同步輻射圓二色譜研究氧化石墨烯與腐殖酸的相互作用

周曉艷 汪 冰 陳漢清 王海龍 陶 冶 歐陽宏 豐偉悅

1（中國科學(xué)院高能物理研究所 核輻射與核能技術(shù)院重點實驗室及納米生物效應(yīng)與安全性院重點實驗室 北京 100049）

2（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京同步輻射裝置 北京 100049）

同步輻射圓二色譜研究氧化石墨烯與腐殖酸的相互作用

周曉艷1汪 冰1陳漢清1王海龍1陶 冶2歐陽宏1豐偉悅1

1（中國科學(xué)院高能物理研究所 核輻射與核能技術(shù)院重點實驗室及納米生物效應(yīng)與安全性院重點實驗室 北京 100049）

2（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京同步輻射裝置 北京 100049）

應(yīng)用同步輻射真空紫外圓二色光譜、紫外-可見及紅外光譜等技術(shù)研究了氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)與腐殖酸(Humic Acid, HA)在水溶液中的相互作用，探討了不同配比、溶液pH及不同溫度條件下GO與HA之間的相互作用對GO在水溶液中形態(tài)的影響。研究表明，一定條件下GO在水溶液中顯示出圓二色性，其強(qiáng)弱與GO在水溶液中的形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)。HA可通過極性相互作用和π-π相互作用吸附在GO表面，形成GO-HA復(fù)合物，改變體系的圓二色性，這種影響與二者的質(zhì)量比、水環(huán)境pH和溫度相關(guān)。GO-HA與GO相比，厚度增加，分散性提高，圓二色信號降低；GO-HA體系pH值升高和溫度降低，有利于GO-HA折疊構(gòu)象的形成，使得體系的圓二色信號升高。

氧化石墨烯，腐殖酸，相互作用，同步輻射圓二色譜

1 材料與方法

1.1 實驗材料和儀器

GO，純度＞99 wt%，尺寸2–5 μm，購自成都有機(jī)化學(xué)有限公司；HA購自Alfa Aesar公司；KQ-500DE 型數(shù)控超聲波清洗器（昆山超聲儀器有限公司）；Milli-Q 超純水儀（Millipore，美國）；pH 計（Sartorius PB-10，德國）；冷凍干燥機(jī)（Christ 1-2/LD Plus，德國）；雙光束紫外分光光度計（TU-1901，北京普析通用儀器有限公司）；紅外光譜儀（Thermo fisher iN10-IZ10，美國）；掃描電子顯微鏡（Hitachi S-4800，日本）；原子力顯微鏡（Bruker Dimension EDGE，美國）。

1.2 GO-HA分散液的制備

將GO片狀固體超聲分散于超純水中，超聲振蕩2 h，制成濃度為1 mg.mL?1的分散儲備液。將HA溶于超純水中，磁力攪拌4 h，10 000 rad.min?1離心15 min，去除沉淀，上清液經(jīng)0.22 μm 濾膜過濾，制成濃度為2 mg.mL?1的HA儲備液。取GO分散液1 mL，加入HA儲備液，分別配制質(zhì)量比不同的GO-HA懸浮液，超聲分散2 h，10 000 rad.min?1離心30 min，去除游離的HA，將沉淀懸浮于水溶液中，制備成不同配比的GO濃度為0.5 mg.mL?1的GO-HA分散液。

1.3 GO/GO-HA形貌表征

將GO和GO-HA分散液稀釋至合適的濃度，超聲分散，分別取10 μL稀釋后的溶液滴在潔凈干燥的硅片和新鮮剝離的云母片上，待干燥后進(jìn)行SEM和AFM觀察。

1.4 UV-Vis吸收光譜表征

取GO水溶液和不同GO/HA質(zhì)量比的GO-HA復(fù)合物分散液，其中GO的濃度均為0.1 mg.mL?1，在200–800 nm波長內(nèi)測定GO及GO-HA復(fù)合物的UV-Vis吸收譜。

1.5 FTIR表征

GO與HA 1:2 (w/w)超聲分散2 h，離心30 min (10 000 rad.min?1)，將沉淀凍干。取凍干后的固體以及GO和HA的固體粉末，分別與光譜純KBr 1:200混勻研磨，壓片機(jī)壓片，在紅外光譜儀上進(jìn)行測定。

1.6 SRCD實驗

SRCD實驗在北京同步輻射裝置(Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF) 4B8真空紫外實驗線站進(jìn)行。線站提供波段125–350 nm 的同步輻射光，樣品處的光通量為1.0×109s?1，光束經(jīng)正入射單色儀到達(dá)樣品池，樣品處光斑為2mm×1 mm。采用德國Hellma公司光程1 mm的石英樣品池，氧化石墨烯濃度為0.5 mg.mL?1，掃描范圍185–350 nm，步長1.0 nm，延遲時間0.1 min，掃描次數(shù)3次，除特殊說明外測量溫度均為25 °C。實驗數(shù)據(jù)使用CDtools軟件處理[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 GO與GO-HA的結(jié)構(gòu)及形貌特征

GO表面及邊緣豐富的親水性含氧官能團(tuán)，使其在水溶液中具有良好的分散性[15]。由于GO片層厚度接近或僅為單原子層，容易受到pH、溫度等化學(xué)環(huán)境的影響而發(fā)生褶皺或折疊[16]。圖1為GO與HA作用前后的形貌表征。圖1(a)和(b)分別為GO和GO-HA的AFM圖及對應(yīng)的高度曲線，可以看出GO片層的厚度為0.6–0.8 nm，而GO-HA厚度為0.9–2.0 nm，比單獨的GO片層高約1.2 nm，表明HA吸附到GO表面。圖1(c)和(d)分別為GO和GO-HA掃描電鏡照片，可以看出，GO在水溶液中容易形成折疊和卷曲等無規(guī)則結(jié)構(gòu)，而當(dāng)HA吸附到GO表面時，GO-HA表面褶皺的數(shù)量、折疊和卷曲的程度降低，主要以大片的平坦的構(gòu)象存在。

2.2 GO與HA的分子間相互作用分析

圖2為GO、HA和GO-HA的紅外光譜。從圖2中可以看出，GO和HA含有較強(qiáng)的締合羥基的伸縮振動峰(約3 400 cm?1)。GO和HA在1 730 cm?1、1 620 cm?1、1 380 cm?1和1 070 cm?1處的特征峰分別對應(yīng)C=O、C=C、C–O的伸縮振動峰，900–600cm?1為芳香環(huán)的特征峰[17]，表明GO和HA均含有豐富的C=O、C=C、C–O等官能團(tuán)。HA紅外譜圖中各峰強(qiáng)度較高，表明HA的羧基、羰基等含量較高。與GO相比，GO-HA紅外譜中1 620 cm?1左右的C=C伸縮振動峰向高波數(shù)移動且強(qiáng)度增大，700 cm?1附近的芳香環(huán)的特征峰消失，表明GO與HA苯環(huán)有π-π相互作用。而GO-HA紅外光譜中在1 380 cm?1和1 070 cm?1處的C–O伸縮振動峰向高波數(shù)移動，羧基伸縮振動峰減弱，–OH伸縮振動峰增強(qiáng)，表明GO與HA有極性相互作用。

圖1 GO (a)和GO-HA (b) AFM照片及高度曲線，GO (c)和GO-HA (d) SEM照片F(xiàn)ig.1 AFM images and height curve of GO (a) and GO-HA (b), typical SEM images of GO (c) and GO-HA (d).

圖2 GO、HA、GO-HA的紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of GO, HA and GO-HA.

2.3 GO/HA質(zhì)量比、環(huán)境pH和溫度對GO-HA相互作用的影響

GO的UV-Vis光譜(圖3(a))中表現(xiàn)出了兩個特征吸收峰，228 nm處的強(qiáng)吸收峰對應(yīng)C=C鍵的π-π*躍遷，300 nm 附近的肩峰對應(yīng)于C=O鍵的n→π*躍遷[18]。HA在200 nm附近有強(qiáng)的UV-Vis吸收(圖 3(a))。GO與HA作用后，228 nm處UV-Vis吸收增強(qiáng)，且隨著HA作用配比的增加，吸光度增大，表明HA與GO發(fā)生強(qiáng)π-π相互作用。

手性是自然界的本質(zhì)屬性之一，手性分子或非手性分子通過非共價鍵作用自組裝排列成非對稱結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生手性[19]。從分子手性到超分子手性，再到納米手性和宏觀體系手性的研究在生命科學(xué)、制藥、材料科學(xué)和催化領(lǐng)域中扮演重要的作用[20]。圖3(b)中GO在240 nm左右出現(xiàn)一個較寬的CD信號峰，表明GO在水溶液中具有手性。GO片層和邊緣上存在大量的懸鍵，使得它處于動力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，這些懸鍵可與鄰近的碳原子結(jié)合，產(chǎn)生褶皺等微結(jié)構(gòu)，這些褶皺的形成使GO片層的厚度達(dá)到0.8 nm，促使其穩(wěn)定存在。此外，在水環(huán)境中，由于受到非共價鍵作用力，包括氫鍵、范德華力、靜電、疏水和π-π堆疊等作用力的影響，GO在水溶液中能夠形成折疊、卷曲等結(jié)構(gòu)[21]。已有研究表明，GO片層表面含氧官能團(tuán)（包括羥基、羧基、環(huán)氧基等）的分布模式、GO片層的卷曲和折疊是GO呈現(xiàn)手性的重要因素[12]。此外，由于GO的兩親性以及較大的寬厚比，使其在水溶液中會通過范德華作用力、靜電斥力等自組裝成有序的層狀結(jié)構(gòu)[13,22]，當(dāng)層狀結(jié)構(gòu)中石墨烯片層之間出現(xiàn)連續(xù)的螺旋位錯時可形成手性液晶結(jié)構(gòu)[13]，這也是氧化石墨烯手性的來源之一。

水環(huán)境中天然有機(jī)質(zhì)(HA)、pH和溫度均會影響GO在水溶液中化學(xué)形態(tài)，改變其旋光特性。從圖3(b)可以看出，GO與HA作用后，GO-HA的CD信號明顯減弱，這可能是由于吸附在GO表面的HA，使GO的親水性增強(qiáng)，在水溶液中具有更好的分散性，不易形成褶皺、折疊和卷曲的構(gòu)象，從而降低CD信號。從圖3(c)中可以看出隨著水溶液的pH升高，GO-HA的CD信號逐漸升高，這是由于pH升高會使GO上羧基等含氧基團(tuán)的去質(zhì)子化程度增強(qiáng)，負(fù)電荷增多，靜電斥力使帶電荷的區(qū)域盡可能分離，而未帶電荷區(qū)域則因范德華力相互靠近，有利于形成親水基團(tuán)在外部，而疏水部分被包裹在內(nèi)部的折疊結(jié)構(gòu)[16]，從而使CD信號升高。

研究表明GO的折疊和卷曲等結(jié)構(gòu)對溫度非常敏感[23]。圖3(d)可見，與室溫條件(25 °C)下相比，GO-HA在4 °C條件下SRCD信號明顯增強(qiáng)。溫度降低時，GO-HA分子熱運動減弱，GO-HA分子內(nèi)和分子間氫鍵及范德華作用力增強(qiáng)，有利于卷曲和折疊的結(jié)構(gòu)的形成[16,24]，使手性結(jié)構(gòu)的含量升高，CD信號增強(qiáng)。

圖3 GO及不同質(zhì)量配比GO-HA的UV-Vis吸收譜（插圖為HA的UV-Vis吸收譜）(a)和25 °C 時的SRCD譜(b)，GO-HA在25 °C不同pH水溶液中(c)和pH約為5時4 °C、25 °C下的SRCD譜(d)Fig.3 UV-Vis spectra (a) and SRCD spectra at 25 °C (b) of GO and GO-HA complex with different mass ratio of HA to GO (w/w), the inset of (a) is the UV-Vis spectra of HA. SRCD spectra of GO-HA in different pH at 25 °C (c) and in different temperatures at pH about 5 (d).

3 結(jié)語

本文利用SRCD、掃描電鏡、原子力顯微鏡及紅外和紫外光譜技術(shù)，研究了不同配比、pH、溫度條件下GO與HA之間的相互作用對其在水溶液中手性結(jié)構(gòu)的影響。研究表明GO在水體系中的結(jié)構(gòu)與腐殖酸的質(zhì)量比、pH和溫度相關(guān)。(1) HA主要以極性作用和π-π作用吸附在氧化石墨烯片層上，當(dāng)GO:HA質(zhì)量比小于1:2時，氧化石墨烯片層具有較好的分散性，同時，HA的吸附使片層厚度增加，不易形成折疊和卷曲等手性構(gòu)象，使CD信號下降；(2) 溶液pH值升高使GO-HA上氧化基團(tuán)的去質(zhì)子化程度升高，折疊和卷曲程度增大，分子不對稱性增加；(3) 溫度降低，GO-HA分子內(nèi)和分子間氫鍵及范德華作用力增強(qiáng)，有利于GO-HA形成折疊和卷曲結(jié)構(gòu)，CD信號增強(qiáng)。

致謝 感謝中國科學(xué)院高能物理研究所北京同步輻射裝置(BSRF)4B8真空紫外實驗站提供用光機(jī)時。

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CLC O641.3, TL99

Study of the interaction between graphene oxide and humic acid by synchrotron radiation circular dichroism spectroscopy

ZHOU Xiaoyan1WANG Bing1CHEN Hanqing1WANG Hailong1TAO Ye2OUYANG Hong1FENG Weiyue1

1(Key Laboratory for Biomedical Effects of Nanomaterials and Nanosafety and Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
2(Beijing Synchrotron Radiation Facility, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Graphene Oxide (GO) is a type of two-dimension carbon nanomaterial with promising environmental application due to its good solubility in water, high absorbability and catalytic activity. Humic Acid (HA) is the main component of Natural Organic Matter (NOM) in water, which could be adsorbed on the surface of GO nanosheets via π-π interaction and then affect the physicochemical properties of GO in aqueous system. Purpose: Investigating the interaction between GO and HA will provide some insights for environmental application of GO. Methods: We employed Synchrotron Radiation Circular Dichroism spectroscopy (SRCD), Ultraviolet-Visible spectroscopy (UV-Vis) and Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR) to explore the interaction between GO and HA under different mass ratio of HA to GO, environmental pH and temperature. Results & Conclusion: UV-Vis spectroscopy of GO-HA showed that the intensity of the absorption peak at 228 nm gradually increased when the mass ratio of HA to GO increased to 4:1 from 1:4 and the FTIR C-O stretching vibration shifted and decreased, indicating the strong π-π interaction and hydrogen bonding between GO and HA. GO showed a broad peak at about 240 nm in SRCD spectra which origin from its surface O-containing functional groups, folding or curl of the nanosheets. SRCD indicated the interaction between GO and HA could change the dispersion behavior of GO and then affect CD activity of GO-HA, depending on the mass ratio of HA to GO, environmental pH and temperature. GO-HA showed higher CD activity with the increased pH and decreased temperature (4 °C) due to the increase of folding state.

Graphene Oxide (GO), Humic Acid (HA), Interaction, Synchrotron Radiation Circular Dichroism spectroscopy (SRCD)

O641.3，TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.030101

石墨烯作為碳納米材料界的新星近年來廣受關(guān)注。它是一種由sp2雜化的碳原子構(gòu)成的二維平面結(jié)構(gòu)材料，每個碳原子有3個σ電子和一個離域的π電子，多個碳原子以六元環(huán)結(jié)合成平面，離域的π電子形成一個大的π共軛體[1]。石墨烯的比表面積很大，理論比表面積達(dá)2 630 m2.g?1，容易吸附環(huán)境中的有機(jī)污染物及重金屬離子等[2]。氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)是石墨經(jīng)化學(xué)氧化及剝離后的產(chǎn)物，內(nèi)部具有六元碳環(huán)組成的“石墨烯島”，但在表面和邊緣存在大量羥基、環(huán)氧基、羰基、羧基等含氧基團(tuán)[3–4]。GO水溶性好，易于改性，具有氧化還原和酸堿催化等性質(zhì)，已經(jīng)在水環(huán)境治理中展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景。研究發(fā)現(xiàn)，GO可以吸附去除水中的重金屬離子、砷、有機(jī)染料、類雌激素和抗生素等環(huán)境污染物，是一種非常有前景的水環(huán)境污染物吸附劑[5–7]。腐殖酸(Humic Acid, HA)是環(huán)境有機(jī)質(zhì)的主要組分，對環(huán)境中有機(jī)物及金屬離子的遷移、轉(zhuǎn)化都起著非常重要的作用[8]。GO可以與水體中的HA通過極性相互作用、π-π作用形成復(fù)合物，并影響自身性質(zhì)[9]。因此，研究GO與水體系中HA復(fù)合物的形成及性質(zhì)將對GO在環(huán)境中的應(yīng)用提供重要的實驗依據(jù)。

同步輻射圓二色譜(Synchrotron Radiation Circular Dichroism spectroscopy, SRCD)是研究手性分子構(gòu)象和手性結(jié)構(gòu)的快速、簡單、準(zhǔn)確的分析方法，可以用于研究分子構(gòu)型和分子間相互作用[10]。利用SRCD分析技術(shù)有助于理解水環(huán)境中HA對GO構(gòu)象的影響以及二者之間相互作用的機(jī)制。GO片層中含有多個不同含氧官能團(tuán)，同時GO容易發(fā)生折疊或卷曲，使之形成非對稱的手性結(jié)構(gòu)，這些手性結(jié)構(gòu)使其表面的sp2C=C鍵的π-π*躍遷受到影響，從而顯示出圓二色信號[11]。研究表明GO的圓二色譜(Circular Dichroism spectroscopy, CD)信號與其本身的氧化程度有關(guān)，一般來說，氧化程度越高，手性結(jié)構(gòu)越多，CD信號越強(qiáng)[12]；鹽濃度升高，CD信號減弱[12–13]。因此SRCD還可以提供GO分子所處的化學(xué)環(huán)境變化的信息，包括石墨烯片層表面的功能化基團(tuán)、石墨烯的卷曲、折疊和自組裝排列等。本文應(yīng)用SRCD技術(shù)結(jié)合掃描電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscopy, SEM)、原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)、紫外可見吸收光譜(Ultraviolet-Visible spectroscopy, UV-Vis)和傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform Infraredspectroscopy, FTIR)，研究了GO與HA的相互作用及影響它們相互作用的環(huán)境條件。

科技部國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(No.2011CB933403)、國家自然科學(xué)基金(No.11275214、No.11375211)資助

周曉艷，女，1987年出生，2009年畢業(yè)于山東大學(xué)，現(xiàn)為博士研究生，無機(jī)化學(xué)專業(yè)，主要從事碳納米材料性質(zhì)及應(yīng)用研究工作

汪冰，Email: wangbing@ihep.ac.cn

2014-12-22，

2015-01-19