CN102895938B

CN102895938B - 一种石墨烯包裹硅胶的制备方法

Info

Publication number: CN102895938B
Application number: CN201210451454.1A
Authority: CN
Inventors: 冯钰锜; 罗彦波; 朱钢添
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2032-11-13
Also published as: CN102895938A

Abstract

本发明公开了一种石墨烯包裹硅胶材料的制备方法。该方法首先通过静电吸附作用，将氧化石墨烯吸附在氨基硅胶表面，再经过水热还原处理，即得到石墨烯包裹硅胶的材料。该材料的制备方法简单，安全环保，重现性好。利用该制备方法得到的材料的石墨烯含量高，所制备的石墨烯包裹硅胶材料作为固相萃取（SPE）的填料具有比文献值更高的吸附量，将其用于富集牛血清白蛋白（BSA）酶解溶液中的多肽和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOFMS）分析的脱盐步骤，取得了很好的效果。

Description

一种石墨烯包裹硅胶的制备方法

技术领域

本发明涉及一种石墨烯包裹硅胶材料的制备方法，属于样品预处理技术。

背景技术

石墨烯是由单层碳原子组成的六方蜂巢状结构的二维物质，自2004年被首次实验制备出来，就受到了全世界科学家的普遍关注。石墨烯具有很大的理论比表面积（2630 m²/g），因而可以提供丰富的吸附位点；石墨烯是一种富含π-电子体系的物质，可以和含苯环的物质产生π-π相互作用；石墨烯具有优良的热和机械稳定性；石墨烯的生产成本低廉。以上这些优点使石墨烯成为样品预处理中理想的富集材料。

固相萃取（SPE）有富集倍数高、回收率高、有机溶剂消耗量少、费用低等优点，是一种常用的样品预处理技术。石墨烯的优良特性决定了它是一种优良的SPE吸附剂。但是将纯的石墨烯直接用作SPE填料时，也会遇到以下问题：石墨烯会发生不可逆团聚，造成有效吸附位点减少，进而引起吸附容量降低和解吸困难；微小的石墨烯颗粒会在实际应用中流失，进而造成SPE小柱堵塞和萃取效率下降。

为了解决以上问题，同时保证石墨烯的优良吸附性能，石墨烯-硅胶复合材料是一种有效的解决办法。目前文献报道的制备石墨烯-硅胶复合材料的方法主要有两种：第一种方法是在石墨烯存在下，进行硅烷化试剂水解的溶胶-凝胶法，可以在石墨烯平面结构上生成一层硅胶基质材料；第二种方法是基于氧化石墨烯和修饰硅胶（例如氨基硅胶）之间的静电吸附作用或脱水缩合反应，将氧化石墨烯固定在硅胶表面，最后再还原氧化石墨烯即可。然而第一种方法制备得到的材料中，石墨烯大量的吸附位点会被硅胶占据，造成吸附量降低；第二种方法制备的复合材料中，石墨烯是包裹在硅胶表面，可以有效地解决这一问题，但是，文献报道的方法不仅制备周期长，而且在氧化石墨烯的还原过程中用到了肼等有毒的物质，不利于人的身体健康，同时也不满足绿色化学的发展要求。更重要的是，由于反应过程中脱水条件苛刻，使得最后制备的材料中石墨烯的键合量较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种温和、绿色，同时石墨烯含量高的石墨烯包裹硅胶的制备方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为是：一种石墨烯包裹硅胶材料的制备方法，配制氧化石墨烯分散液和氨基硅胶分散液；将两分散液混合，混合液中氨基硅胶的浓度为3.5~35 mg/mL，氧化石墨烯的浓度为0.5~2.5 mg/mL，搅拌混合液，搅拌时间≥1 h；将混合液放入反应釜中进行水热还原处理，水热温度≥200℃，水热时间≥2 h；用有机溶剂对反应产物进行浮选，除去未包裹在硅胶上的石墨烯，得到纯净的石墨烯包裹硅胶。

水热还原处理中的水热温度为200~230℃，水热时间为2~3 h。

混合液的搅拌时间为1~2 h。

有机溶剂为N-甲基-2-吡咯烷酮或N,N-二甲基甲酰胺。

在制备石墨烯包裹硅胶材料的过程中，将氧化石墨烯通过静电相互作用吸附在氨基硅胶表面，然后将其进行水热还原处理，得到石墨烯包裹的硅胶材料，由于之前游离于硅胶之外的氧化石墨烯还原后，会通过π-π堆积作用吸附在到石墨烯包裹硅胶表面，保证了该方法制备的材料中石墨烯的含量较高。然后利用石墨烯包裹硅胶和石墨烯的密度不同，用有机溶剂对反应产物进行浮选，除去未包裹在硅胶上的石墨烯，得到纯净的石墨烯包裹硅胶材料。

本发明提供的制备方法简单快速、温和、绿色、重现性好，所制备的石墨烯包裹硅胶材料不仅石墨烯含量高，而且具有很好的吸附性能。将该石墨烯包裹硅胶材料用于***类化合物、五氯酚的富集和MALDI-TOF MS分析的脱盐步骤，取得了较好的效果。

附图说明

图1 为实施例1中的氨基硅胶、氧化石墨烯包裹硅胶和两种不同方法制备的石墨烯包裹硅胶的照片，图中A为氨基硅胶，B为氧化石墨烯包裹硅胶，C为现有技术中只还原氧化石墨烯包裹硅胶材料的方法得到的石墨烯包裹硅胶，D为本发明制备的石墨烯包裹硅胶。

图2 为实施例1中的氨基硅胶、氧化石墨烯包裹硅胶和两种不同方法制备的石墨烯包裹硅胶的扫描电镜图，图中A为氨基硅胶，B为氧化石墨烯包裹硅胶，C为现有技术中只还原氧化石墨烯包裹硅胶的方法得到的石墨烯包裹硅胶，D为本发明制备的石墨烯包裹硅胶。

图3 为石墨烯包裹硅胶同其他商品化SPE填料在富集五氯酚时的效果比较，图中，A为氨基硅胶，C为现有技术中只还原氧化石墨烯包裹硅胶材料的方法得到的石墨烯包裹硅胶，CNTs为碳纳米管，GCB为石墨化炭黑，C18为C18键合硅胶，D为本发明制备的石墨烯包裹硅胶。

图4 为五氯酚在石墨烯包裹硅胶C和石墨烯包裹硅胶D上的吸附量测定。

图5为石墨烯包裹硅胶同其他商品化SPE填料在富集***类化合物时的效果比较。图中，A为氨基硅胶，D为本发明制备的石墨烯包裹硅胶，C18为C18键合硅胶，CNTs为碳纳米管，GCB为石墨化炭黑。

图6为雌三醇在氨基硅胶和石墨烯包裹硅胶上的吸附量测定。

图7 为石墨烯包裹硅胶富集牛血清白蛋白BSA酶解产物中多肽的MALDI-TOF MS图，从上至下依次为10 nM BSA酶解产物直接分析和富集后的效果图。

图8 为石墨烯包裹硅胶用于MALDI-TOF MS脱盐步骤效果图，从上至下依次为200 nM BSA酶解产物直接分析、流出液和脱盐后的效果图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明做进一步的介绍。

实施例1

（1）石墨烯包裹硅胶的制备

首先配制浓度为7.0 g/mL的氨基硅胶分散液和2.0 g/mL的氧化石墨烯分散液，然后将二者混合，混合之后氨基硅胶和氧化石墨烯的浓度分别为3.5 g/mL和1.0 g/mL，搅拌混合液2 h，将混合液放入反应釜中，230 ℃下反应3 h，用N,N-二甲基甲酰胺对反应产物进行浮选，除去未包裹在硅胶上的石墨烯，得到石墨烯包裹硅胶D（如图2所示）。

（2）本发明制备的材料与现有技术制备的材料的对比

为了与现有技术中只还原氧化石墨烯包裹硅胶材料的方法比较，在热还原之前将游离的氧化石墨烯除去，只将氧化石墨烯包裹硅胶进行热还原，制备得到了石墨烯包裹硅胶材料C（如图2所示），具体步骤为：将上述配制的浓度为7.0 g/mL的氨基硅胶分散液和2.0 g/mL的氧化石墨烯分散液混合。混合之后氨基硅胶和氧化石墨烯的浓度分别为3.5 g/mL和1.0 g/mL，搅拌混合液2 h，用N,N-二甲基甲酰胺对其进行浮选除去游离的氧化石墨烯，最后将纯氧化石墨烯包裹硅胶在放入反应釜中，230 ℃下反应3 h。得到石墨烯包裹硅胶材料C。将上述石墨烯包裹硅胶C和石墨烯包裹硅胶D用乙醇洗涤， 60 ℃下干燥。如图1所示，由于氧化石墨烯是棕色的，相比于氨基硅胶A，氧化石墨烯包裹硅胶B的颜色是棕色的，说明了氧化石墨烯的存在；同时石墨烯包裹硅胶C和石墨烯包裹硅胶D的颜色分别是灰色和黑色，说明石墨烯的存在。如图2所示，氨基硅胶表面光滑，通过静电作用吸附氧化石墨烯后，氨基硅胶表面变得粗糙，表明氧化石墨烯成功包裹在氨基硅胶表面；经过热还原之后，石墨烯被成功地包裹在硅胶外面。从扫描电镜图可以初步判断石墨烯包裹硅胶D中石墨烯的含量高于石墨烯包裹硅胶C。经过元素分析，可以计算出氧化石墨烯包裹硅B中氧化石墨烯的含量为2.6%，石墨烯包裹硅胶 C和石墨烯包裹硅胶D中石墨烯的含量分别为3.3%和8.3%。照片、扫描电镜与元素分析的结果相互佐证，说明了本方法可以制备出石墨烯含量高的石墨烯包裹硅胶材料。

实施例2

石墨烯包裹硅胶的制备

首先配制浓度为7.0 g/mL的氨基硅胶分散液和1.0 g/mL的氧化石墨烯分散液，然后将二者混合，混合液中氨基硅胶和氧化石墨烯的浓度分别为3.5 g/mL和0.5 g/mL，搅拌混合液2 h，将混合液放入反应釜中，230 ℃下反应3 h，用N,N-二甲基甲酰胺对反应产物进行浮选，除去未包裹在硅胶上的石墨烯，得到石墨烯包裹硅胶。

实施例3

石墨烯包裹硅胶的制备

首先配制浓度为7.0 g/mL的氨基硅胶分散液和5.0 g/mL的氧化石墨烯分散液，然后将二者混合。混合之后氨基硅胶和氧化石墨烯的浓度分别为3.5 g/mL和2.5 g/mL，搅拌混合液1 h。在将混合液放入反应釜中，230 ℃下反应3 h。之后用N,N-二甲基甲酰胺对反应产物进行浮选，除去未包裹在硅胶上的石墨烯，得到石墨烯包裹硅胶。

实施例4

石墨烯包裹硅胶的制备

首先配制浓度为70 g/mL的氨基硅胶分散液和2.0 g/mL的氧化石墨烯分散液，然后将二者混合。混合之后氨基硅胶和氧化石墨烯的浓度分别为35 g/mL和1.0 g/mL，搅拌混合液1 h。在将混合液放入反应釜中，230 ℃下反应3 h。之后用N,N-二甲基甲酰胺对反应产物进行浮选，除去未包裹在硅胶上的石墨烯，得到石墨烯包裹硅胶。

实施例5

石墨烯包裹硅胶的制备

首先配制浓度为7.0 g/mL的氨基硅胶分散液和2.0 g/mL的氧化石墨烯分散液，然后将二者混合。混合之后氨基硅胶和氧化石墨烯的浓度分别为3.5 g/mL和1.0 g/mL，搅拌混合液2 h。在将混合液放入反应釜中，200 ℃下反应2 h。之后用N-甲基-2-吡咯烷酮对反应产物进行浮选，除去未包裹在硅胶上的石墨烯，得到石墨烯包裹硅胶。

实施例6

石墨烯包裹硅胶作为SPE填料与其他商品化SPE填料在富集五氯酚时的对比

将制备好的石墨烯包裹硅胶用乙醇洗涤， 60 ℃下干燥，取20 mg 石墨烯包裹硅胶填料填入SPE空柱管中，再将该填料依次用3 mL乙腈和3 mL水活化和平衡。将5 mL 50 ng/mL的五氯酚标准水溶液通过SPE填料，用1 mL解吸液解吸。C18键合硅胶（C18）填料的解吸液为为1 mL甲醇，其余为1 mL碱化甲醇，将1.5 mL1 M NaOH溶液加入到50 mL甲醇中得到碱化甲醇。所有SPE步骤均靠重力使溶液流动。高效液相色谱-紫外（HPLC-UV）分析前，用30 微升1 M HCl中和解吸液中的碱。HPLC-UV条件：流动相为乙腈/pH为2.5的20 mM磷酸缓冲液（v/v， 80/20），流速1.0 mL/min，色谱柱为HiSep C18 (250 mm × 4.6 mm i.d., 5 μm)，柱温为40℃，紫外检测波长为300 nm。如图3所示，可以看出所制备的材料对五氯酚的萃取效果优于其他商品化的材料。

实施例7

石墨烯包裹硅胶作为SPE填料对五氯酚吸附量的测定

不同体积的0.2 μg/mL五氯酚溶液依次通过装有20 mg石墨烯包裹硅胶填料的SPE小柱，通过测定流出液中五氯酚的含量计算出被材料吸附的目标物的量。将数据用Langmuir模型拟合，得到两种石墨烯包裹硅胶对五氯酚的吸附容量分别为781.5 μg/g和286.3 μg/g。由于石墨烯键合量的提高，石墨烯包裹硅胶D对五氯酚的吸附量是现有技术中只还原氧化石墨烯包裹硅胶材料的方法得到的石墨烯包裹硅胶C的2.7倍。如图4所示。

实施例8

石墨烯包裹硅胶作为SPE填料与其他商品化SPE填料在富集***类化合物的对比

将制备好的石墨烯包裹硅胶用乙醇洗涤， 60 ℃下干燥，取20 mg石墨烯包裹硅胶填料填入SPE空柱管中，再将该填料依次用3 mL乙腈和3 mL水活化和平衡，将5 mL 50 ng/mL的***类化合物标准水溶液通过SPE填料，用1 mL乙腈解吸，将解吸液在35℃下用缓和的N₂吹干后用0.1 mL流动相溶解，然后进行HPLC-UV分析。所有SPE步骤均靠重力使溶液流动。HPLC-UV条件：流动相为乙腈/水（v/v ，48/52），流速1.0 mL/min，色谱柱为HiSep C18 (250 mm × 4.6 mm i.d., 5 μm)，柱温为40℃，紫外检测波长为280 nm。可以看出所制备的材料对***类化合物的萃取效果优于其他商品化的材料。如图5所示。

实施例9

石墨烯包裹硅胶和氨基硅胶分别作为SPE填料对雌三醇吸附量的测定

不同体积的0.2 μg/mL雌三醇溶液依次通过装有20 mg吸附剂的SPE小柱，通过测定流出液中雌三醇的含量计算出被材料吸附的目标物的量。将数据用Langmuir模型拟合，得到氨基硅胶和石墨烯包裹硅胶对雌三醇的吸附容量分别为25.1 μg/g和104.1 μg/g。如图6所示。

实施例10

石墨烯包裹硅胶作为SPE填料富集牛血清白蛋白BSA酶解产物中的多肽

将制备好的石墨烯包裹硅胶用乙醇洗涤， 60 ℃下干燥，取20 mg 石墨烯包裹硅胶填料填入SPE空柱管中，再将该填料依次用1 mL 解吸液和2 mL水进行活化和平衡，解吸液为0.1%三氟乙酸水溶液/乙腈混合液（v/v，20/80），将4 mL 10 nmol/L的牛血清白蛋白BSA酶解液通过SPE填料，用1 mL水清洗，最后用0.5 mL解吸液解吸。所有SPE步骤均靠重力使溶液流动。将20 μL解吸液真空旋干，并用2 μL基质溶液溶解，基质溶液是将α-氰基-4-羟基肉桂酸（CHCA）溶解于0.1%三氟乙酸水溶液/乙腈（v/v，50/50）混合液中，使CHCA的浓度为2 mg/mL。之后将其滴在MALDI靶板上，室温晾干后进行MALDI分析。将MALDI数据提交给近程MASCOT服务器（Matrix Science，London，UK）进行数据库搜索，可以检索到24个多肽信号。如图7所示。

实施例11

石墨烯包裹硅胶作为SPE填料用于MALDI-TOF MS脱盐步骤

将制备好的石墨烯包裹硅胶用乙醇洗涤， 60 ℃下干燥，取20 mg石墨烯包裹硅胶填料填入SPE空柱管中，再将该填料依次用1 mL 解吸液和2 mL水进行活化和平衡，解吸液为0.1%三氟乙酸水溶液/乙腈混合液（v/v，20/80）。将0.5 mL 浓度为200 nmol/L的牛血清白蛋白BSA酶解液通过SPE填料。用2 mL水清洗，最后用0.5 mL解吸液解吸。所有SPE步骤均靠重力使溶液流动。将20 μL解吸液真空旋干，并用2 μL基质溶液溶解，基质溶液是将α-氰基-4-羟基肉桂酸（CHCA）溶解于0.1%三氟乙酸水溶液/乙腈（v/v，50/50）混合液中，使CHCA的浓度为2 mg/mL。之后将其滴在MALDI靶板上，室温晾干后进行MALDI分析。上样液中由于存在大量的盐，在进行MALDI分析时会抑制目标物的离子化信号，流出液中没有观察到多肽信号，解吸液中观察到的多肽信号不仅比上样液中数目多，而且信号强度也有所提高，说明本发明制备的材料在MALDI-TOF MS分析脱盐步骤具有很好的应用。如图8所示。

Claims

1.一种石墨烯包裹硅胶材料的制备方法，其特征在于：配制氧化石墨烯分散液和氨基硅胶分散液；将两分散液混合，混合液中氨基硅胶的浓度为3.5~35 mg/mL，氧化石墨烯的浓度为0.5~2.5 mg/mL，搅拌混合液，搅拌时间≥1 h；将混合液放入反应釜中进行水热还原处理，水热温度≥200℃，水热时间≥2 h；用有机溶剂对反应产物进行浮选，除去未包裹在硅胶上的石墨烯，得到纯净的石墨烯包裹硅胶。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯包裹硅胶材料的制备方法，其特征在于：所述的水热还原处理中的水热温度为200~230℃，水热时间为2~3 h。

3.根据权利要求1或2所述的一种石墨烯包裹硅胶材料的制备方法，其特征在于：所述混合液的搅拌时间为1~2 h。

4.根据权利要求1或2所述的一种石墨烯包裹硅胶材料的制备方法，其特征在于：所述的有机溶剂为N-甲基-2-吡咯烷酮或N,N-二甲基甲酰胺。

5.根据权利要求3所述的一种石墨烯包裹硅胶材料的制备方法，其特征在于：所述的有机溶剂为N-甲基-2-吡咯烷酮或N,N-二甲基甲酰胺。