氧化石墨烯-聚環(huán)糊精雜化材料的酶響應(yīng)性質(zhì)研究

胡 平，張陳鴻

(1.韓山師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 潮州 521041；2.廣東途安裝備服務(wù)有限公司，廣東 惠州 516223)

具有酶響應(yīng)的超分子材料是超分子化學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)，其中基于環(huán)糊精的超分子材料是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。環(huán)糊精是由葡萄糖單元構(gòu)筑而成的環(huán)狀多糖，具有糖苷鍵等多個(gè)酶響應(yīng)位點(diǎn)，因此具有一定的酶響應(yīng)性能。將其他功能材料與環(huán)糊精超分子材料進(jìn)行組裝，從而獲得新功能材料的策略得到了廣泛的應(yīng)用[1-7]。筆者擬用氧化石墨烯與環(huán)糊精聚合物進(jìn)行組合，從而獲得具有酶響應(yīng)性能的超分子雜化材料，有望應(yīng)用于多種場(chǎng)合的微污染物的處理。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料： β-CD(96%，阿拉丁)、氧化石墨烯溶液(2 mg/mL，蘇州碳豐)、環(huán)氧氯丙烷(AR，阿拉丁)、氫氧化鈉(AR)。纖維素酶(10 kU/g，阿拉丁)、糖化酶(100 kU/mL，阿拉丁)、木瓜蛋白酶(2 000 U/mg，阿拉丁)、淀粉酶(阿拉丁)。

1.2 制備方法

1.2.1 β-CD重結(jié)晶

取適量β-CD 放入燒杯中，加入蒸餾水于磁力攪拌器上加熱、攪拌。待β-CD溶于水中后快速用熱過(guò)濾漏斗過(guò)濾，將濾液冷卻后，放入冰箱中過(guò)夜，再取出β-CD放入烘干箱烘干即得到白色晶體。

1.2.2 氧化石墨烯-聚環(huán)糊精凝膠的制備

稱取14.0 g NaOH于干凈250 mL的燒杯中，加入25.0 mL的蒸餾水與20.0 mL氧化石墨烯溶液(2 mg/mL)，充分?jǐn)嚢枋蛊渫耆芙?。再將稱量22.0 g β-CD小心溶解于5 mL 30% NaOH溶液中，加入前述石墨烯溶液中，攪拌溶解完全，將所得到的溶液轉(zhuǎn)移到三頸燒瓶中，在60℃硅油浴的條件下反應(yīng)1 h。后滴加總體積25.0 mL的環(huán)氧氯丙烷。約70 min后，混合溶液變成凝膠狀，將產(chǎn)品轉(zhuǎn)移至乙醇中靜置過(guò)夜。后水洗至中性，真空干燥、研磨，得產(chǎn)品21.2 g，即氧化石墨烯-聚β環(huán)糊精(GO-PCD)。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 比表面積的測(cè)定

1.3.1.1 亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)定。用分析天平稱取0.0250 g次甲基藍(lán)粉末，將其配制成250 mL溶液，即100 mg/L的次甲基藍(lán)溶液，用移液槍依次移取0.2 mL、0.4 mL、0.6 mL、0.8 mL、1.0 mL、1.2 mL次甲基藍(lán)溶液配制成50 mL的次甲基藍(lán)溶液，測(cè)出吸光度值，并算出對(duì)應(yīng)的次甲基藍(lán)溶液的濃度，填入表格中，繪制次甲基藍(lán)溶液吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.1.2 材料比表面積的測(cè)定。 準(zhǔn)確稱量氧化石墨烯-聚環(huán)糊精粉末分別放入10 mL小試管中，量取6 mL蒸餾水分別置入小試管，震蕩，使得粉末充分溶解，將小試管放于暗處?kù)o置10 min，此時(shí)，能觀察到小試管中的溶液明顯分層，倒掉上層清液后將小試管放入離心機(jī)中離心2 min，再倒掉上層清液，即得到石墨烯-聚環(huán)糊精水凝膠。將水凝膠移入碘量瓶，再倒入50 mL提前配制好的溶度為0.01 g/L的次甲基藍(lán)溶液，蓋緊瓶塞，置入震蕩機(jī)中，調(diào)整振蕩頻率，使石墨烯-聚環(huán)糊精平穩(wěn)而又充分的吸收次甲基藍(lán)。每隔15 min吸取4 mL上層清液于離心管中，加速離心兩分鐘后吸取2 mL上層清液置入清潔干凈的石英皿中，將紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的波長(zhǎng)旋至664 nm，空白對(duì)照為蒸餾水，測(cè)取上層清液的吸光度，對(duì)MB的去除率和吸附量公式：

η = (Co-Ct)/Co×100%

(1)

Q = (Co-Ct) × V/m

(2)

式中：Co為 MB 溶液的初始濃度，mg/L；Ct為吸附平衡后上清液中MB的濃度，mg/L；環(huán)糊精對(duì)MB的吸附量，mg/g；V 是試驗(yàn)所取 MB 溶液體積，mL；m為環(huán)糊精的投加質(zhì)量，g；η為去除率，Q為吸附量。

1.3.2 表面形貌測(cè)定

稱取制得的GO-PCD 0.5004 g，加適量水浸泡過(guò)夜，使其溶脹。然后用光學(xué)顯微鏡觀察其形貌。

1.3.3 紅外光譜

用傅里葉變換紅外光譜儀，以KBr作為載體，測(cè)GO-PCD的紅外光譜圖。

1.3.4 酶響應(yīng)性質(zhì)研究

GO-PCD 材料的酶響應(yīng)性質(zhì)主要采用重量分析法來(lái)確定。在實(shí)驗(yàn)中我們選取了纖維素酶、糖化酶、木瓜蛋白酶來(lái)研究對(duì)材料的降解作用。測(cè)試液總體積為1 mL，置于精確稱重的玻璃瓶中。溶劑為蒸餾水，其中含有5.0 mg的GO-PCD、100 U/mL的酶。將上述溶液室溫下反應(yīng)24 h，利用4 000 rpm 離心分離出固體，將固體水洗、真空干燥后稱重，減去瓶自重后即得瓶中剩余GO-PCD 的質(zhì)量。作為對(duì)照，我們也研究了GO-PCD在純水中的穩(wěn)定性，測(cè)試流程與上述實(shí)驗(yàn)相同。相對(duì)剩余質(zhì)量 =(初始質(zhì)量-降解后剩余質(zhì)量)/(初始質(zhì)量)×100% 。

2 結(jié)果與討論

2.1 比表面積的測(cè)定結(jié)果

次甲基藍(lán)主要有3種吸附取向，分別為平面吸附，側(cè)面吸附與端基吸附。吸附前溶液的A664=0.870，吸附后溶液的A664=0.377，將數(shù)值代入上述公式，再考慮石墨烯-聚環(huán)糊精吸附次甲基藍(lán)的方式三種吸附取向均有可能，投影面積分別為135 nm2、0.75 nm2和0.395 nm2，通過(guò)公式算得GO-PCD的比表面積為0.34 m2/g～1.18 m2/g，與文獻(xiàn)報(bào)道數(shù)值相符[8]。

2.2 表面形貌的觀察

如圖1(b)所示，GO-PCD 凝膠為在光學(xué)顯微鏡下為表面不規(guī)則的塊狀透明固體，沒(méi)有觀察到大塊的石墨烯聚集的現(xiàn)象，證明氧化石墨烯較好地分散在凝膠當(dāng)中。

圖1 (a)次甲基藍(lán)溶液吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線圖(R2=0.9995)；(b)GO-PCD光學(xué)顯微鏡下的形貌

圖2 GO-PCD 紅外吸收光譜

2.3 紅外光譜的測(cè)定

用紅外吸收光譜法測(cè)出并繪制氧化石墨烯-聚環(huán)糊精雜化材料(GO-PCD)、可以顯著的羰基伸縮振動(dòng)峰約1655 cm-1、環(huán)氧基伸縮振動(dòng)峰約1 253 cm-1烷氧基伸縮振動(dòng)：約1 037 cm-1。結(jié)合雜化體系的顏色，可以推斷氧化石墨烯可以被組合進(jìn)環(huán)糊精聚合物的骨架中。

2.4 酶響應(yīng)性質(zhì)的測(cè)定

從GO-PCD，在純水環(huán)境中材料基本不降解。如圖3 所示，當(dāng)體系中分別存在纖維素酶、糖化酶、木瓜蛋白酶和淀粉酶時(shí)，GO-PCD 均有一定程度的降解，質(zhì)量損失在20%～36%之間。其中淀粉酶GO-PCD 有顯著的水解作用，但由于其標(biāo)稱活性未知，故不與其他3種酶比較。從結(jié)果上講，在纖維素酶、糖化酶、木瓜蛋白酶3種酶當(dāng)中木瓜淀粉酶對(duì)材料有著最佳的降解能力。從機(jī)理上推斷，由于這3種酶對(duì)糖苷鍵均有一定程度 的水解作用，因此我們推斷GO-PCD上的糖苷鍵是酶的主要作用位點(diǎn)。

圖3 GO-PCD 分別經(jīng)純水、纖維素酶、糖化酶、木瓜蛋白酶、淀粉酶處理后的相對(duì)剩余質(zhì)量(%)

3 結(jié)論

我們所合成的GO-PCD 水凝膠比表面積為0.34 m2/g～1.18 m2/g，對(duì)亞甲基藍(lán)具有一定的吸附能力。GO-PCD 在純水中較為穩(wěn)定，而在天然酶(纖維素酶、糖化酶、木瓜蛋白酶和淀粉酶)存在的條件下能發(fā)生降解，因此GO-PCD具有較廣泛的酶促降解能力，由于這些酶都是生物體內(nèi)的常見(jiàn)酶，故該材料具有較好的生物可降解能力。該材料可在環(huán)境污染物處理等方面具有一定的研究及應(yīng)用價(jià)值。