本文選題：石墨烯　切入點：功能化　出處：《東北大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：石墨烯是一種新型二維碳納米材料,其具有獨特而優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì),故引起了科學(xué)界及工程界的廣泛關(guān)注。石墨烯巨大的比表面積使其成為一種潛在的固相吸附材料。為了實現(xiàn)復(fù)雜基體樣品中蛋白質(zhì)的高選擇性分離純化,本文制備了一系列功能化石墨烯復(fù)合材料,研究了其在蛋白質(zhì)選擇性分離純化中的應(yīng)用,建立了滿足不同類型的復(fù)雜基體樣品(全血,雞蛋清和細胞裂解液)中目標蛋白質(zhì)的高選擇性分離純化方法。第一章簡要綜述了石墨烯的研究歷史,結(jié)構(gòu)性質(zhì)及其合成方法。概述了石墨烯的表面功能化,石墨烯復(fù)合材料的制備,以及石墨烯及其復(fù)合材料在樣品預(yù)處理等領(lǐng)域中的應(yīng)用進展。第二章制備了一種新型功能化石墨烯復(fù)合材料。通過共價功能化的方式,氧化石墨烯(GO)表面依次經(jīng)過環(huán)氧氯丙烷(ECH),亞氨基二乙酸(IDA)和1-苯硼酸(1-PBA)修飾后,再進一步螫合鎳金屬離子得到復(fù)合材料。復(fù)合材料由FT-IR, XRD, SEM, TGA和ICP-MS等手段進行表征。結(jié)果證明上述有機分子成功修飾在石墨烯表面,得到了GO-PBA-IDA-Ni復(fù)合材料,且螯合固定的Ni2+含量為3.01×10-3 mol g-1。該復(fù)合材料對溶菌酶(Lys)表現(xiàn)良好的選擇性吸附性能。在實際操作中,采用抽濾的方式將復(fù)合材料沉積在混合纖維膜(孔徑為1.2μm)表面形成一層均勻的GO-IDA-PBA-Ni膜,厚度約為1.0μm。然后將GO-PBA-IDA-Ni復(fù)合膜固定在一個圓形的膜分離器上,并與順序注射系統(tǒng)聯(lián)用實現(xiàn)在線選擇性分離溶菌酶。當500 μL溶液中25 0μg mL-1 Lys以5 gLs-1的載入速度流經(jīng)復(fù)合膜后,Lys的吸附效率可達96%。金屬親和作用力和靜電作用力是控制蛋白質(zhì)吸附行為的主要驅(qū)動力。吸附在膜表面的Lys可采用含有1.0 mol L-1 NaCl和20 mmol L-1咪唑的硼酸緩沖液(pH 10)洗脫,回收率可達90%。復(fù)合膜的實際應(yīng)用能力經(jīng)選擇性分離純化雞蛋清中的Lys予以驗證,SDS-PAGE凝膠電泳結(jié)果表明本方法可以實現(xiàn)復(fù)雜基體中Lys的選擇性分離,且得到的Lys具有很高的純度。第三章采用一步水熱還原法制備了鎳納米粒子修飾的石墨烯(GP-Ni)雜化材料。在聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)的存在下,氧化石墨烯和鎳陽離子同時被水合肼還原形成雜化材料。實驗采用XRD, TEM, SEM, XPS,拉曼及FT-IR光譜對GP-Ni雜化材料進行表征,結(jié)果證明石墨烯表面形成了多分散的鎳納米粒子,其平均尺寸為83 nm。GP-Ni雜化材料具有鐵磁性,在10000奧斯特(Oe)下其飽和磁化強度為31.1 emu g-1。GP-Ni在水溶液中表現(xiàn)良好的穩(wěn)定性和對外加磁場的快速響應(yīng)性能。這些特性使GP-Ni作為一種新型磁性吸附材料用于復(fù)雜基體樣品(細胞裂解液)中六組氨酸標簽重組蛋白的分離純化。目標蛋白分子通過聚組氨酸基團與鎳納米粒子之間特殊的金屬親和作用力吸附在GP-Ni雜化材料表面,SDS-PAGE凝膠電泳分析表明本方法可以實現(xiàn)細胞裂解液中六組氨酸標簽Smt A蛋白的高選擇性分離。與商品化的NTA-Ni2+分離柱相比,GP-Ni雜化材料對六組氨酸標簽重組蛋白表現(xiàn)更優(yōu)異的分離純化性能。第四章采用了一種室溫下簡單且大規(guī)模合成的方法制備了氧化石墨烯-La(BTC)(H2O)6 (H3BTC=1,3,5-均苯三甲酸)金屬有機骨架復(fù)合材料(LaMOF-GOn,n=1-6,分別對應(yīng)于GO百分比為1%,2%,3%,4%,5%和10%)。復(fù)合材料通過ATR-FTIR光譜,SEM, XRD, TGA和N2吸附-解吸等溫曲線等進行表征。GO的存在顯著地改變了復(fù)合材料的表面形貌,從細長的矩形棒狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則的厚塊,而且復(fù)合材料的比表面積從14.8 cm2 g-1 (LaMOFs)增加至26.6 cm2 g-1 (LaMOF-G03)。但與此同時La(BTC)(H2O)6的晶體結(jié)構(gòu)得到了保持。作為一種新型的固相萃取劑,LaMOF-GO復(fù)合材料對蛋白質(zhì)表現(xiàn)優(yōu)異的吸附性能。蛋白質(zhì)與復(fù)合材料之間強烈的疏水相互作用,特別是二者之間的π-π相互作用是控制蛋白質(zhì)吸附的主要驅(qū)動力。當使用LaMOF-GO3復(fù)合材料為吸附劑時,在含有0.05 mol L-1 NaCl的4 mM B-R緩沖液(pH 8)中可以實現(xiàn)血紅蛋白(Hb)的選擇性分離。吸附在材料表面的Hb可以利用pH 10的1 mM B-R緩沖液進行有效洗脫,回收率可達63%。LaMOF-GO3復(fù)合材料的實際應(yīng)用經(jīng)人全血中Hb的選擇性分離予以驗證,SDS-PAGE凝膠電泳結(jié)果表明本方法可以實現(xiàn)復(fù)雜基體樣品中Hb的選擇性分離,而且得到的Hb具有較高的純度。第五章制備了聚合離子液體(PIL)修飾的還原氧化石墨烯(rGO)。在水合肼還原過程中,聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑溴代鹽)(P(ViEtIm+Br-))修飾在還原氧化石墨烯納米片表面,形成了PIL-rGOo所得PIL-rGO復(fù)合物進一步通過靜電作用自組裝在Si02納米粒子的表面。PIL-rGO@SiO2納米雜化材料對酸性蛋白質(zhì)表現(xiàn)很高的選擇性吸附。以卵清蛋白(Ova)作為酸性蛋白模型進行研究,Ova與納米雜化材料之間強烈的靜電吸引力和π-π相互作用是控制蛋白質(zhì)吸附的主要驅(qū)動力。在pH 5的4 mM B-R緩沖液中,150 mg L-1的Ova在材料表面的吸附效率可達95%。與文獻中用于Ova吸附的其他吸附劑相比,PIL-rGO@SiO2納米雜化材料對Ova具有超高的吸附容量,最大吸附容量為917.4 mg g-1。吸附在納米雜化材料表面的Ova可以用0.4%(w/v) SDS溶液有效洗脫,回收率可達70%。PIL-rGO@SiO2納米雜化材料的實際應(yīng)用經(jīng)復(fù)雜基體樣品(雞蛋清)中Ova的選擇性分離和去除進行驗證。第六章總結(jié)了本論文的有關(guān)研究內(nèi)容,并展望了功能化石墨烯類材料的進一步發(fā)展及其應(yīng)用。
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【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB33

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 MA CongCong;SHAO XiaoHong;CAO DaPeng;;Nitrogen-doped graphene as an excellent candidate for selective gas sensing[J];Science China(Chemistry);2014年06期

2 胡耀娟;金娟;張卉;吳萍;蔡稱心;;石墨烯的制備、功能化及在化學(xué)中的應(yīng)用[J];物理化學(xué)學(xué)報;2010年08期

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本文編號：1606709