CN104387446B - 一种石墨烯分散剂及石墨烯分散液的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分散剂技术领域，特别涉及一种石墨烯分散剂及石墨烯分散液的制备方法，本发明设计开发了Gemini结构的两亲性多肽分子，并以该分子作为分散剂实现了石墨烯在水溶液中的稳定分散。本发明石墨烯分散分散剂为多肽分散剂，完全由天然氨基酸残基组成，具有高生物相容性的优点，有利于开发石墨烯分散体系在生物医学领域的应用；该多肽分散剂所带电荷随溶液pH值变化而改变，所制得的石墨烯分散体系具有pH响应性，可以利用pH变化调节石墨烯的分散行为，用于制备智能型纳米载药及控释体系；同时，本发明公开的分散体系是一种多肽纳米组装体和石墨烯片层结构的复合体，可以用于制备纳米复合材料。

Description

一种石墨烯分散剂及石墨烯分散液的制备方法

技术领域

本发明涉及分散剂技术领域，特别涉及一种石墨烯分散剂及石墨烯分散液的制备方法。

背景技术

石墨烯具有优异的电学、力学、光学以及热学等性质，被广泛用于电子元器件、能量存储、催化、生物传感等领域。石墨烯片层间有较强的范德华力，非常容易发生聚集，使其难溶于水及常用的有机溶剂，大大影响实际应用中石墨烯性能的发挥。因此，为了充分发挥其优良性质，制备均一、高稳定性的石墨烯分散体系是其在众多领域研究和应用的重要条件。

目前，“氧化-修饰-还原-分散”法是制备石墨烯分散液的一种间接方法，即先对石墨进行强氧化处理，得到表面和边缘拥有大量的羟基、羧基、环氧等基团的氧化石墨烯(GO)，这些官能团使GO容易与其它试剂发生反应，得到改性的氧化石墨烯，然后对其再进行还原得到亲水性的修饰石墨烯，具有在水溶液中的良好分散性。但这些方法中均使用了强腐蚀性、强氧化性的物质，对设备要求高且操作过程中需要格外小心，而且得到的石墨烯其晶体结构也极不完整，有大量缺陷存在，对其电学、热学、生物学性能等有较大影响，限制了其在相关领域的研究和应用。

直接制备石墨烯分散液的一种方法是将石墨或膨胀石墨直接加在某种有机溶剂或表面活性剂水溶液中，借助超声波、加热或气流的作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。溶剂分子或表面活性剂分子通过π-π堆积与疏水作用等吸附在石墨烯表面，依靠静电斥力或分子间作用力，实现石墨烯的有效分散，进而为基于石墨烯的材料组装以及性质研究提供方便。文献报道的溶剂有二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基-吡咯烷酮(NMP)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、邻二氯苯、乙腈、三氯甲烷等，表面活性剂有十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、胆酸(SDC)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、吐温80、曲拉通X100等。石墨烯的液相直接分散法制备过程不涉及化学变化，具有成本低、操作简单、产品质量高等优点，但也存在单层石墨烯产率不高、片层团聚严重、需进一步脱去稳定剂等缺陷。其中：表面活性剂水溶液成本低，操作简便，但是得到的石墨烯分散液浓度较低；有机溶剂可以得到较高浓度的石墨烯分散液，但成本高，且其沸点较高，不易除去，不利于石墨烯的进一步应用。

最近几年，石墨烯及其衍生物在生物医学领域，包括生物元器件制备、疾病诊断、生物成像和药物输运肿瘤治疗等的应用受到广大科学家的重视，成为纳米生物医学领域研究的热点。而目前的石墨烯分散体系中，基于有机溶剂(DMF、NMP、PVP等)的石墨烯分散液由于有机溶剂的生物毒性无法用于生物体系；利用普通表面活性剂作为分散剂虽然可以得到石墨烯分散的水溶液，但是由于所利用的表面活性剂的生物相容性一般都较差，也大大限制了其在生物医学领域的应用。因此，要开展石墨烯的生物应用研究，迫切需要高生物相容性的石墨烯分散剂和水溶液分散体系的设计、开发，这也是当前石墨烯研究中一个重要课题。进一步，如果所得到的石墨烯分散体系具有对特定外界条件(如pH值、温度等)的响应性，将为智能纳米材料和药物载体等的开发提供有力支持。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种石墨烯分散剂及石墨烯分散液的制备方法。

本发明采取的技术方案是：

一种石墨烯分散剂，所述分散剂的结构为：

如上所述的石墨烯分散剂的制备方法，具体的步骤如下：

1)使用Fmoc固相合成法合成多肽得到粗产品；

2)将反应后的反应液转移到旋蒸瓶内，在35℃条件下真空旋转蒸发，除去DCM、TFA等残余液体；用滴管将旋转蒸发后的液体逐滴加入7-8倍残液体积的冰***内，静置产生沉淀后，用高速冷冻离心机在9000rpm、4℃条件下离心10min，反复***沉淀，离心5-6次；除去上层清液，保留沉淀，通风橱内待***挥发完之后，向沉淀中加超纯水，超声摇匀，放入冰箱中预冻1h，再使用冻干机-60℃冷冻干燥24h，即得到纯化的产品，密封-20℃保存。

3)将步骤2)得到的多肽溶解于DCM/DMF(体积比1/1)的混合溶液中，通入氧气24小时；

4)将步骤3)后的反应液转移到旋蒸瓶内，在35℃条件下真空旋转蒸发，除去DCM/DMF等残余液体；

5)用滴管将旋转蒸发后的液体逐滴加入7-8倍体积的冰***内，静置产生沉淀后，用高速冷冻离心机在9000rpm、4℃条件下离心10min，反复***沉淀，离心5-6次；除去上层清液，保留沉淀，通风橱内待***挥发完之后，向沉淀中加超纯水，超声摇匀，放入冰箱中预冻1h，再使用冻干机-60℃冷冻干燥24h，即得到纯化的分散剂，密封-20℃保存。

一种石墨烯的制备方法，使用了如上所述分散剂，具体的制备方法如下：

分别称取5重量份的所述的分散剂和25重量份的石墨粉，加入10重量份的水，调节pH至6-7，震荡混合均匀，放入超声机中超声，超声时间至少为24h，且超声过程中水温不得高于70℃；超声完成后，多肽/石墨烯混合液进行离心分离；离心转速500rpm-8000rpm，离心10min-30min；离心完成后，分离得到上清液即为石墨烯。

优选的，所述超声过程的方法为：功率100W，超声4小时后，停止，12小时后，再超声4小时，然后停止12小时，如此循环至超声时间加和为24小时。

本发明的有益效果是：

目前的石墨烯分散体系中，基于有机溶剂的石墨烯分散液由于有机溶剂的生物毒性而无法用于生物体系；利用普通表面活性剂作为分散剂虽然可以得到石墨烯分散的水溶液，但是由于所利用的表面活性剂的生物相容性一般都较差，也大大限制了其在生物医学领域的应用。而且，上述两种石墨烯分散体系都不具备对外界条件的响应性，不利于智能响应性纳米材料和药物载体等的开发。本发明设计开发了Gemini结构的两亲性多肽分子，并以该分子作为分散剂实现了石墨烯在水溶液中的稳定分散。

本发明石墨烯分散液的获得：

1)有利于石墨烯在固体表面的沉积及薄膜制备。

2)本发明的公开的分散剂为多肽分散剂，完全由天然氨基酸残基组成，具有高生物相容性的优点，有利于开发石墨烯分散体系在生物医学领域的应用。

3)该多肽分散剂所带电荷随溶液pH值变化而改变，所制得的石墨烯分散体系具有pH响应性，可以利用pH变化调节石墨烯的分散行为，用于制备智能型纳米载药及控释体系。

4)该多肽分散剂自身可以组装为纳米纤维状结构，因此所得分散体系是一种多肽纳米组装体和石墨烯片层结构的复合体，可以用于制备纳米复合材料。

附图说明

本发明有如下附图：

图1 经过1000rpm离心处理30分钟后的I₃C-CI₃分散的石墨烯水溶液照片；

图2 经过1000rpm离心处理30分钟后的I₃C-CI₃分散的石墨烯水溶液的紫外-可见光谱；

图3 过1000rpm离心处理30分钟后的I₃C-CI₃分散的石墨烯水溶液的透射电镜图

其中，图3(a)：复染法，图3(b)：Cryo-TEM；

图4 I₃C-CI₃分散的石墨烯水溶液在不同pH下的照片。

具体实施方式

实施例1：

I₃C的制备：

设计合成C端含有半胱氨酸残基的单链多肽分子I₃C，其结构为：

其合成方法以合成0.25mM的I₃C分子为例(下述所有用到的试剂均购自吉尔生化(上海))：

1)称取Wang-resin树脂0.439g；配制浓度为0.2mol/L的50mL Fmoc-Ile-OH(A)和25mL Fmoc-Cys(Trt)-OH(C)的氨基酸DMF溶液，分别称取A:2.456g；C:1.661g，充分搅拌溶解；

2)配制下述合成试剂：①活化剂：0.45mol/L，取HBTU 17.07g和HOBt 6.08g溶于100mLDMF中；②活化碱：2mol/L，取17.4mL的二异丙基乙胺(DIEA)和32.6mL的DMF混合；③脱保护剂：体积比20％哌啶及0.1mol/L的HOBt溶于DMF中，取哌啶100mL，6.756g HOBt溶于400mL DMF中；④乙酰化试剂：0.5mol/L乙酸酐、0.125mol/L DIEA和0.015mol/L HOBt溶于的DMF溶液中配制成，取3mL乙酸酐，DIEA 0.244g，HOBt 0.031g溶于12mLDMF溶液中；⑤裂解剂：TFA∶TIS∶Water＝95∶2.5∶2.5(体积比)，配制15mL溶液。

3)利用CEM公司的Liberty微波多肽合成仪应用Fmoc固相合成法合成多肽，得到尚未裂解的连接有树脂的多肽粗产品；

4)反应完成后将反应液转移到旋蒸瓶内，在35℃条件下真空旋转蒸发，除去DCM、TFA等残余液体。用滴管将旋转蒸发后的液体逐滴加入7-8倍残液体积的冰***内，静置产生沉淀后，用高速冷冻离心机在9000rpm、4℃条件下离心10min，反复***沉淀，离心5-6次。除去上层清液，保留沉淀，通风橱内待***挥发完之后，向沉淀中加超纯水，超声摇匀，放入冰箱中预冻1h，再使用冻干机-60℃冷冻干燥24h左右，即得到纯化的产品，密封-20℃保存。

实施例2：

连接实施例1制备的单链多肽分子得到多肽分子，流程如下：

具体合成方法为：

1)称取I₃C单体分子，将其溶解于DCM/DMF(体积比1/1)的混合溶液，在上述混合溶液中通入纯O₂气体24小时；

2)将反应液转移到旋蒸瓶内，在35℃条件下真空旋转蒸发，除去DCM/DMF等残余液体。用滴管将旋转蒸发后的液体逐滴加入7-8倍残液体积的冰***内，静置产生沉淀后，用高速冷冻离心机在9000rpm、4℃条件下离心10min，反复***沉淀，离心5-6次。除去上层清液，保留沉淀，通风橱内待***挥发完之后，向沉淀中加超纯水，超声摇匀，放入冰箱中预冻1h，再使用冻干机-60℃冷冻干燥24h左右，即得到纯化的产品，密封-20℃保存。

实施例3：

石墨烯分散液的制备：

石墨片购自青岛锦鹏石墨有限公司，使用瓷质研钵研磨成石墨粉备用。选取干净的试剂瓶，分别称取5mg实施例制备的多肽分子和25mg石墨粉，加入10ml水，调节pH至6-7，震荡混合均匀，封口膜封好后放入超声机中超声。

超声方法：功率100W，超声4小时后，停止，12小时后，再超声4小时，然后停止12小时，如此循环至超声时间加和为24小时。超声过程中保持水温在30℃至70℃之间，水温超过70℃时应加冰换水将温度降低。超声完成后，多肽/石墨烯混合液进行离心分离。离心转速1000rpm，离心30分钟。离心完成后，分离得到上清液为石墨烯分散液。

离心可以除去未充分解离和分散的石墨颗粒，得到富含石墨烯片层的分散液，结果如图1所示，分散液呈现均一稳定的深黑色，没有沉淀的产生，说明体系中有大量的石墨烯片层存在。

对多肽分散的石墨烯体系进行表征，紫外-可见光谱(图2)在268nm处呈现一个特征谱峰，说明溶液中含有石墨烯片层结构。

透射电镜电镜结果(图3)显示溶液中有大量的石墨烯片层和多肽纳米纤维的存在。

I₃C-CI₃多肽分子含有羧基(-COOH)，其电离随pH变化而改变，导致其所带静电荷数目的变化，这使得I₃C-CI₃/石墨烯分散液具有pH响应性，如图4所示，当pH<5时，体系产生沉淀，石墨烯析出，而当pH≥5时，体系可以稳定存在，石墨烯分散良好。

Claims (4)

1.一种石墨烯分散剂，其特征在于：所述分散剂的结构为：

。

2.一种根据权利要求1所述的石墨烯分散剂的制备方法，其特征在于具体的步骤如下：

1)使用Fmoc固相合成法合成多肽得到粗产品；

2)将反应后的反应液转移到旋蒸瓶内，在35℃条件下真空旋转蒸发；将旋转蒸发后的液体逐滴加入7-8倍残液体积的冰***内，静置产生沉淀后，用高速冷冻离心机在9000rpm、4℃条件下离心10min，反复***沉淀，离心5-6次；除去上层清液，保留沉淀，通风橱内待***挥发完之后，向沉淀中加超纯水，超声摇匀，放入冰箱中预冻1h，再使用冻干机-60℃冷冻干燥24h，即得到纯化的多肽，密封-20℃保存；

3)将步骤2)得到的多肽溶解于体积比1:1的DCM/DMF混合溶液中，通入氧气24小时；

4)将步骤3)后的反应液转移到旋蒸瓶内，在35℃条件下真空旋转蒸发，除去DCM/DMF等残余液体；

5)用滴管将旋转蒸发后的液体逐滴加入7-8倍体积的冰***内，静置产生沉淀后，用高速冷冻离心机在9000rpm、4℃条件下离心10min，反复***沉淀，离心5-6次；除去上层清液，保留沉淀，待***挥发完之后，向沉淀中加超纯水，超声摇匀，放入冰箱中预冻1h，再使用冻干机-60℃冷冻干燥24h，即得到纯化的石墨烯分散剂，密封-20℃保存。

3.一种石墨烯分散液的制备方法，其特征在于使用了权利要求1所述的石墨烯分散剂，具体的制备方法如下：

分别称取5重量份的所述石墨烯分散剂和25重量份的石墨粉，加入10重量份的水，调节pH至6-7，震荡混合均匀，放入超声机中超声，超声时间至少为24h，且超声过程中水温不得高于70℃；超声完成后，石墨烯分散剂/石墨烯混合液进行离心分离；离心转速500rpm-8000rpm，离心10min-30min；离心完成后，分离得到上清液即为石墨烯分散液。

4.根据权利要求3所述的石墨烯分散液的制备方法，其特征在于，所述的超声过程的方法为：功率100W，超声4小时后，停止，12小时后，再超声4小时，然后停止12小时，如此循环至超声时间加和为24小时。