氧化石墨烯復(fù)合材料的制備及其吸附蛋白質(zhì)的研究.pdf

1、石墨烯（graphene）是具有單原子厚度的二維納米材料，C-C之間通過共價鍵相連接，包裹可形成富勒烯，卷曲可形成碳納米管,疊加則形成石墨結(jié)構(gòu)。本文研究了具有單層sp2和sp3碳原子及大量的含氧基團的石墨烯的衍生物氧化石墨烯（graphene oxide，GO），功能化復(fù)合后的蛋白質(zhì)吸附行為。通常來說，GO在吸附過程中容易團聚，導(dǎo)致比表面積急劇下降，從而大大降低吸附性能。大量研究表明GO的進一步的功能化及其與有機大分子之間的非共價結(jié)合能

2、提供豐富的活性位點，是理想的蛋白質(zhì)載體。因此，為了提高其吸附性能，必須對GO進行功能化修飾和進一步的復(fù)合。然而，目前對 GO的功能化修飾及其復(fù)合材料的合成仍處于研究發(fā)展階段。在合成過程中仍存在許多亟需解決的問題：（1）合成過程復(fù)雜；（2）大量使用易揮發(fā)有機溶劑和有毒物質(zhì)；（3）大部分共價功能化修飾將導(dǎo)致GO吸附容量的降低等。針對這些問題，本文使用改進的Hummers法合成了GO，并將其與環(huán)境友好的殼聚糖（chitosan，CS）和葉酸（

3、folic acid,FA）進行復(fù)合功能化，以典型蛋白質(zhì)—牛血清白蛋白（Bovine serum albumin,BSA）為探針，表征所制備復(fù)合材料對蛋白質(zhì)的吸附性能，探討了蛋白質(zhì)吸附過程中的可能機理，以期為石墨烯基復(fù)合材料在蛋白質(zhì)負載方面的潛在應(yīng)用提供基礎(chǔ)和指導(dǎo)。針對此目的展開了一系列的研究，主要包括以下幾個方面：
　　（1）通過控制GO制備過程中氧化劑的用量改進了Hummers法，并通過中溫階段輔助超聲合成GO，利用SEM、X

4、RD、FT-IR和Raman等表征手段分析GO的形態(tài)結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明：GO為二維平面結(jié)構(gòu)，可在水溶液中均勻分散，縱向尺寸大約1nm，為單原子層厚度,表面表現(xiàn)為褶皺結(jié)構(gòu)。GO單片的成功合成為后期研究GO及其復(fù)合材料與蛋白的相互作用提供了基礎(chǔ)。
　　（2）通過脫水縮合反應(yīng)，制備了梯田狀氧化石墨烯-殼聚糖（TG-CS）復(fù)合材料。通過SEM發(fā)現(xiàn)此復(fù)合材料具有獨特的梯田層狀結(jié)構(gòu)，F(xiàn)TIR中酰胺鍵的存在表明TG-CS復(fù)合材料的成功制備，XR

5、D衍射分析表明GO是通過單片層均勻分散在CS中。吸附實驗表明，TG-CS復(fù)合材料具有比GO更優(yōu)異的BSA吸附性能，所得復(fù)合材料的最大吸附容量（qm）分別是相應(yīng)GO和CS的3和1.81倍。吸附動力學(xué)擬合常數(shù)表明GO、CS和TG-CS對BSA的吸附速率受到化學(xué)吸附控制。吸附數(shù)據(jù)均能夠較好地被Langmuir吸附等溫模型擬合，吸附機理主要包括靜電吸引、絡(luò)合作用和π-π作用，吸附動力學(xué)遵循二級動力學(xué)模型。由準一級動力學(xué)計算得到GO、CS和TG-

6、CS復(fù)合材料對BSA的最大吸附容量分別為46mg/L，76mg/L和138mg/L，表明復(fù)合材料吸附位點的協(xié)同作用。
　　（3）采用兩步法合成了葉酸-殼聚糖-氧化石墨烯（FA-CS-GO）復(fù)合材料，Raman光譜分析表明制備得到的復(fù)合材料中GO的結(jié)構(gòu)規(guī)整度升高，F(xiàn)TIR分析表明FA，CS，GO的成功偶聯(lián)。使用Langmuir吸附等溫模型研究材料對BSA吸附性能，實驗結(jié)果表明，F(xiàn)A-CS-GO復(fù)合材料吸附容量達到251mg/g，且L

7、angmuir等溫模型對吸附實驗數(shù)據(jù)的擬合程度大大高于Freundlich等溫模型，說明對BSA的吸附屬于單分子層的吸附。由準一級動力學(xué)計算得到FA-CS和FA-CS-GO復(fù)合材料對BSA的最大吸附容量分別為148.2mg/g,和251mg/g。通過對比CS-GO復(fù)合材料的吸附容量可以發(fā)現(xiàn)，葉酸與CS-GO的進一步復(fù)合提高了對蛋白質(zhì)的吸附能力。
　　實驗結(jié)果表明兩種功能化氧化石墨烯復(fù)合材料都對BSA具有良好的吸附效果，復(fù)合改性后的