溫曉南 張 靜 顧文秀 金赫華 李紅波 李清文,*

(1江南大學化學與材料工程學院,江蘇無錫 214122; 2中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所,江蘇蘇州 215125)

NaCl對瓊脂糖凝膠電泳法分離單壁碳納米管的影響

溫曉南1,2張 靜1,2顧文秀1,*金赫華2李紅波2李清文2,*

(1江南大學化學與材料工程學院,江蘇無錫 214122;2中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所,江蘇蘇州 215125)

如何獲得單一導電屬性的單壁碳納米管(SWCNT),使其在各領域得到更廣泛的應用,引起了科研人員越來越多的關注.瓊脂糖凝膠電泳(AGE)法以其簡便,低成本,可規(guī)?；葍?yōu)點在分離金屬型(m-)和半導體型(s-)單壁碳納米管的諸多分離方法中體現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢.本文利用紫外-可見-近紅外(UV-Vis-NIR)吸收光譜分析手段,系統(tǒng)研究了NaCl的添加對AGE法分離SWCNT的影響.研究發(fā)現(xiàn)NaCl的添加對SWCNT的分離有一定的影響:當NaCl添加量低于70 mmol·L-1時,可以提高分離后體系中s-SWCNT的相對含量;當NaCl添加量高于70 mmol·L-1時,隨著添加量的增加,NaCl的加入開始抑制m-SWCNT和s-SWCNT的有效分離;當NaCl添加量達到160 mmol·L-1時體系分離效率明顯降低.我們推測這種影響主要是由鹽的添加改變了分散劑在m-SWCNT和s-SWCNT表面的吸附結構引起的.

單壁碳納米管; 瓊脂糖凝膠電泳; 紫外-可見-近紅外吸收光譜; 分離;NaCl

1993年,NEC基礎研究所的Iijima[1]與IBM公司的 Bethune[2]等人同時報道發(fā)現(xiàn)了單壁碳納米管(SWCNT),使得碳納米管的研究取得新突破. SWCNT以其獨特的結構,特殊的電學性質和超強的力學性能,在光電子器件[3],復合材料[4],儲氫材料[5],化學和生物傳感器[6-7]等方面顯示出良好的應用前景.然而,現(xiàn)有的制備方法生產出的SWCNT均為各種手性和管徑的金屬型(m-)和半導體型(s-)碳納米管的混合物,這極大地限制了SWCNT在光電器件等領域的應用.因此,近幾年來,m-和s-SWCNT的分離已成為此領域的研究熱點之一.科研人員利用等離子體化學氣相沉積法[8],電泳法[9],超高速離心法[10-13]等多種手段實現(xiàn)了m-SWCNT和s-SWCNT的分離.

瓊脂糖凝膠電泳(AGE)技術廣泛用于生物中DNA[14]的分離,由于由離子型表面活性劑分散的SWCNT與DNA在尺寸、結構性質等方面有許多相似之處,Tanaka研究組[15]創(chuàng)造性地將其用于 m-SWCNT和s-SWCNT的有效分離.此法簡便快速,成本低,在可規(guī)?；?、可連續(xù)性分離方面具有一定的優(yōu)勢.他們的研究結果表明,AGE技術對SWCNT的分離非常依賴于分散劑的種類以及凝膠體系的選擇.其中由十二烷基硫酸鈉(SDS)分散的SWCNT表現(xiàn)出最好的分離結果.他們推測由SDS分散的s-和m-SWCNT與瓊脂糖凝膠間的作用力存在很大差異:s-SWCNT表面吸附了較少的SDS分子從而與瓊脂糖之間具有較大的親和力,而m-SWCNT吸附的SDS分子相對較多,與瓊脂糖的作用力相對較弱.因而在電場力作用下,表面帶有大量負電荷的m-SWCNT很容易擺脫瓊脂糖凝膠的束縛而發(fā)生遷移,s-SWCNT則與瓊脂糖牢固結合不易移動,從而實現(xiàn)m-和s-SWCNT的分離.

但是AGE法分離m-和s-SWCNT也存在分離純度不高以及難以手性分離等缺點.如上所述,可以看出表面活性劑在SWCNT表面上的吸附性質對AGE分離m-和s-SWCNT具有很重要的作用.因此,我們推測通過調制SDS在SWCNT表面上吸附性質可以提高AGE法分離SWCNT的分離純度.以往的研究顯示:無機鹽類對表面活性劑溶液的體系相態(tài)、表面張力及流變等性質有著很重要的影響,比如調節(jié)無機鹽的濃度會影響膠束的形成過程及膠束形態(tài),從而改變溶液體系的臨界膠束濃度(cmc)[16-17].因此,通過UV-Vis-NIR光譜表征,我們重點考察了常見無機鹽類NaCl的添加對AGE法分離m-和s-SWCNT的影響.此項研究對提高此法的分離效率以及探索其分離機制具有積極意義.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

純化后的Hipco單壁碳納米管(美國Carbon Nanotechnologies公司);十二烷基硫酸鈉(SDS,純度≥99%,美國Sigma-Aldrich公司);NaCl(含量≥99.5%),三(羥甲基)氨基甲烷(Tris,含量≥99.0%)及硼酸(H3BO3,含量≥99.5%),均為國藥集團化學試劑有限公司產品;瓊脂糖(Agarose粉末,日本Nacalai公司);所有溶液均用二次去離子水配制.

超聲波細胞破碎儀(XL-2000,美國Misonix公司),凝膠電泳設備(AE-6540,日本Atto公司),多功能臺式高速離心機(Allegra X-22R,美國BECKMAN COULTER有限公司),紫外-可見-近紅外分光光度計(Lambda 950,美國PerkinElmer公司).Zeta電位分析儀(ZetaPALS/90plus,美國Brookhaven儀器公司)

1.2 實驗過程

1.2.1 SWCNT分散液的制備

準確稱取1.2 mg SWCNT置于玻璃瓶中,加入質量分數(shù)(w)為1%SDS水溶液4 mL配成0.3 mg· mL-1SWCNT溶液,超聲功率40 W條件下超聲2 h后,在14757 r·min-1轉速下離心4 h,吸取離心上層清液作為SWCNT分離前的分散原液待用.

1.2.2 瓊脂糖凝膠電泳前期準備

在室溫下用50 mmol·L-1的三(羥甲基)氨基甲烷和48.5 mmol·L-1硼酸配制成×10 TB緩沖溶液,然后用×1 TB緩沖液,質量分數(shù)0.2%SDS水溶液和0.4%瓊脂糖混合加熱融化配制成瓊脂糖溶液,注入電泳玻璃管經冷卻固化后作為電泳分離柱.

1.2.3 瓊脂糖凝膠電泳

吸取SWCNT分散原液300 μL,添加已配制的2 mol·L-1NaCl溶液使各樣品中NaCl濃度分別為0,40、70、100、130和160 mmol·L-1.搖晃樣品,靜置1 h.將各樣品與加熱融化的質量分數(shù)為0.8%瓊脂糖水溶液等體積混合,在熱熔狀態(tài)下快速注入到玻璃管作為樣品柱.靜置30 min,待樣品重新結成凝膠狀后,取出樣品置于電泳分離柱上方,與電泳分離柱中0.4%的瓊脂糖(已凝固)對接,在電泳槽上安裝并添加電泳液(×1 TB緩沖溶液中加入質量分數(shù)0.2%的SDS),在恒定50 V電壓條件下電泳40 min.

1.2.4 吸收光譜測定

吸取SDS-SWCNT分散原液,NaCl-SWCNTSDS電泳前原液和電泳后上、下層凝膠各100 μL,用900 μL質量分數(shù)1%的SDS水溶液稀釋,加熱融化凝膠制成測試樣品.以1%SDS溶液為空白樣品,測量波長400-1300 nm范圍內的吸收光譜.

1.2.5 Zeta電位測定

預熱zeta電位儀15 min,取SDS-SWCNT分散原液,各NaCl添加濃度下的分離前原液各2 mL放入樣品池,浸沒電極,即可測得zeta電位值.

2 結果與討論

2.1 瓊脂糖凝膠電泳分離SWCNT

圖1是用于本實驗的瓊脂糖凝膠電泳裝置及電泳分離SWCNT前后的照片.從圖中可以看出,在電場力的作用下,40 min后,一部分SWCNT保留在初始凝膠中,一部分則從初始樣品柱凝膠中向下(正極)移動,最終分成顏色不同的上下兩段凝膠.在下面的研究工作中我們對分離后的上、下層凝膠進行吸收光譜測試(見圖2),確定上層凝膠中富集了s-SWCNT,下層凝膠中富集了m-SWCNT,表明AGE法能夠成功分離SWCNT.

2.2 吸收光譜

吸收光譜常被用于SWCNT的定性以及定量分析[18-19].我們用M和S分別表示m-SWCNT和s-SWCNT的特征吸收帶.對于Hipco SWCNT,其吸收光譜在440-670 nm(在504、556和597 nm處的吸收)的波長范圍是m-SWCNT的第一帶隙電子躍遷光譜帶(M11),670-870 nm(在653、737和810 nm處的吸收)則對應s-SWCNT的第二帶隙電子躍遷譜帶(S22),870-1600 nm則是s-SWCNT的第一帶隙電子躍遷譜帶(S11)[20-21].我們分別測定了SWCNT的原始分散液及其分離后上下層凝膠的吸收光譜,如圖2所示.與分離前原始分散液相比,上層凝膠的M11金屬峰強度略有減弱,S22和S11的半導體峰強度明顯增強;下層凝膠則正好相反,M11金屬峰強度顯著增加,而S22和S11的強度相對減弱.這說明,電泳分離后上層凝膠中的s-SWCNT所占比例明顯增加,而下層凝膠中m-SWCNT的含量也相對提高,由此可以確定m-SWCNT和s-SWCNT實現(xiàn)了一定程度的分離.

通過對M11和S22吸收帶中所含吸收峰的積分面積來估算m-SWCNT和s-SWCNT分離后分別在上、下層凝膠中的相對含量[22].計算過程中對各吸收光譜結果均采用相同的分峰方法,并考慮了可能對結果造成影響的基線選取誤差.這樣由圖2計算得出Hipco原始分散液中m-SWCNT和s-SWCNT的相對含量分別為(19.56±0.21)%和(79.44±0.26)%,經AGE分離后下層凝膠中的m-SWCNT含量提高到約(53.11±0.23)%,上層凝膠中s-SWCNT含量則達到(88.87±0.17)%.UV-Vis-NIR光譜測試結果表明,在電場的作用下,m-SWCNT能夠脫離瓊脂糖束縛而向下(正極)移動,最終實現(xiàn)與s-SWCNT的分離.

2.3 NaCl-SDS-SWCNT體系的瓊脂糖凝膠電泳

我們考察了在SDS質量分數(shù)為1%,NaCl濃度分別為 40、70、100、130和 160 mmol·L-1時的SWCNT凝膠電泳情況.如圖3所示,無論NaCl的添加量是40還是160 mmol·L-1,初始凝膠中的部分SWCNT均能在電場力的作用下向正極遷移,并且不同NaCl添加量下SWCNT的遷移速率存在明顯的差異.隨著NaCl添加量的增加,SWCNT的遷移速率逐漸變慢.在電泳實驗中,帶電顆粒在電場中的遷移速率主要受兩個因素的影響:一是顆粒本身的電荷密度,電荷密度越高,遷移速率越快.二是顆粒的尺寸,尺寸越大,遷移速率越慢.對于瓊脂糖凝膠體系來說,Strano等人[23-24]認為顆粒的移動速度與粒子的帶電量和尺寸效應密切相關.在他們的實驗中由膽酸鈉(sodium cholate)分散的SWCNT,經過不同超聲時間后電泳移動速度是不同的.他們認為不同的碳管長度分布是造成這一現(xiàn)象的主要原因.我們的分離體系是建立在同一超聲時間下的SWCNT分散液,碳管長度效應對遷移速率的影響可以忽略.所以圖3中所表現(xiàn)出的電泳遷移速率的差異可能是由于SWCNT表面吸附的SDS所帶電荷不同引起的.

表1 不同NaCl添加量下的zeta電位值Table 1 Zeta potential values with different additions of NaCl

在膠體科學中,Zeta電勢的大小反映了膠粒的帶電程度.Zeta電勢越高,表明膠粒的帶電量越多.因此,為了證實電泳遷移速度與膠粒帶電量有關,我們對不同NaCl添加量下(0,40,70,100,130,160 mmol·L-1)的SWCNT原始分散液進行了zeta電位測試,結果見表1.

由表1可以看出,當NaCl被引入體系后,其與表面活性劑具有相同的Na+,介質中反離子濃度增大,將壓縮擴散層使其變薄,把更多的Na+擠進滑動面以內,使zeta電位在數(shù)值上變小,顆粒帶電量降低.隨著NaCl添加量的不斷增加,碳納米管表面聚集的SDS分子越來越多,導致碳管表面的SDS膠束的數(shù)量不斷增加,體積不斷增大[25-26],這樣其zeta電位又略有增加.因此,在膠束尺寸增大以及表面電荷降低的雙重作用下,碳管的遷移速率逐漸變慢.

2.4 NaCl-SDS-SWCNT體系的UV-Vis-NIR光譜分析

為了進一步分析NaCl的添加量對SDS-SWCNT體系分離的影響,對電泳分離前后的凝膠樣品進行了UV-Vis-NIR測試分析.圖4(a)和4(b)分別為NaCl添加濃度為40、70、100、130和160 mmol·L-1時上、下層凝膠的吸收光譜圖.從圖中可以看出,與分離前原始分散液相比,上層凝膠在M11吸收帶相應金屬峰強度降低,S22和S11吸收帶的相應半導體峰的強度增加.下層凝膠情況則與之相反.這表明在本實驗所采用的NaCl添加濃度范圍內,可以實現(xiàn)對SWCNT的分離.

對于上層凝膠中的s-SWCNT來說，通過對其吸收光譜中S22和M11積分面積的計算,得到了不同NaCl添加量(0-160 mmol·L-1)下s-SWCNT的相對含量分別為(88.87±0.17)%、(90.74±0.23)%、(92.45± 0.13)%、(88.78±0.22)%、(85.55±0.18)%和(81.44± 0.26)%.我們以s-SWCNT的相對含量為因變量, NaCl的添加濃度為自變量,繪制兩者的關系曲線(見圖5).如圖5所示,NaCl添加量在70 mmol·L-1以前,隨著NaCl的增加,體系中s-SWCNT的含量呈上升趨勢,當添加至70 mmol·L-1時達到最高;繼續(xù)增加NaCl添加量,s-SWCNT的含量開始逐漸下降;當NaCl濃度達到160 mmol·L-1時,分離后s-SWCNT的所占比例下降到81.44%.

Niyogi等[27]在研究基于超高速梯度密度離心法分離SWCNT的工作中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象,在添加一定量的鹽時可以提高碳納米管的分離效率.他們認為:具有高的極化率m-SWCNT表面更容易吸附SDS分子,而s-SWCNT極化率低使其表面吸附SDS分子相對困難,并且鹽的添加在一定程度上擴大了SDS在m-和s-SWCNT上的堆積密度的差異,從而導致了在一定程度上的分離效率的提高.因此,我們推測:在AGE法分離m-和s-SWCNT的體系中SDS在m-和s-SWCNT表面吸附性質的差異是其分離的的關鍵因素.在NaCl的添加量相對較少時,NaCl的加入可能增大m-SWCNT和s-SWCNT表面SDS分子堆積密度的差異,從而促進體系分離.隨著NaCl添加濃度繼續(xù)增大,大量游離的SDS分子繼續(xù)向碳納米管表面聚集,s-SWCNT和m-SWCNT的表面上都吸附了更多的SDS分子,它們之間的堆積密度差異越來越小,分離效率急劇下降.

3 結 論

本文研究了NaCl的添加對AGE法分離SWCNT的影響.研究結果顯示:不同的NaCl添加量會對m-SWCNT的電泳遷移速率產生影響,并使分離后s-SWCNT的相對含量呈現(xiàn)規(guī)律性變化.當NaCl添加量低于70 mmol·L-1時對m-SWCNT和s-SWCNT的分離有一定的促進作用,在70 mmol· L-1時s-SWCNT的分離效率最高;繼續(xù)添加NaCl, s-SWCNT的分離效率則明顯降低.我們猜測這主要是由于NaCl的加入改變了SDS分子在碳管表面的吸附性質及膠束結構,進而影響了碳納米管的分離.本文為實現(xiàn)高效分離SWCNT提供了一定的參考,同時對進一步闡明SWCNT的分離機制有一定的積極意義.

1 Iijima,S.;Ichihashi,T.Nature,1993,363:603

2 Bethune,D.S.;Kiang,C.H.;de Vries,M.S.;Gorman,G.;Savoy, R.;Vazquez,J.;Beyers,R.Nature,1993,363:605

3 Collins,P.G.;Zettl,A.;Bando,H.;Thess,A.;Smalley,R.E. Science,1997,278:100

4 Gao,J.;Itkis,M.E.;Yu,A.;Bekyarova,E.;Zhao,B.;Haddon,R. C.J.Am.Chem.Soc.,2005,127:3847

5 Chen,P.;Wu,X.;Lin,J.;Tan,K.L.Science,1999,285:91

6 Kong,J.;Franklin,N.R.;Zhou,C.W.;Chapline,M.G.;Peng,S.; Cho,K.;Dai,H.J.Science,2000,287:622

7 Li,J.;Liu,Q.Analytical Biochemistry,2005,346:107

8 Ren,Z.F.;Huang,Z.P.;Xu,J.W.;Wang,J.H.Science,1998, 282:1105

9 Ralph,K.;Frank,H.;Hilbert,V.L.Science,2003,301:344

10 Green,A.A.;Hersam,M.C.Nano.Lett.,2008,8:1417

11 Fagan,J.A.;Becker,M.L.;Chun,J.;Hobbie,E.K.Adv.Mater., 2008,20:1609

12 Yanagi,K.;Miyata,Y.;Kataura,H.Appl.Phys.Express.,2008,1: 034003

13 Arnold,M.S.;Stupp,S.I.;Hersam,M.C.Nano.Lett.,2005,5: 713

14 Tanaka,T.;Takahashi,F.;Fukui,T.;Fujiwara,S.;Atomi,H.; Imanaka,T.J.Bacteriol.,2005,187:7038

15 Tanaka,T.;Jin,H.H.;Miyata,Y.;Kataura,H.Appl.Phys.Express, 2008,1:114001

16 Maeda,H.;Muroi,S.;Kakehashi,R.J.Phys.Chem.B,1997,101: 7378

17 Shigeyoshi,M.J.Colloid Interface Sci.,1996,184:527

18 Liu,X.;Pichler,T.;Knupfer,M.;Golden,M.S.;Fink,J.;Kataura, H.;Achiba,Y.Phys.Rev.B,2002,66:45411

19 Jost,O.;Gorbunov,A.A.;Pompe,W.;Pichler,T.;Friedlein,R.; Knupfer,M.;Reibold,M.;Bauer,H.D.;Dunsch,L.;Golden,M.S.; Fink,J.Appl.Phys.Lett.,1999,75:2217

20 Kataura,H.;Kumazawa,Y.;Maniwa,Y.;Umezu,I.;Suzuki,S.; Ohtsuka,Y.;Achiba,Y.Synth.Met.,1999,103:2555

21 O′OConnell,M.J.;Bachilo,S.M.;Huffman,C.B.;Moore,V.C.; Strano,M.S.;Haroz,E.H.;Rialon,K.L.;Boul,P.J.;Noon,W.H.; Kittrell,C.;Ma,J.;Hauge,R.H.;Weisman,R.B.;Smalley,R.E. Science,2002,297:593

22 Miyata,Y.;Yanagi,K.;Maniwa,Y.;Kataura,H.J.Phys.Chem.C, 2008,112:13187

23 Usrey,M.L.;Nair,N.;Agnew,D.E.;Pina,C.F.;Strano,M.S. Langmuir,2007,23:7768

24 Heller,D.A.;Mayrhofer,R.M.;Baik,S.;Grinkova,Y.V.;Usrey, M.L.;Strano,M.S.J.Am.Chem.Soc.,2004,126:14567

25 Shigeyoshi,M.;Tsuyoshi,A.J.Colloid Interface Sci.,1987,115: 199

26 Hayashi,S.;Ikeda,S.J.Phys.Chem.,1980,84:744

27 Niyogi,S.;Densmore,C.G.;Doorn,S.K.J.Am.Chem.Soc., 2009,131:1144

Effects of NaCl on the Separation of Single-Walled Carbon Nanotubes by Agarose Gel Electrophoresis

WEN Xiao-Nan1,2ZHANG Jing1,2GU Wen-Xiu1,*JIN He-Hua2LI Hong-Bo2LI Qing-Wen2,*
(1School of Chemical&Material Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,Jiangsu Province,P.R.China;2Suzhou Institute of Nano-tech and Nano-bionics,Chinese Academy of Sciences,Suzhou 215125,Jiangsu Province,P.R.China)

Plenty of attention has been paid to obtaining single-walled carbon nanotubes(SWCNT)with single conductive properties so that they can be applied in various fields.Among the separation techniques used for metallic (m-)and semiconducting(s-)single-walled carbon nanotubes,agarose gel electrophoresis(AGE)is thought to be a relatively simple and low-cost method.In this work,we used UV-visible-near infrared(UV-Vis-NIR)absorption spectroscopy to study the effect of NaCl on the separation of SWCNT by AGE.Our results show that the addition of NaCl greatly influences the separation of the SWCNT.At a NaCl concentration of less than 70 mmol·L-1,the relative content of s-SWCNT increased after separation and at a NaCl concentration of higher than 70 mmol·L-1,the separation of m-SWCNT and s-SWCNT was restrained as the concentration of NaCl increased.At a NaCl concentration of 160 mmol·L-1,the separating efficiency of the system dropped markedly.We suggest that the addition of NaCl may change the adsorption properties of the surfactant towards m-SWCNT and s-SWCNT.

Single-walled carbon nanotubes; Agarose gel electrophoresis; UV-visible-near infrared absorption spectrum; Separation; NaCl

O648;O657.32;O657.37

Received:April 26,2010;Revised:July 2,2010;Published on Web:July 22,2010.

*Corresponding authors.GU Wen-Xiu,Email:guwenxiu@yahoo.com.cn;Tel:+86-510-85917090.LI Qing-Wen,Email:qwli2007@sinano.ac.cn; Tel:+86-512-62872577.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(20903069).

國家自然科學基金(20903069)資助項目

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