氧化石墨烯功能化分離材料的制備及其應用

李倩 趙宇新 李海洋

摘? 要：石墨烯骨架的大型p電子離域系統(tǒng)對包含芳香環(huán)的物種（例如蛋白質(zhì)）具有很強的親和力，其表面上豐富的活性位點提供了通過功能修飾來調(diào)節(jié)對特定蛋白質(zhì)的吸附趨勢的機會。本文概述了當前對基于石墨烯/氧化石墨烯的材料的研究，及其在分離分析和相關領域方面的應用，以期為進一步的探索提供依據(jù)。我們希望這篇綜述將提高人們對G/GO及其衍生物等的性能的認識，并促進該領域研究的新應用的發(fā)展。

關鍵詞：氧化石墨烯? 小分子? 分離

氧化石墨烯（GO）是最常見的官能化的基于石墨烯的材料之一。與G相比，GO是一類一原子厚的二維碳納米材料，它保留了G的二維結構，原子尺度和晶格形式等物理性質(zhì)。GO 是由石墨的化學剝落制備的單層納米片。由于石墨上存在環(huán)氧，羥基和羧基，GO 具有很強的親水性和水溶性，并且可以形成穩(wěn)定的交替懸浮液。

超高表面積（2620m2g-1）GO的富電子雙面聚芳族支架賦予其GO和π-π靜電堆疊特性，為待測物提供了較多的結合位點。并且由于其具有大的表面積和優(yōu)異的理化特性，GO已被廣泛用作固相吸附劑，用于微萃取和預濃縮芳族化合物如多環(huán)芳烴（PAH）和福祿信B。GO@SiO2吸附劑為從小污染物到蛋白質(zhì)和多肽等生物分子的各種分析物提供強大的吸附能力和高效率。通過化學官能化可以進一步提高GO基材料的吸附能力和高效率。因此GO在廢水處理[1]，消除污染物[2]，環(huán)境監(jiān)測與保護[3]中的應用已被證明。

除此之外，氧化石墨烯作為一種具有潛力的碳納米材料，因其優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和出色的熱穩(wěn)定性，引起了分離科學領域的極大興趣和探索愿望。

1? 用于水樣分析中的3DG/GO材料

三維（3D）多孔石墨烯結構擁有高度多孔的結構和石墨烯骨架的功能。與2D石墨烯材料相比，可以完全利用 3D 石墨烯架構中的G片材表面，從而為3D石墨烯架構提供了出色的吸附能力。

石墨烯氣凝膠（GA）是一種典型的三維（3D）宏觀組件，其大孔結構可以將石墨烯片（GS）轉變?yōu)?D互連框架。作為一種新型的功能材料，3D石墨烯結構不但能夠提供層狀石墨烯材料固有的優(yōu)異性能，而且還具有有趣的3D大孔結構特征，以及大且可調(diào)節(jié)的孔體積，高的比表面積，快速的質(zhì)量和電子傳輸動力學，從而實現(xiàn)了在能量存儲和轉換中令人興奮的應用，催化，生化傳感器。

具有高孔隙率的GA基整料具有高有效表面積而提高了吸收能力，并且無需輔助磁法或離心技術即可輕松從溶液中分離出來，從而使其易于回收利用。同時3D石墨烯-氧化鐵納米粒子氣凝膠復合材料由于自身的3D結構中的高體積比和獨特的孔網(wǎng)絡，也具有出色的吸收能力，能夠除去污水中的As。另外，通過GO復合氣凝膠研究了氣體吸附性能。發(fā)現(xiàn)H2S的吸附能力很高，兩種功能性GO氣凝膠分別為63.5和 46.7mmol/g，高于活性炭。GO氣凝膠在環(huán)境大氣和室溫下對SO2和HI的還原性氣體也具有高吸附能力?；谝陨详愂?，具有均勻孔徑和高有效表面積的GA基整料可以實現(xiàn)較低的傳質(zhì)阻力，并最終實現(xiàn)更高的吸收能力和有效的洗脫。

2? GO用于色譜固定相

由于碳基材料對大多數(shù)物質(zhì)具有高的吸附能力，因此長期以來一直被廣泛的應用于色譜分離的固定相。而由于 G和GO大的表面積，因而被認為在新型色譜固定相中具有良好的前景。由于納米級GO粒徑很小，將其裝填到小柱/柱格式中相對困難，并且在色譜系統(tǒng)中高壓下制備均勻的分離基質(zhì)也十分困難。G和GO都不能直接用作色譜的填充材料。因此，在實踐中通常采用制造G/GO結合整體柱的策略。盡管GO通過物理吸附固定在整體結構中，但GO整體結構柱仍可實現(xiàn)苯基同系物和苯胺的基線分離。

3? 磁性G/GO材料在蛋白質(zhì)分離中的應用

G/GO在水性介質(zhì)中溶解性以及其良好的的生物相容性和可控制的表面特性使基于G/GO的材料對蛋白質(zhì)進行測定，尤其是在蛋白質(zhì)傳感和吸附方面。石墨烯結構的大型離域p電子體系為G/GO提供了對蛋白質(zhì)分子的強大親和力，使其自身成為強大的蛋白質(zhì)吸附劑。在G片表面改性的容易性為分離分析不同種蛋白質(zhì)分子也提供了一種高效的方法。

在諸多試驗研究中，預先富集肽段或蛋白質(zhì)是 MALDI-TOF MS分析的前提，但是由于樣品分離的困難，使得許多肽段和蛋白質(zhì)并不能得到良好的富集。它們的 MS信號通常會被其他物質(zhì)抑制，基于Fe3O4的磁性G材料對富集低豐度肽/蛋白質(zhì)具有易于操作和高富集效率效果。

G-磁性納米顆粒復合材料通常是通過在G/GO表面裝飾磁性納米顆粒來制備的。因此G/GO的大量吸附位點將被磁性納米顆粒所占據(jù)，使得靶分子蛋白的附著位點大大降低。同時由于磁性顆粒的暴露，使得基于G-磁性納米顆粒復合材料并不穩(wěn)定。在這方面，具有核殼結構的磁性復合材料為上述問題提供了令人滿意的答案。目前已經(jīng)通過實驗證明所獲得的Fe3O4@SiO2@G對于從高鹽和復雜樣品中富集蛋白質(zhì)非常有效。

4? 展望

綜上表明，GO由于具有超高的比面積和優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性被廣泛應用于各個行業(yè)及領域，雖然研究人員已經(jīng)基于G/GO研究出了多種分離小分子物質(zhì)的材料，但是，到目前為止，關于石墨烯家族作為HPLC固定相，尤其是分析小分子的整體柱的制備報道較少。相對而言較多的研究集中在了毛細管整體柱中，但是這種方法無論是從進樣量還是重現(xiàn)性上都對分離和分析具有一定的限制。因此我們?nèi)孕柙诖朔矫孢M行探索與研究，根據(jù)前人的經(jīng)驗，進一步的使G/GO的優(yōu)點與特性發(fā)揮完全。

參考文獻

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