專利名稱：一種石墨烯包裹硅膠的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石墨烯包裹硅膠材料的制備方法，屬于樣品預(yù)處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
石墨烯是由單層碳原子組成的六方蜂巢狀結(jié)構(gòu)的二維物質(zhì)，自2004年被首次實(shí)驗(yàn)制備出來(lái)，就受到了全世界科學(xué)家的普遍關(guān)注。石墨烯具有很大的理論比表面積(2630m2/g)，因而可以提供豐富的吸附位點(diǎn)；石墨烯是一種富含η-電子體系的物質(zhì)，可以和含苯環(huán)的物質(zhì)產(chǎn)生相互作用；石墨烯具有優(yōu)良的熱和機(jī)械穩(wěn)定性；石墨烯的生產(chǎn)成本低廉。以上這些優(yōu)點(diǎn)使石墨烯成為樣品預(yù)處理中理想的富集材料。固相萃取(SPE)有富集倍數(shù)高、回收率高、有機(jī)溶劑消耗量少、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是一種常用的樣品預(yù)處理技術(shù)。石墨烯的優(yōu)良特性決定了它是一種優(yōu)良的SPE吸附劑。但是將 純的石墨烯直接用作SPE填料時(shí)，也會(huì)遇到以下問題石墨烯會(huì)發(fā)生不可逆團(tuán)聚，造成有效吸附位點(diǎn)減少，進(jìn)而引起吸附容量降低和解吸困難；微小的石墨烯顆粒會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中流失，進(jìn)而造成SPE小柱堵塞和萃取效率下降。為了解決以上問題，同時(shí)保證石墨烯的優(yōu)良吸附性能，石墨烯-硅膠復(fù)合材料是一種有效的解決辦法。目前文獻(xiàn)報(bào)道的制備石墨烯-硅膠復(fù)合材料的方法主要有兩種第一種方法是在石墨烯存在下，進(jìn)行硅烷化試劑水解的溶膠-凝膠法，可以在石墨烯平面結(jié)構(gòu)上生成一層硅膠基質(zhì)材料；第二種方法是基于氧化石墨烯和修飾硅膠(例如氨基硅膠)之間的靜電吸附作用或脫水縮合反應(yīng)，將氧化石墨烯固定在硅膠表面，最后再還原氧化石墨烯即可。然而第一種方法制備得到的材料中，石墨烯大量的吸附位點(diǎn)會(huì)被硅膠占據(jù)，造成吸附量降低；第二種方法制備的復(fù)合材料中，石墨烯是包裹在硅膠表面，可以有效地解決這一問題，但是，文獻(xiàn)報(bào)道的方法不僅制備周期長(zhǎng)，而且在氧化石墨烯的還原過程中用到了肼等有毒的物質(zhì)，不利于人的身體健康，同時(shí)也不滿足綠色化學(xué)的發(fā)展要求。更重要的是，由于反應(yīng)過程中脫水條件苛刻，使得最后制備的材料中石墨烯的鍵合量較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種溫和、綠色，同時(shí)石墨烯含量高的石墨烯包裹硅膠的制備方法。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為是一種石墨烯包裹硅膠材料的制備方法，配制氧化石墨烯分散液和氨基硅膠分散液；將兩分散液混合，混合液中氨基硅膠的濃度為3. 5^35 mg/mL,氧化石墨烯的濃度為O. 5^2. 5 mg/mL,攪拌混合液,攪拌時(shí)間彡Ih ;將混合液放入反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱還原處理，水熱溫度> 200°C，水熱時(shí)間> 2 h ;用有機(jī)溶劑對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行浮選，除去未包裹在硅膠上的石墨烯，得到純凈的石墨烯包裹硅膠。水熱還原處理中的水熱溫度為20(T230°C，水熱時(shí)間為2 3 h?；旌弦旱臄嚢钑r(shí)間為f 2 h。有機(jī)溶劑為N-甲基-2-吡咯烷酮或N，N- 二甲基甲酰胺。
在制備石墨烯包裹硅膠材料的過程中，將氧化石墨烯通過靜電相互作用吸附在氨基硅膠表面，然后將其進(jìn)行水熱還原處理，得到石墨烯包裹的硅膠材料，由于之前游離于硅膠之外的氧化石墨烯還原后，會(huì)通過堆積作用吸附在到石墨烯包裹硅膠表面，保證了該方法制備的材料中石墨烯的含量較高。然后利用石墨烯包裹硅膠和石墨烯的密度不同，用有機(jī)溶劑對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行浮選，除去未包裹在硅膠上的石墨烯，得到純凈的石墨烯包裹硅膠材料。本發(fā)明提供的制備方法簡(jiǎn)單快速、溫和、綠色、重現(xiàn)性好，所制備的石墨烯包裹硅膠材料不僅石墨烯含量高，而且具有很好的吸附性能。將該石墨烯包裹硅膠材料用于雌性激素類化合物、五氯酚的富集和maldi-tof MS分析的脫鹽步驟，取得了較好的效果。


圖I為實(shí)施例I中的氨基硅膠、氧化石墨烯包裹硅膠和兩種不同方法制備的石墨烯包裹硅膠的照片，圖中A為氨基硅膠，B為氧化石墨烯包裹硅膠，C為現(xiàn)有技術(shù)中只還原氧·化石墨烯包裹硅膠材料的方法得到的石墨烯包裹硅膠，D為本發(fā)明制備的石墨烯包裹硅膠。圖2為實(shí)施例I中的氨基硅膠、氧化石墨烯包裹硅膠和兩種不同方法制備的石墨烯包裹硅膠的掃描電鏡圖，圖中A為氨基硅膠，B為氧化石墨烯包裹硅膠，C為現(xiàn)有技術(shù)中只還原氧化石墨烯包裹硅膠的方法得到的石墨烯包裹硅膠，D為本發(fā)明制備的石墨烯包裹硅膠。圖3為石墨烯包裹硅膠同其他商品化SPE填料在富集五氯酚時(shí)的效果比較，圖中，A為氨基硅膠，C為現(xiàn)有技術(shù)中只還原氧化石墨烯包裹硅膠材料的方法得到的石墨烯包裹硅膠，CNTs為碳納米管，GCB為石墨化炭黑，C18為C18鍵合硅膠，D為本發(fā)明制備的石墨烯包裹硅膠。圖4為五氯酚在石墨烯包裹硅膠C和石墨烯包裹硅膠D上的吸附量測(cè)定。圖5為石墨烯包裹硅膠同其他商品化SPE填料在富集雌性激素類化合物時(shí)的效果比較。圖中，A為氨基硅膠，D為本發(fā)明制備的石墨烯包裹硅膠，C18為C18鍵合硅膠，CNTs為碳納米管，GCB為石墨化炭黑。圖6為雌三醇在氨基硅膠和石墨烯包裹硅膠上的吸附量測(cè)定。圖7為石墨烯包裹硅膠富集牛血清白蛋白BSA酶解產(chǎn)物中多肽的MALDI-TOF MS圖，從上至下依次為10 nM BSA酶解產(chǎn)物直接分析和富集后的效果圖。圖8為石墨烯包裹硅膠用于MALDI-TOF MS脫鹽步驟效果圖，從上至下依次為200nM BSA酶解產(chǎn)物直接分析、流出液和脫鹽后的效果圖。
具體實(shí)施例方式以下通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的介紹。實(shí)施例I
(I)石墨烯包裹硅膠的制備
首先配制濃度為7. O g/mL的氨基硅膠分散液和2. O g/mL的氧化石墨烯分散液，然后將二者混合，混合之后氨基硅膠和氧化石墨烯的濃度分別為3. 5 g/mL和1.0 g/mL，攪拌混合液2 h，將混合液放入反應(yīng)釜中，230 °C下反應(yīng)3 h，用N，N-二甲基甲酰胺對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行浮選，除去未包裹在硅膠上的石墨烯，得到石墨烯包裹硅膠D (如圖2所示)。(2)本發(fā)明制備的材料與現(xiàn)有技術(shù)制備的材料的對(duì)比
為了與現(xiàn)有技術(shù)中只還原氧化石墨烯包裹硅膠材料的方法比較，在熱還原之前將游離的氧化石墨烯除去，只將氧化石墨烯包裹硅膠進(jìn)行熱還原，制備得到了石墨烯包裹硅膠材料C (如圖2所示)，具體步驟為將上述配制的濃度為7. O g/mL的氨基硅膠分散液和2. Og/mL的氧化石墨烯分散液混合?；旌现蟀被枘z和氧化石墨烯的濃度分別為3. 5 g/mL和1.0 g/mL，攪拌混合液2 h，用N，N-二甲基甲酰胺對(duì)其進(jìn)行浮選除去游離的氧化石墨烯，最后將純氧化石墨烯包裹硅膠在放入反應(yīng)釜中，230 °C下反應(yīng)3 h。得到石墨烯包裹硅膠材料C。將上述石墨烯包裹硅膠C和石墨烯包裹硅膠D用乙醇洗滌，60 1下干燥。如圖I所示，由于氧化石墨烯是棕色的，相比于氨基硅膠A，氧化石墨烯包裹硅膠B的顏色是棕色的，說明了氧化石墨烯的存在；同時(shí)石墨烯包裹硅膠C和石墨烯包裹硅膠D的顏色分別是灰色和黑色，說明石墨烯的存在。如圖2所示，氨基硅膠表面光滑，通過靜電作用吸附氧化石墨烯后，氨基硅膠表面變得粗糙，表明氧化石墨烯成功包裹在氨基硅膠表面；經(jīng)過熱還原之后，石墨烯被成功地包裹在硅膠外面。從掃描電鏡圖可以初步判斷石墨烯包裹硅膠D中石 墨烯的含量高于石墨烯包裹硅膠C。經(jīng)過元素分析，可以計(jì)算出氧化石墨烯包裹硅B中氧化石墨烯的含量為2. 6%，石墨烯包裹硅膠C和石墨烯包裹硅膠D中石墨烯的含量分別為3. 3%和8. 3%。照片、掃描電鏡與元素分析的結(jié)果相互佐證，說明了本方法可以制備出石墨烯含量聞的石墨稀包裹娃I父材料。實(shí)施例2
石墨烯包裹硅膠的制備
首先配制濃度為7. O g/mL的氨基硅膠分散液和I. O g/mL的氧化石墨烯分散液，然后將二者混合，混合液中氨基硅膠和氧化石墨烯的濃度分別為3. 5 g/mL和O. 5 g/mL，攪拌混合液2 h，將混合液放入反應(yīng)釜中，230 °C下反應(yīng)3 h，用N，N-二甲基甲酰胺對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行浮選，除去未包裹在硅膠上的石墨烯，得到石墨烯包裹硅膠。實(shí)施例3
石墨烯包裹硅膠的制備
首先配制濃度為7. O g/mL的氨基娃膠分散液和5. O g/mL的氧化石墨烯分散液,然后將二者混合。混合之后氨基硅膠和氧化石墨烯的濃度分別為3. 5 g/mL和2. 5 g/mL，攪拌混合液I h。在將混合液放入反應(yīng)釜中，230 °C下反應(yīng)3 h。之后用N，N-二甲基甲酰胺對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行浮選，除去未包裹在硅膠上的石墨烯，得到石墨烯包裹硅膠。實(shí)施例4
石墨烯包裹硅膠的制備
首先配制濃度為70 g/mL的氨基硅膠分散液和2. O g/mL的氧化石墨烯分散液，然后將二者混合?；旌现蟀被弈z和氧化石墨烯的濃度分別為35 g/mL和I. O g/mL,攪拌混合液I h。在將混合液放入反應(yīng)釜中，230 °C下反應(yīng)3 h。之后用N，N-二甲基甲酰胺對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行浮選，除去未包裹在硅膠上的石墨烯，得到石墨烯包裹硅膠。實(shí)施例5
石墨烯包裹硅膠的制備
首先配制濃度為7. O g/mL的氨基硅膠分散液和2. O g/mL的氧化石墨烯分散液，然后將二者混合?；旌现蟀被枘z和氧化石墨烯的濃度分別為3. 5 g/mL和I. O g/mL，攪拌混合液2 h。在將混合液放入反應(yīng)釜中，200 °C下反應(yīng)2 h。之后用N-甲基-2-吡咯烷酮對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行浮選，除去未包裹在硅膠上的石墨烯，得到石墨烯包裹硅膠。實(shí)施例6
石墨烯包裹硅膠作為SPE填料與其他商品化SPE填料在富集五氯酚時(shí)的對(duì)比將制備好的石墨烯包裹硅膠用乙醇洗滌，60 °C下干燥，取20 mg石墨烯包裹硅膠填料填入SPE空柱管中，再將該填料依次用3 mL乙腈和3 mL水活化和平衡。將5 mL 50 ng/mL的五氯酚標(biāo)準(zhǔn)水溶液通過 SPE填料，用I mL解吸液解吸。C18鍵合硅膠(C18)填料的解吸液為為I mL甲醇，其余為I mL堿化甲醇，將I. 5 mLl M NaOH溶液加入到50 mL甲醇中得到堿化甲醇。所有SPE步驟均靠重力使溶液流動(dòng)。高效液相色譜-紫外(HPLC-UV)分析前，用30微升I M HCl中和解吸液中的堿。HPLC-UV條件流動(dòng)相為乙腈/pH為2. 5的20mM 憐酸緩沖液(v/v，80/20),流速 1.0 mL/min,色譜柱為 HiSep C18 (250 mm X 4. 6 mmi.d.，5 μπι)，柱溫為40°C，紫外檢測(cè)波長(zhǎng)為300 nm。如圖3所示，可以看出所制備的材料對(duì)五氯酚的萃取效果優(yōu)于其他商品化的材料。實(shí)施例7
石墨烯包裹硅膠作為SPE填料對(duì)五氯酚吸附量的測(cè)定
不同體積的O. 2 μ g/mL五氯酹溶液依次通過裝有20 mg石墨烯包裹娃膠填料的SPE小柱，通過測(cè)定流出液中五氯酚的含量計(jì)算出被材料吸附的目標(biāo)物的量。將數(shù)據(jù)用Langmuir模型擬合，得到兩種石墨烯包裹硅膠對(duì)五氯酚的吸附容量分別為781. 5 μ g/g和286. 3μ g/g。由于石墨烯鍵合量的提高，石墨烯包裹硅膠D對(duì)五氯酚的吸附量是現(xiàn)有技術(shù)中只還原氧化石墨烯包裹硅膠材料的方法得到的石墨烯包裹硅膠C的2. 7倍。如圖4所示。實(shí)施例8
石墨烯包裹硅膠作為SPE填料與其他商品化SPE填料在富集雌性激素類化合物的對(duì)比將制備好的石墨烯包裹硅膠用乙醇洗滌，60 °C下干燥，取20 mg石墨烯包裹硅膠填料填入SPE空柱管中，再將該填料依次用3 mL乙腈和3 mL水活化和平衡，將5 mL 50 ng/mL的雌性激素類化合物標(biāo)準(zhǔn)水溶液通過SPE填料，用I mL乙腈解吸，將解吸液在35°C下用緩和的N2吹干后用O. I mL流動(dòng)相溶解，然后進(jìn)行HPLC-UV分析。所有SPE步驟均靠重力使溶液流動(dòng)。HPLC-UV條件流動(dòng)相為乙腈/水(v/v，48/52)，流速1.0 mL/min，色譜柱為HiS印C18 (250 mm X 4. 6 mm i. d. , 5 μ m)，柱溫為40°C，紫外檢測(cè)波長(zhǎng)為280 nm?？梢钥闯鏊苽涞牟牧蠈?duì)雌性激素類化合物的萃取效果優(yōu)于其他商品化的材料。如圖5所示。實(shí)施例9
石墨烯包裹硅膠和氨基硅膠分別作為SPE填料對(duì)雌三醇吸附量的測(cè)定不同體積的O. 2 μ g/mL雌三醇溶液依次通過裝有20 mg吸附劑的SPE小柱，通過測(cè)定流出液中雌三醇的含量計(jì)算出被材料吸附的目標(biāo)物的量。將數(shù)據(jù)用Langmuir模型擬合，得到氨基硅膠和石墨烯包裹硅膠對(duì)雌三醇的吸附容量分別為25. I μ g/g和104. I μ g/g。如圖6所示。實(shí)施例10
石墨烯包裹硅膠作為SPE填料富集牛血清白蛋白BSA酶解產(chǎn)物中的多肽
將制備好的石墨烯包裹硅膠用乙醇洗滌，60 °C下干燥，取20 mg石墨烯包裹硅膠填料填入SPE空柱管中，再將該填料依次用I mL解吸液和2 mL水進(jìn)行活化和平衡，解吸液為O. 1%三氟乙酸水溶液/乙腈混合液(v/v，20/80)，將4 mL 10 nmol/L的牛血清白蛋白BSA酶解液通過SPE填料，用I mL水清洗，最后用O. 5 mL解吸液解吸。所有SPE步驟均靠重力使溶液流動(dòng)。將20 μ L解吸液真空旋干，并用2 μ L基質(zhì)溶液溶解，基質(zhì)溶液是將α -氰基-4-羥基肉桂酸(CHCA)溶解于O. 1%三氟乙酸水溶液/乙腈(v/v，50/50)混合液中，使CHCA的濃度為2 mg/mL。之后將其滴在MALDI靶板上，室溫晾干后進(jìn)行MALDI分析。將MALDI數(shù)據(jù)提交給近程MASCOT服務(wù)器(Matrix Science, London, UK)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)搜索，可以檢索到24個(gè)多肽信號(hào)。如圖7所示。實(shí)施例11
石墨烯包裹硅膠作為SPE填料用于MALDI-TOF MS脫鹽步驟
將制備好的石墨烯包裹硅膠用乙醇洗滌，60 °C下干燥，取20 mg石墨烯包裹硅膠填料填入SPE空柱管中，再將該填料依次用I mL解吸液和2 mL水進(jìn)行活化和平衡,解吸液為 O. 1%三氟乙酸水溶液/乙腈混合液(v/v，20/80)。將O. 5 mL濃度為200 nmol/L的牛血清白蛋白BSA酶解液通過SPE填料。用2 mL水清洗，最后用0. 5 mL解吸液解吸。所有SPE步驟均靠重力使溶液流動(dòng)。將20 μ L解吸液真空旋干，并用2 μ L基質(zhì)溶液溶解，基質(zhì)溶液是將α-氰基-4-羥基肉桂酸(CHCA)溶解于0. 1%三氟乙酸水溶液/乙腈(ν/ν，50/50)混合液中，使CHCA的濃度為2 mg/mL。之后將其滴在MALDI靶板上，室溫晾干后進(jìn)行MALDI分析。上樣液中由于存在大量的鹽，在進(jìn)行MALDI分析時(shí)會(huì)抑制目標(biāo)物的離子化信號(hào)，流出液中沒有觀察到多肽信號(hào)，解吸液中觀察到的多肽信號(hào)不僅比上樣液中數(shù)目多，而且信號(hào)強(qiáng)度也有所提高，說明本發(fā)明制備的材料在MALDI-TOF MS分析脫鹽步驟具有很好的應(yīng)用。如圖8所示。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯包裹硅膠材料的制備方法，其特征在于配制氧化石墨烯分散液和氨基娃膠分散液；將兩分散液混合，混合液中氨基娃膠的濃度為3. 5^35 mg/mL,氧化石墨烯的濃度為O. 5 2. 5 mg/mL,攪拌混合液,攪拌時(shí)間彡I h ;將混合液放入反應(yīng)爸中進(jìn)行水熱還原處理，水熱溫度> 200°C，水熱時(shí)間> 2 h ;用有機(jī)溶劑對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行浮選，除去未包裹在硅膠上的石墨烯，得到純凈的石墨烯包裹硅膠。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種石墨烯包裹硅膠材料的制備方法，其特征在于所述的水熱還原處理中的水熱溫度為20(T230°C，水熱時(shí)間為2 3 h。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種石墨烯包裹硅膠材料的制備方法，其特征在于所述混合液的攪拌時(shí)間為廣2 h。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種石墨烯包裹硅膠材料的制備方法，其特征在于所述的有機(jī)溶劑為N-甲基-2-吡咯烷酮或N，N- 二甲基甲酰胺。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種石墨烯包裹硅膠材料的制備方法，其特征在于所述的有機(jī)溶劑為N-甲基-2-吡咯烷酮或N，N- 二甲基甲酰胺。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石墨烯包裹硅膠材料的制備方法。該方法首先通過靜電吸附作用，將氧化石墨烯吸附在氨基硅膠表面，再經(jīng)過水熱還原處理，即得到石墨烯包裹硅膠的材料。該材料的制備方法簡(jiǎn)單，安全環(huán)保，重現(xiàn)性好。利用該制備方法得到的材料的石墨烯含量高，所制備的石墨烯包裹硅膠材料作為固相萃取(SPE)的填料具有比文獻(xiàn)值更高的吸附量，將其用于富集牛血清白蛋白(BSA)酶解溶液中的多肽和基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOFMS)分析的脫鹽步驟，取得了很好的效果。
文檔編號(hào)B01J20/10GK102895938SQ20121045145
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者馮鈺锜, 羅彥波, 朱鋼添 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)