 2011/109299(PCT/US2011/026491)中有所描述，该专利全文以引用方式并入本文。

参见图2，等离子体反应器系统的一个另选的实施方案在50处示出。在该实施方案中，在具有反应器22和与反应器22流体连通的扩散泵120的等离子体反应器系统50中制备MX官能性纳米粒子，其中扩散泵120用于收集MX官能性纳米粒子。具有各种尺寸分布和性质的MX官能性纳米粒子可通过引入包含夹带在气体中的MX官能性纳米粒子的纳米粒子气溶胶来制备，其中纳米粒子在反应器22中产生(例如，低压等离子体反应器)，进入与反应器22流体连通的扩散泵120，捕集包含捕集流体(未示出)的冷凝物中气溶胶的MX官能性纳米粒子，并且将包含纳米粒子的冷凝物收集在贮存器107中。在图2的实施方案中，捕集流体可另选地称为扩散泵流体，但捕集流体和扩散泵流体在本文中通常称为“捕集流体”并且在本文中共同描述。

适用于本发明实施方案的示例性反应器在WO 2010/027959和WO 2011/109229的中描述，所述公布中的每一者均以引用方式分别整体并入本文。此类反应器可以是但不限于低压高频脉冲等离子体反应器。例如，图2示出了图1的实施方案的等离子体反应器22，但包括与反应器22流体连通的扩散泵120。为此，本文相对于图2的实施方案不再重复关于上文已经完整描述的该特定等离子体反应器22的描述。

在图2的实施方案中，等离子体反应器系统50包括扩散泵120。因此，可以通过扩散泵120收集MX官能性纳米粒子。粒子收集室26可与等离子体生成室22流体连通。扩散泵120可与粒子收集室26和等离子体生成室22流体连通。在本公开的其他形式中，等离子体反应器系统50可不包括粒子收集室26。例如，出口30可耦合到扩散泵120的入口103，或者扩散泵120可与等离子体生成室22基本上直接流体连通。

图3是适用于图2的实施方案的等离子体反应器系统50的示例性扩散泵120的横截面示意图。扩散泵120可以包括具有入口103和出口105的室101。入口103可具有5cm至140cm的直径，并且出口可具有1cm至21cm的直径。室101的入口103与反应器20的出口30流体连通。扩散泵120可具有例如65至65,000升/秒或大于65,000升/秒的泵送速度。

扩散泵120包括与室101流体连通的贮存器107。贮存器107支撑或容纳捕集流体。贮存器可具有30ml至15升的体积。扩散泵中捕集流体的体积可为30ml至15升。扩散泵120还可以包括用于蒸发贮存器107中的捕集流体的加热器109。加热器109加热捕集流体并蒸发捕集流体以形成蒸气(例如，液相到气相的转化)。例如，可将捕集流体加热至100℃至400℃或180℃至250℃。

喷射组件111可以与贮存器107流体连通，并且喷射组件111可以包括用于将气化的捕集流体排放到室101中的喷嘴113。气化的捕集流体通过喷射组件111流动并上升，并从喷嘴113中排出。气化的捕集流体的流动在图3中使用箭头示出。气化的捕集流体冷凝并流回到贮存器107。例如，喷嘴113可以抵靠室101的壁排放气化的捕集流体。室101的壁可用冷却系统114诸如水冷却系统冷却。室101的冷却壁可能导致气化的捕集流体冷凝。然后，冷凝的捕集流体可以在重力作用下沿着室101的壁向下流动并流回到贮存器107。捕集流体可以连续循环通过扩散泵120。捕集流体的流动使得进入入口103的气体从室101的入口103扩散到出口105。真空源33可与室101的出口105流体连通，以帮助从出口105移出气体。

当气体流过室101时，夹带在气体中的MX官能性纳米粒子可被捕集流体吸收，从而该捕集流体从气体中收集MX官能性纳米粒子。例如，MX官能性纳米粒子的表面可被气化和/或冷凝的捕集流体润湿。与静态流体相比，搅动循环捕集流体可进一步提高MX官能性纳米粒子的吸收速率。室101内的压力可小于1毫托。

具有MX官能性纳米粒子的捕集流体可以从扩散泵120中移出。例如，可连续移出具有MX官能性纳米粒子的捕集流体，并将其替换为基本上不包含MX官能性纳米粒子的捕集流体。

有利的是，扩散泵120不仅可以用于收集MX官能性纳米粒子，而且可以用于抽空反应器22和收集室26。例如，反应器22中的操作压力可以为低压，例如小于大气压，小于760托，或介于1托与760托之间。收集室26可以例如在1至5毫托的范围内，或具有小于1×10^-5托的压力。还可以设想其他操作压力。

系统50还可包括与扩散泵120的出口105流体连通的真空泵或真空源33。可以选择真空源33以便扩散泵120正常操作。在本发明实施方案的一种形式中，真空源33包括真空泵(例如，辅助泵)。真空源33可包括机械泵、涡轮分子泵或低温泵。然而，还可以设想其他真空源。

用图2的系统50制备MX官能性纳米粒子的一种方法可包括在反应器22中形成纳米粒子气溶胶。纳米粒子气溶胶可以包含气体中的MX官能性纳米粒子，并且该方法还包括将纳米粒子气溶胶从反应器5引入到扩散泵120中。在该实施方案中，该方法还可包括加热贮存器107中的捕集流体以形成蒸气，将蒸气输送通过喷射组件111，通过喷嘴113将蒸气排到扩散泵120的室101中，冷凝蒸气以形成冷凝物，以及使冷凝物流回到贮存器107。该方法还可包括在包含捕集流体的冷凝物中捕集MX官能性纳米粒子气溶胶的MX官能性纳米粒子，以及将捕集的MX官能性纳米粒子收集在贮存器107中。在包含捕集流体的冷凝物中捕集气溶胶的MX官能性纳米粒子的作用可与在捕集流体中收集气溶胶的MX官能性纳米粒子的作用相同。该方法还可以包括用真空泵33从扩散泵120中移出气体。在上文所述和图1中所示的实施方案中，将MX官能性纳米粒子直接收集在捕集流体中。然而，在紧接在上文所述并在图2和图3中示出的实施方案中，捕集流体在扩散泵120中气化并冷凝，并且当气化的捕集流体冷凝时，MX官能性纳米粒子最终被捕集或收集在捕集流体中。

与用于制备纳米粒子气溶胶的特定等离子体反应器无关，将MX官能性纳米粒子收集在捕集流体或也可用作捕集流体的扩散泵流体中。

如上所述，捕集流体包含极性非质子流体。各种实施方案的极性非质子流体(其可另选地在本文中称为非质子流体)在25℃下具有5cP至200厘泊(cP)的粘度。如本领域所理解的，可以经由BrookfieldLVDV-E粘度计在25℃下测量粘度。极性非质子流体可用作纳米粒子的溶剂或媒介物，如下文更详细地描述。IUPAC将“偶极非质子溶剂”(另选地在本文中称为极性非质子流体或极性非质子流体)定义为具有大于约15的相对高的相对介电常数(permittivity/dielectric constant)和相当大的永久偶极矩的溶剂，该溶剂不能提供合适的不稳定氢原子以形成强氢键。极性非质子溶剂通常不是完全“非质子的”，而是亲质子的(并且最多弱给质子的)。

适用作极性非质子流体的极性非质子流体的非限制性示例包括碳酸烷基酯(例如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯)、酯类(例如甲酸乙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯和乙酸乙酯)、环醚(例如1，3-二氧杂环戊烷、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃和2，5-二甲基四氢呋喃)、内酯(例如戊内酯和γ-丁内酯)、脂族醚(例如二乙醚和1，2-二甲氧基醚)、六甲基磷三酰胺(HMPT)、六甲基磷酰胺(HMPA)、二氯甲烷、N-甲基吡咯烷酮、烷基化亚烷基二醇(例如，单烷基聚亚烷基二醇和二烷基聚亚烷基二醇，包括四乙二醇二烷基醚，诸如四(乙二醇)二己基醚(DHTEG))、N-甲基吡咯烷酮、丙酮、二甲基甲酰胺(DMF)、乙腈、二甲亚砜(DMSO)、碳酸丙烯酯(PC)、二氯甲烷、四氢呋喃(THF)、乙腈以及它们的各种混合物。

在具体实施方案中，极性非质子流体包括或者为具有式R²-[OCH₂CH₂]_nOR³的聚亚烷基二醇二烷基醚，其中R²和R³中的每一者为独立选择的烃基基团，并且下标n＞2。在一些此类实施方案中，下标n为4，使得聚亚烷基二醇二烷基醚为四乙二醇二烷基醚。在这些或其他实施方案中，R²和R³中的每一者为独立选择的C₅-C₈烃基基团。合适的C₅-C₈烃基基团的示例包括戊基、己基、庚基和辛基基团。在一些此类实施方案中，R²和R³中的至少一者为己基。在特定实施方案中，R²和R³两者为己基，使得极性非质子流体包括四乙二醇二己基醚。

捕集流体包含极性非质子流体，如上所述。捕集流体还包含化合物(另选地称为官能化化合物或称为侧基前体)，该化合物包含与MX官能性纳米粒子的官能团X反应的官能团Y。捕集流体通常在将MX官能性纳米粒子收集在捕集流体中时包含官能化化合物。在其他实施方案中，在收集MX官能性纳米粒子之后将官能化化合物添加到捕集流体中。

使用极性非质子流体的一个优点是极性非质子流体允许官能化化合物(包含极性/亲水性侧基前体)溶解，同时不可与液态水混溶，这允许纳米粒子的钝化具有比使用两亲性流体诸如甲基封端的聚乙二醇(PEG)可能的更大控制。因此，在各种实施方案中，极性非质子流体不可与水混溶但可与官能化化合物混溶。此外，在各种实施方案中，极性非质子流体具有特别低的挥发性。

官能化化合物和化合物的官能团Y的选择基于MX官能性纳米粒子的官能团X。例如，某些官能团与氢反应，但不与卤素原子反应，而其他官能团与卤素原子反应，但不与氢反应。官能化化合物通常为有机的，即官能化化合物通常包含碳原子。

在某些实施方案中，MX官能性纳米粒子的官能团X为H，在这种情况下，MX官能性纳米粒子可被称为MH官能性纳米粒子。在这些实施方案中，官能化化合物的官能团Y包含脂族碳-碳多重键，使得官能化化合物可被定义为不饱和有机化合物。下文描述此类实施方案，即涉及MH官能性纳米粒子并且其中官能化化合物的官能团Y包含脂族碳-碳多重键(即，为不饱和有机化合物)的那些实施方案。

脂族碳-碳多重键可为双键(C＝C)或三键(C≡C)。此外，不饱和有机化合物可具有多于一个碳-碳多重键，其中每个碳-碳多重键独立地选自双键和三键。脂族碳-碳多重键可在不饱和有机化合物的主链内、不饱和有机化合物的侧链内、或不饱和有机化合物的末端位置处。例如，不饱和有机化合物可为直链的、支链的或部分支链的，并且脂族碳-碳多重键可位于不饱和有机化合物的任何位置处。通常，不饱和有机化合物是脂族的，但不饱和有机化合物可具有环状和/或芳族部分，只要碳-碳多重键位于不饱和有机化合物的脂族部分即可，即不饱和有机化合物的碳-碳多重键不存在于例如芳基基团中。在某些实施方案中，脂族碳-碳多重键存在于不饱和有机化合物的末端位置处，即不饱和有机化合物的α碳为碳-碳多重键的一部分。出于下文所述的原因，该实施方案通常减少脂族碳-碳多重键的空间位阻。

不饱和有机化合物不受特别限制，并且可基于本文中官能化化合物的描述和用途来选择。在某些实施方案中，不饱和有机化合物为烃化合物，即包含碳原子和氢原子，并且可以是取代或未取代的。所谓“取代的”，意指不饱和有机化合物的一个或多个氢原子可用除氢之外的原子(例如，杂原子，诸如氧、氮，或卤素原子，诸如氯、氟、溴等)代替，或不饱和有机化合物的链内的一个或多个碳原子可用除碳之外的原子代替，即不饱和有机化合物可以包含在链内的一个或多个杂原子，诸如氧、硫、氮等。

一般来讲，不饱和有机化合物在其链中包含至少5个、另选地至少10个、另选地至少15个、另选地至少20个、另选地至少25个碳原子。然而，如上所述，不饱和有机化合物的链的至少一个碳原子可被除碳之外的原子取代，例如O。为此，上文相对于不饱和化合物的链的碳原子所示的值还包括不饱和化合物的链的任何杂原子。例如，在各种实施方案中，不饱和有机化合物可例如在不饱和有机化合物的烃链中包含酯。在此类实施方案中，不饱和有机化合物通常为≥C₁₀酯。此类酯的具体示例包括十二烷酸烯丙酯、3-丁烯酸十二烷基酯、10-十一碳烯酸丙酯、乙酸10-十一烯醇酯、(甲基)丙烯酸十二烷基酯等。

在一些实施方案中，MX官能性纳米粒子的官能团X为独立选择的卤素原子。在这些实施方案中，官能团X独立地选自氟(F)、氯(C1)、溴(Br)和碘(I)。通常，当X为卤素原子时，X为Cl。在这些实施方案中，捕集流体的官能化化合物的官能团Y与MX官能性纳米粒子的官能团X反应，即官能团Y与卤素原子反应。

在MX官能性纳米粒子的官能团X为独立选择的卤素原子的实施方案中，官能化化合物的具体示例包括但不限于醇化合物，诸如甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、正丁醇、仲丁醇、异丁醇、叔丁醇、正己醇、正辛醇、正癸醇；硫醇化合物，诸如甲硫醇、乙硫醇、1-丙硫醇、2-丙硫醇、正丁硫醇、仲丁硫醇、异丁硫醇、叔丁硫醇、正己硫醇、正辛硫醇、正癸硫醇；胺化合物，诸如甲胺、二甲胺、乙胺、二乙胺、苯胺、二苯胺；羧酸化合物，诸如乙酸、丙酸、丁酸、己酸、辛酸、癸酸、苯甲酸；硫化物化合物，诸如硫化氢；酰胺化合物，诸如乙酰胺、丙酰胺、丁酰胺、己酰胺、辛酰胺、癸酰胺、苯甲酰胺；膦化合物，诸如甲基膦、二甲基膦、乙基膦、二乙基膦、苯基膦、二苯基膦；金属卤化物化合物，诸如氟化锂、氯化锂、溴化锂、氟化钠、氯化钠、溴化钠、氟化钾、氯化钾、溴化钾；末端炔烃化合物，诸如乙炔、丙炔、丁-1-炔、己-1-炔、辛-1-炔、苯乙炔；有机金属化合物、碱金属酰胺化合物，诸如氨基锂、甲基氨基锂、二甲基氨基锂、二异丙基氨基锂；金属硫醇盐化合物，诸如甲硫醇锂、甲硫醇钠、甲硫醇钾、乙硫醇锂、乙硫醇钠、乙硫醇钾、苯硫酚锂、苯硫酚钠、苯硫酚钾；以及它们的组合。有机金属化合物的具体示例包括但不限于金属醇盐化合物，诸如甲醇锂、甲醇钠、甲醇钾、乙醇锂、乙醇钠、乙醇钾、苯酚锂、苯酚钠、苯酚钾；格氏试剂，诸如甲基氯化镁、甲基溴化镁、乙基氯化镁、乙基溴化镁、苯基氯化镁、苯基溴化镁；有机锌试剂，诸如二甲基锌、二乙基锌、二苯基锌、甲基氯化锌、甲基溴化锌、乙基氯化锌、乙基溴化锌、苯基氯化锌、苯基溴化锌；盖尔曼试剂，诸如二甲基铜酸锂、二乙基铜酸锂、二苯基铜酸锂；有机钠试剂，诸如甲基钠、乙基钠、苯基钠；有机钾试剂，诸如甲基钾、乙基钾、苯基钾；有机钙试剂，诸如甲基碘化钙、二苯基钙、二苄基钙；有机锂试剂，诸如甲基锂、乙基锂、苯基锂；以及它们的组合。

在各种实施方案中，官能化化合物的官能团Y为与MX官能性纳米粒子的卤素原子X反应的亲核官能团。在此类实施方案中，官能化化合物可为醇化合物、硫醇化合物、氰酸类化合物、胺化合物、叠氮化合物、腈化合物、羧酸化合物、硫化物化合物、酰胺化合物、膦化合物、金属卤化物化合物、末端炔烃化合物、有机金属化合物、碱金属酰胺化合物、金属硫醇盐化合物或它们的组合。应当理解，提及官能化化合物为“醇化合物”、“硫醇化合物”等是指包含通常构成官能团Y的特定官能团(例如，醇和/或硫醇官能团)的官能化化合物。

上文刚刚列出的官能化化合物的具体示例中的每一者包含与卤素原子反应的官能团Y。如在官能化化合物包括不饱和有机化合物的实施方案中，官能团Y可位于化合物内的任何位置处，但通常是末端的，例如键合到化合物的α碳。上述官能化化合物的一些具体示例可为复合物，例如包括配体。对于官能化化合物没有具体限制，只要官能化化合物与MX官能性纳米粒子的官能团X反应即可。

应当理解，本文相对于官能化化合物的特定部分(包括官能团Y及其其他部分)的描述可另选地或组合使用，使得官能化化合物可包含多个独立选择的官能团。

捕集流体通常包含官能化化合物，其量足以提供至少1∶1、另选地至少1.2∶1、另选地至少1.4∶1的MX官能性纳米粒子中官能团Y与MX键的摩尔比。可有利地利用远高于1.4∶1的摩尔比。

如果需要，官能化化合物可包含附加的官能团(即，除官能团Y之外的官能团)。例如，在某些实施方案中，官能化化合物还包含除官能团Y之外的至少一个官能团Z，其中官能团Z可转化成亲水性官能团。在各种实施方案中，官能化化合物可为亲水性或极性的(即，官能化化合物包含亲水性或极性部分)，并且不包括可转化成亲水性官能团的任何官能团Z。当官能化化合物包含Z基团或官能化化合物为亲水性或极性时，官能化化合物可被称为极性侧基前体或亲水性侧基前体，其中词语“前体”可被理解为另选地(取决于特定官能化化合物的性质)分别修饰词语“侧基”本身或短语“极性侧基”和“亲水性侧基”。

当提及官能团Z为可转化的时，应当理解，词语“可转化的”用于指示官能团Z可经历化学反应以产生亲水性官能团，该亲水性官能团在经历化学反应之前具有比官能团Z物质相对更大的亲水性。在某些实施方案中，官能团Z可选自上文示出的适用于官能团Y的官能团中的一些，但在此类实施方案中，官能团Z与化合物中的官能团Y分开并且是除化合物中的官能团Y之外的官能团。在各种实施方案中，官能团Z可通过与去保护化合物诸如四氟乙酸酯(TFA)接触并反应而转化成亲水性或极性官能团。

转化的具体示例为去保护反应，其在本领域中易于理解为从另外的反应性官能团移除保护基团。例如，在特定实施方案中，官能化化合物包含受保护的官能团，诸如三烷基硅烷基醚基团、缩酮基团等，该基团可容易地分别转化成未受保护的官能团，诸如，在该示例中为醇或二醇。此类受保护的官能团可用于防止方法期间不期望的反应，影响官能化化合物的溶解度和/或反应性，影响方法的任何反应产物的纯化或它们的组合。

亲水性官能团的具体示例包括羧酸官能团、醇官能团、羟基官能团、叠氮官能团、甲硅烷基醚官能团、醚官能团、膦酸酯官能团、磺酸酯官能团、硫醇官能团、胺官能团、酸酐官能团以及它们的组合。胺官能团可为伯胺、仲胺、叔胺或环状的。此类亲水性官能团可直接键合到官能化化合物的链，例如键合到链的碳原子，或者可经由杂原子或二价连接基团键合。在各种实施方案中，除官能团Z之外或在不存在任何官能团Z的情况下，官能化化合物还包含不同于Y的亲水性官能团。

在某些实施方案中，官能化化合物可包含亲水性官能团，诸如上述亲水性官能团中的任一者。另选地，官能化化合物可包含可转化成亲水性官能团的至少一个官能团Z，使得官能化化合物不包含亲水性官能团，直到至少一个官能团Z转化成亲水性官能团。

可转化成亲水性官能团的至少一个官能团Z的具体示例包括但不限于：酯官能团，包括含氧酸的那些基团，诸如羧酸、硫酸、磷酸、硝酸和硼酸的酯；酰卤官能团；酰胺官能团；腈官能团；二硫化物官能团；环氧化物官能团；甲硅烷基醚官能团；除脂族碳-碳多重键之外的烯键式不饱和基团；噁唑啉官能团；以及酸酐官能团。含氧酸的酯可衍生自任何醇与特定含氧酸的缩合，其中醇可为脂族或芳族的。至少一个官能团Z可为官能化化合物的取代基或官能化化合物内的部分。例如，当官能化化合物包含酯官能团时，酯官能团通常为官能化化合物内的部分，而不是与其键合的取代基。

官能化化合物的至少一个官能团Z通常基于MX官能性纳米粒子的官能团X以及化合物的官能团Y来选择。例如，当X为H时，使X和Y反应产生Si-C键。相比之下，当X为独立选择的卤素原子时，使X与Y反应可产生SiC键、Si-O-C键和/或Si-N-C键。由于Si-O-C键和/或Si-N-C键可水解，因此形成亲水性官能团的进一步反应通常不在水性介质中进行。在这些实施方案中，化合物还可包含丁氧羰基基团。

在特定实施方案中，官能化化合物包括或者为双甘油醚化合物。在一些此类实施方案中，双甘油醚化合物具有下式：

在官能团Y包含不饱和基团的情况下，官能团Z包含受保护的醇基团(即，受保护的亲水性基团)，并且每个R为独立选择的烃基基团或H。本领域的技术人员将会理解，上式中的缩醛/缩酮基团也可以举例说明官能团Z，因为此类缩醛/缩酮可以经由酸性去保护转化成1，2-二醇官能团。在一些此类实施方案中，Y为烯丙基基团，Z为三甲基甲硅烷基(TMS)保护的醇，并且每个R为甲基，使得双甘油醚化合物具有以下结构：

其在本文中可称为O-TMS烯丙基乙二醇双甘油醚二甲基缩酮。

捕集流体可包含可适用于捕集纳米粒子的任何化合物、组分或流体。例如，用于常规捕集流体中的常规组分可用作捕集。捕集流体的具体示例包括有机硅流体，诸如聚二甲基硅氧烷、苯基甲基-二甲基环硅氧烷、四甲基四苯基三硅氧烷和/或五苯基三甲基三硅氧烷；烃油(例如Diffoil Ultra 20或Permavis 10)；苯基醚；氟化聚苯醚；离子流体；亚砜(例如，无水甲基亚砜)；氟碳化合物流体；以及它们的各种组合。捕集流体在23℃±3℃下可具有0.001至1Pa·s、0.005至0.5Pa·s或0.01至0.1Pa·s的动态粘度。此外，流体可具有小于1×10^-4托的蒸气压。在一些实施方案中，捕集流体处于-20℃至150℃范围内的温度和1至5毫托(0.133Pa至0.665Pa)范围内的压力下。需要低粘度的捕集流体，以允许MX官能性纳米粒子注入捕集流体中或被捕集流体吸收，而不在捕集流体的表面上形成膜。在一些实施方案中，捕集流体具有小于粒子收集室26中的压力的蒸气压。

可以设想，捕集流体可用作材料处理和储存介质。在一个实施方案中，选择捕集流体以允许在收集纳米粒子时纳米粒子被吸收并分散到捕集流体中，从而在捕集流体中形成纳米粒子的分散体或悬浮液。

在各种实施方案中，基于捕集流体的总重量，捕集流体包含其量大于0至100重量％，另选地大于0至50重量％，另选地1重量％至40重量％，另选地2重量％至30重量％，另选地5重量％至15重量％的官能化化合物。在各种实施方案中，相对于捕集流体所测量，官能化化合物的浓度为0.01重量％至10重量％。捕集流体的平衡可包含上述组分或捕集流体中的任一者，但也包含极性非质子流体。

在某些实施方案中，该方法还包括任选地在组合物中使MX官能性纳米粒子与捕集流体的官能化化合物反应以形成官能化纳米粒子。

MX官能性纳米粒子和官能化合物可经由已知的方法彼此反应。当X为H时，该反应通常称为加成反应。在当MH官能性纳米粒子包括SiH官能性纳米粒子时进行的加成反应中，上述不饱和有机化合物的碳-碳多重键与SiH官能性纳米粒子发生加成反应。对于SiH官能性纳米粒子，该加成反应称为氢化硅烷化；对于GeH官能性纳米粒子，该加成反应称为氢化锗化；对于SnH官能性纳米粒子，该加成反应称为氢化锡化。另选地，当X为独立选择的卤素原子时，通常基于所使用的官能化化合物对MX官能性纳米粒子与官能化化合物之间的反应进行分类。

在某些实施方案中，特别是当X为H并且官能化化合物包括不饱和有机化合物时，使MX官能性纳米粒子与不饱和有机化合物反应包括用UV辐射照射捕集流体中的MH官能性纳米粒子的悬浮液。例如，可光引发MH官能性纳米粒子与不饱和有机化合物发生反应。当使MH官能性纳米粒子与不饱和有机化合物反应包括用辐射照射捕集流体中的MH官能性纳米粒子的悬浮液时，辐射通常为具有10nm至400nm、另选地280nm至320nm波长的电磁辐射。

另选地或除辐射之外，使MX官能性纳米粒子与官能化化合物反应可包括将MX官能性纳米粒子的悬浮液和捕集流体加热至第一温度或在第一温度下加热第一时间段。当利用热量使MX官能性纳米粒子与化合物反应时，第一温度通常为50℃至250℃，并且第一时间段为5分钟至500分钟。

仍另选地，一旦将MX官能性纳米粒子收集在捕集流体中，MX官能性纳米粒子就可与官能化化合物反应，使得不利用或应用反应条件(例如，照射或加热)。然而，热量或照射通常改善MX官能性纳米粒子与官能化化合物之间的反应。MX官能性纳米粒子的官能化可改善所得纳米粒子组合物的物理特性，包括光致发光和光致发光强度。

如果需要，可在使MX官能性纳米粒子与官能化化合物反应的作用期间利用催化剂或光催化剂。此类催化剂基于所需的反应机理是本领域熟知的，例如当X为H时，可使用任何适于氢化硅烷化的催化剂，其通常基于贵金属，例如铂。然而，使MX官能性纳米粒子与官能化化合物反应的作用不需要催化剂或光催化剂。

当官能化化合物包含可转化成亲水性官能团的至少一个官能团Z时，该方法还可包括将官能团Z转化成亲水性官能团的步骤。化合物的官能团Z可在使MX官能性纳米粒子与官能化化合物反应之前、期间和/或之后转化成亲水性官能团。通常，在使MX官能性纳米粒子与官能化化合物反应之后，官能化化合物的官能团Z转化成亲水性官能团。

官能化化合物的官能团Z可经由已知的方法转化成亲水性官能团。在各种实施方案中，将官能化化合物的官能团Z转化成亲水性官能团包括水解官能团Z。

在各种实施方案中，官能化化合物的官能团Z可通过酸性或碱性处理转化成亲水性官能团。在这些实施方案中，通常选择所用的酸或碱，使得酸或碱可与捕集流体混溶。此外，通常选择酸使得其可例如通过真空或用溶剂洗涤而从捕集流体中去除。为此，酸可选自三氟乙酸、氢氟酸以及它们的组合。酸可以各种浓度以水性形式使用。

在一个具体实施方案中，在捕集流体中收集MX官能性纳米粒子，并且使MX官能性纳米粒子与官能化化合物在捕集流体中反应。在使MX官能性纳米粒子与官能化化合物反应之后，产生具有由官能化化合物形成的取代基的纳米粒子。如果官能化化合物还包含可转化成亲水性官能团的官能团Z，则官能团Z存在于纳米粒子的取代基中。为此，如果官能化化合物还包含可转化成亲水性官能团的官能团Z，则该方法还可包括将官能团Z转化成亲水性基团。任选地在包括含水酸的捕集流体的回流温度下，可将含水酸置于捕集流体中以将官能团Z转化为亲水性官能团。在将官能团Z转化成亲水性官能团之后，纳米粒子的取代基包括亲水性官能团。

在各种实施方案中，该方法还包括分离纳米粒子和捕集流体以形成分离的纳米粒子。例如，可通过离心和/或滗析分离纳米粒子和捕集流体以产生分离的纳米粒子。可通过在溶剂(例如甲苯或己烷)中悬浮来进一步洗涤分离的纳米粒子，然后通过离心和/或滗析与溶剂反复分离。分离的纳米粒子可最终例如在真空中干燥以形成干燥的固体。在各种实施方案中，分离的纳米粒子为固体。在该实施方案中，分离的纳米粒子是自支撑的并且不在溶液或悬浮液中。分离的纳米粒子可用于各种最终用途和应用中。

此外，当化合物包含可转化成亲水性官能团的官能团Z时，并且当方法还包括将官能团转化成亲水性官能团时，分离的纳米粒子可有利地悬浮于极性溶剂中，这提供了显著的优点。例如，该方法还可包括使分离的纳米粒子任选地与例如来自解离的碳酸氢钠的离子一起悬浮于极性溶剂(例如水性溶液)中。极性溶剂可选自水和偶极非质子有机溶剂。

在使MX官能性纳米粒子与官能化化合物反应之后，产生具有取代基的纳米粒子，该取代基通常为有机的并且由官能化化合物形成。例如，官能化化合物通常共价键合到纳米粒子，例如作为配体或取代基。纳米粒子通常不再是MX官能的，因此纳米粒子在溶液或悬浮液中具有增加的稳定性。捕集流体中包含纳米粒子的悬浮液通常称为纳米粒子组合物。本公开还提供了根据该方法形成的纳米粒子组合物。

MX官能性纳米粒子和纳米粒子组合物可通过上述方法中的任一者制备。各种组合物中的任一者可包含纳米粒子或MX官能性纳米粒子；例如，化妆品组合物，或包含分散于载体流体中的纳米粒子或MX官能性纳米粒子的组合物。根据等离子体过程中所用的前体气体和分子，可制备各种组成的纳米粒子。以下描述通常是指纳米粒子，其适用于MX官能性纳米粒子以及通过使MX官能性纳米粒子与官能化化合物反应而形成的纳米粒子组合物的纳米粒子两者。

由于量子限制效应，纳米粒子可表现出许多独特的电子性质、磁性质、催化性质、物理性质、光电性质和光学性质。例如，许多半导体纳米粒子表现出的光致发光效应显著大于类似组成的宏观材料的光致发光效应。

硅纳米粒子的直径可以由以下公式计算：

如Proot等人Appl.Phys.Lett.，61，1948(1992)；Delerue等人Phys.Rev.B.，48，11024(1993)和Ledoux等人Phys.Rev.B.，62，15942(2000)中所阐述，其中h为普朗克常数，c为光速，并且E_g为硅的本体带隙。

MX官能性纳米粒子和纳米粒子可独立地具有小于50nm、小于20nm、小于10nm或小于5nm的最大尺寸或平均最大尺寸。任选地，纳米粒子具有大于0.1nm的最大尺寸。此外，纳米粒子的最大尺寸或平均最大尺寸可介于1nm与50nm之间，介于2nm与50nm之间，介于2nm与20nm之间，介于2nm与10nm之间，或介于2.2nm与4.7nm之间。可以通过多种方法(诸如用透射电子显微镜(TEM))测量纳米粒子的最大尺寸。例如，如本领域所理解的，通常经由对数百个不同纳米粒子进行TEM图像分析来计算粒度分布。在各种实施方案中，纳米粒子可包括量子点，通常为硅量子点。量子点具有限制在所有三个空间维度上的激子，并且可包括单独的晶体，即每个量子点是单晶。

在各种实施方案中，纳米粒子在通过暴露于UV光激发时可以是光致发光的。根据纳米粒子的平均直径，纳米粒子可在可见光谱中的任何波长下光致发光，并且可在视觉上看起来为红色、橙色、绿色、蓝色、紫色或可见光谱中的任何其他颜色。例如，当纳米粒子具有小于5nm的平均直径时，可观察到可见的光致发光，并且当纳米粒子具有小于10nm的平均直径时，可观察到近红外(IR)发光。在本公开的一种形式中，纳米粒子在365nm的激发波长下具有至少1×10⁶的光致发光强度。可用具有450W Xe激发源、激发单色器、样品夹持器、边带滤光器(400nm)、发射单色器和硅检测器光电倍增管的Fluorolog3分光光度计(可从Horiba(Edison，NJ)商购获得)测量光致发光强度。为了测量光致发光强度，将激发和发射狭缝宽度设定为2nm，并且将积分时间设定为0.1s。在这些或其他实施方案中，硅纳米粒子在395nm的激发波长下可具有至少4％的量子效率，如在HR400分光光度计(可从OceanOptics(Dunedin，Florida)商购获得)上经由耦合到积分球的1000微米光纤以及入射光子的吸收率＞10％的分光光度计所测量的。通过将样品置于积分球中并经由Ocean OpticsLED驱动器所驱动的395nm LED激发样品来计算量子效率。用已知的灯源校准系统，以测量来自积分球的绝对辐照度。然后通过由纳米粒子发射的总光子与由纳米粒子吸收的总光子的比率来计算量子效率。此外，在这些或其他实施方案中，纳米粒子在270nm-500nm的激发波长下可具有20至250的半高全宽发射。

不希望受特定理论的限制，据认为硅纳米粒子的光致发光是由硅纳米粒子的直径小于激发半径时发生的量子限制效应(这会导致带隙弯曲(即间隙增加))引起的。纳米粒子的带隙能量根据纳米粒子的直径而变化。尽管硅是本体中的间接带隙半导体，但直径小于5nm的硅纳米粒子可模拟直接带隙材料，这通过激子的界面俘获可以实现。

此外，光致发光强度和发光量子效率两者可随时间推移继续增加，尤其是当纳米粒子暴露于空气以使纳米粒子的表面钝化时。在本公开的另一种形式中，当被钝化(例如，暴露于氧气)时，纳米粒子的最大发射波长随时间推移偏移至较短波长(即，发射光谱的蓝移)。在钝化时，纳米粒子的发光量子效率可增加200％至2500％。然而，还可以设想发光量子效率的其他增加。光致发光强度可从400％增加至4500％，这取决于钝化的时间程度以及纳米粒子在它们悬浮的流体中的浓度。然而，还可以设想光致发光强度的其他增加。从纳米粒子发射的光的波长谱随着纳米粒子的钝化而经历蓝移。在本公开的一种形式中，最大发射波长经历100nm的蓝移，对应于纳米粒子尺寸减小大约1nm，这取决于钝化的持续时间。然而，本文还可以设想其他最大发射波长偏移。另选的钝化方式包括使硅纳米粒子与含氮气体诸如氨接触以在硅纳米粒子上产生表面层，其中表面层包含氮化物。

说明本公开的组合物和方法的以下实施例旨在说明而非限制本公开。

实施例1：MX官能性纳米粒子的制备

硅纳米粒子由极高频率(VHF)低压等离子体系统合成。经由质量流量控制器将超高纯度前体气体(Ar、H₂、SiH₄和Cl₂)以特定比率和压力引入到石英放电管(反应室)中。石英放电管内的典型压力为1托至5托。

然后经由极高频等离子体放电(100MHz-150MHz)解离气体以点燃等离子体。选择VHF以使等离子体耦合最大化，同时使向A类射频放大器提供正弦信号的函数发生器的驱动振幅最小化。

硅原子在等离子体放电时聚结、成核并生长以形成硅纳米晶体(另选地称为硅纳米粒子)。等离子体放电的功率控制各个硅纳米晶体的温度，以允许控制硅纳米晶体的结晶度。较高的功率产生结晶硅纳米晶体，而较低的功率产生非晶硅纳米晶体。

等离子体放电中硅原子的浓度和硅原子的停留时间(等离子体停留时间)控制硅纳米粒子的尺寸。一旦硅纳米粒子经由位于石英放电管底部的孔(另选地称为石英等离子体室)离开等离子体放电，硅纳米粒子就不再生长。

硅纳米粒子与纳米粒子表面上的SiH_x(x＜4)、自由基(悬空键)和/或卤素物质(如果存在于石英放电管中)一起离开等离子体放电。硅纳米粒子在大压降的驱动下通过孔离开并进入沉积室中。沉积室的压力＜1×10^-5托(由高真空泵产生；例如，涡轮分子泵、低温泵或扩散泵)。大压降产生流出等离子体室的粒子的超音速射流。超音速射流使夹带气体的硅纳米粒子之间的任何相互作用最小化，从而使硅纳米粒子保持单分散在气流中。

将搅拌的捕集流体(粘度小于0.2Pa·s的低粘度液体)置于杯中，并用于在沉积室中在低压(＜1×10^-5托)下捕集硅纳米粒子。捕集流体的表面的位置位于孔口的一定距离内，该距离足以确保硅纳米粒子在沉积在捕集流体内之前保持分散在气体的超音速射流中。捕集流体具有低粘度以允许硅纳米粒子沉积或注入到捕集流体中而不在捕集流体的表面上形成膜。捕集流体的搅拌用于刷新捕集流体的表面并迫使沉积在捕集流体内的硅纳米粒子远离孔的中心线。

将捕集流体和分散于其中的硅纳米粒子置于温度-湿度烘箱(通常为60℃和85％相对湿度)中24小时，以用扩散受限的氧化物(SiO_x，x＞2)钝化粒子的表面。该钝化蓝移发射光谱并增加光致发光强度。

一旦硅纳米粒子沉积在捕集流体中(即被捕集流体吸收)，就将捕集流体与分散其中的硅纳米粒子(即样品)一起从沉积室中移出并且测量光致发光光谱。使用具有450瓦氙源的Horiba FL3分光光度计进行该测量。激发单色仪被设定为365nm，狭缝宽度为2nm。将400nm边缘滤光器放置在通向发射单色仪的光束路径中，位于样品的下游。

将样品(即，分散在捕集流体中的硅纳米粒子)置于1cm路径长度的比色皿(包含石英或甲基丙烯酸酯)中。光致发光光谱(另选地称为发射光谱)相对于激发光束以直角测量(或者如果样品不足够透明以允许直角测量，则以22.5°角-朝前测量)。

发射单色仪具有2nm的狭缝宽度，并且以每波长0.1s的积分时间进行测量并且每1nm进行测量。针对发射检测器的量子产率校正光谱。

实施例2：极性非质子流体(四乙二醇二烷基醚)的合成

在冰上将50重量％NaOH水溶液加入到四乙二醇于THF中的溶液中。在连续搅拌下，将2.5x摩尔量的烷基溴逐滴添加到溶液中以形成混合物，然后使其在12小时-24小时内升至室温。然后将乙醚添加到混合物中，并且将该混合物相分离。用若干等分试样的1M NaCl水溶液洗涤有机层，然后用MgSO₄干燥。然后使用旋转蒸发器浓缩干燥的有机层以去除挥发物，得到粗产物混合物，然后经由高真空蒸馏装置分馏该粗产物混合物，以分离出包含四乙二醇二烷基醚的纯化的反应产物。

实施例3：使用极性侧基前体作为官能化化合物对硅纳米粒子进行官能化

根据实施例1的程序制备MX官能性纳米粒子，持续30分钟，其中捕集流体为捕集流体1。根据上述方法并在30分钟的持续时间内制备MX官能性纳米粒子。将MX官能性纳米粒子悬浮液超声处理1小时。将混合物加热至160℃持续2小时(热处理)以促进氢化硅烷化并产生官能化纳米粒子。根据上述条件将混合物在湿度室中冷却并力老化(即钝化)。通过用己烷洗涤官能化纳米粒子三次来去除大多数捕集流体。然后使官能化纳米粒子与0.1mL三氟乙酸(TFA)接触并在样品管中搅拌25小时。使用透析离心机从官能化纳米粒子中去除液体，然后使用离心(即，水提取)用去离子水洗涤两次至三次。将官能化纳米粒子(其为固体)再悬浮于水中。

捕集流体1为官能化化合物1在极性质子流体1中的10重量％混合物。

官能化化合物1是具有下式的双甘油醚化合物：

极性非质子流体1是包含根据上述实施例2制备的DHTEG的捕集流体。

在紧接着沉积并悬浮于捕集流体1中之后光致发光发射MX官能性纳米粒子，测量再悬浮于水中的官能化纳米粒子，其中由于经历本文所述的官能化过程，MX官能性纳米粒子在发射的光致发光中经历蓝移(橙色/红色至黄色)。

图4示出了在本实施例的官能化过程中的各种步骤之后纳米粒子的光致发光光谱的曲线图。即，图4绘制了紧接在沉积(捕集后基线)后、氢化硅烷化(热处理)后、钝化(湿度室老化)后和再悬浮悬水中(水提取)后纳米粒子的光致发光光谱。从图4中绘制的光谱可以看出，由于首先经历钝化并其次经历水提取，纳米粒子发生光致发光的蓝移。

应当理解，所附权利要求不限于具体实施方式中描述的专门和特定的化合物、组合物或方法，其可以在落入所附权利要求的范围内的特定实施方案之间变化。就本文为描述各种实施方案的特定特征或方面而依赖的任何马库什组而言，可以从独立于所有其他马库什成员的相应的马库什组的每个成员获得不同、特殊和/或意料之外的结果。马库什组的每个成员可以被单独地和/或组合地依赖，并且为所附权利要求范围内的具体实施方案提供足够的支持。

此外，在描述本发明的各种实施方案中依赖的任何范围和子范围独立地且共同地落入所附权利要求的范围内，并且应理解为描述和设想在其中包括全部和/或部分值的所有范围，即使本文未明确写出这样的值。本领域的技术人员将容易认识到，列举的范围和子范围充分地描述了本发明的各种实施方案并使它们成为可能，并且这样的范围和子范围可以被进一步描绘成相关的二分之一、三分之一、四分之一、五分之一等。仅作为一个示例，“0.1至0.9”的范围可以被进一步描绘为下三分之一(即0.1至0.3)、中三分之一(即0.4至0.6)和上三分之一(即0.7至0.9)，其单独地且共同地在所附权利要求的范围内，并且可以被单独地和/或共同地依赖并为所附权利要求的范围内的具体实施方案提供足够的支持。此外，就诸如“至少”、“大于”、“小于”、“不超过”等限定或修饰范围的语言而言，应当理解，此类语言包括子范围和/或上限或下限。作为另一个示例，“至少10”的范围本质上包括至少10至35的子范围、至少10至25的子范围、25至35的子范围等，并且每个子范围可以被单独地和/或共同地依赖并为所附权利要求的范围内的具体实施方案提供足够的支持。最后，在所公开的范围内的独立数值可以被依赖并为所附权利要求的范围内的具体实施方案提供足够的支持。例如，“1至9”的范围包括诸如3的各个单个的整数，以及诸如4.1的包括小数点(或分数)的单个数，其可以被依赖并为所附权利要求的范围内的具体实施方案提供足够的支持。