閆亮 丁旺莎 楊仕锃 王兆玉 李嘉豪 張月

摘? ?要：以多壁碳納米管和氧化石墨烯三維磁性復(fù)合材料為載體，豆甾醇為模板分子，多巴胺為功能單體，制備新型三維磁性豆甾醇印跡復(fù)合萃取材料。采用掃描電鏡、紅外光譜和X射線衍射對該復(fù)合材料進行表征和分析，結(jié)果表明：在三維磁性材料表面成功接枝印跡層。采用紫外可見光譜儀對該印跡復(fù)合材料的吸附性能進行探討，結(jié)果表明：三維磁性印跡復(fù)合材料對豆甾醇表現(xiàn)出特異性吸附性能，最大吸附量為11.24? mg/g。

關(guān)鍵詞：石墨烯;碳納米管;豆甾醇;三維磁性材料;分子印跡

分子印跡是指制備對某一特定的目標分子具有特異選擇性的分子印跡聚合物（Molecular Imprinting Polymer，MIPs）的技術(shù)[1]。因其對目標分子具有特異選擇性識別能力，MIPs已廣泛用于萃取分離、化學(xué)/生物傳感和人工抗體等領(lǐng)域[2]。最近，有科研工作者以多壁碳納米管（Multi-Walled Carbon Nanotube，MWNTs）為基材，結(jié)合印跡技術(shù)，制備具有高選擇性和高吸附容量的碳納米管-分子印跡聚合物（MWNTs-MIPs）。

新型磁性三維印跡復(fù)合材料借助碳納米管和石墨烯的比表面積優(yōu)勢，制備出具有更高的吸附容量的三維印跡萃取材料[3]。但是目前的磁性碳基三維基質(zhì)材料在制備過程中還有結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和制備能耗較大的問題，限制了分離領(lǐng)域的使用[4]。最近有報道采用水熱法制備磁性碳基三維印跡納米復(fù)合材料，這種水熱法制備的復(fù)合材料具有較強的穩(wěn)定性，為新型磁性碳基表面三維印跡納米復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用提供了可能性。

植物甾醇具有降低血清膽固醇、消炎、退熱和抗癌等藥理功效，也是活性成分研究中的重要對象。本研究采用石墨烯/碳納米管三維復(fù)合材料為支撐基質(zhì)，結(jié)合納米表面印跡技術(shù)，在溫和條件下研制出高吸附性能和快速吸附的石墨烯/碳納米管三維質(zhì)表面豆甾醇印跡復(fù)合萃取材料，并對其吸附性能進行研究。

1? ? 實驗部分

1.1? 試劑與儀器

多壁碳納米管（直徑為20～50 nm，純度大于95%）購自深圳比爾科技公司;石墨烯（GO）、豆甾醇（Stig）、β-谷甾醇（β-Sito）、膽固醇（Chol）、三羥甲基氨基甲烷（Tris）、多巴胺購自阿拉丁公司;硫酸、硝酸、乙酸、FeCl3?6H2O、高錳酸鉀、5%過氧化氫溶液、檸檬酸鈉、肼購自長沙化學(xué)試劑公司。除特殊說明外，所用試劑均為分析純;實驗用水為二次蒸餾水。

Zeiss Sigma HD掃描電鏡（德國蔡司公司），F(xiàn)T-IR傅里葉紅外光譜儀（日本島津公司），高效液相色譜儀（日本島津公司），DZF-6020型真空干燥箱（上海精宏實驗設(shè)備有限公司）。

1.2? 實驗過程

1.2.1? 三維磁性復(fù)合材料制備

將1.0 g多壁碳納米管加入20.0 mL 65%硝酸和60.0 mL 98%硫酸混合溶液中，超聲1 h，升溫至80 ℃反應(yīng)2 h，過濾得到活化的碳納米管。再將制得的200.0 mg GO和200.0 mg活化碳納米管分散在160.0 mL去離子水中超聲3 h。將3.2 g FeCl3·6H2O和5.9 g檸檬酸鈉分別加入到40.0 mL和80.0 mL去離子水中，在磁力攪拌下逐滴加入上述混合液，再加入12.0 mL肼繼續(xù)攪拌30 min。將混合物轉(zhuǎn)移至100.0 mL反應(yīng)釜中，180 ℃下反應(yīng)12 h。采用0.45 μm薄膜過濾，用去離子水和乙醇各洗滌3次，80 ℃真空干燥24 h，得最終產(chǎn)物。

1.2.2? 三維磁性印跡復(fù)合材料制備

取400.0 mg三維復(fù)合材料和400.0 mL Tris緩沖液于圓底燒瓶中，超聲5 min，加入100.0 mg豆甾醇和360.0 mg多巴胺。機械攪拌8 h，將產(chǎn)物過濾，先用水洗滌3次，然后用乙酸/甲醇（體積比為2∶8）混合液反復(fù)洗滌，接著用乙醇反復(fù)沖洗至收集的洗脫液在豆甾醇溶液標準紫外峰處沒有明顯的吸收。真空干燥12 h，制備出三維磁性印跡復(fù)合材料（3D-MMIPs）。

在不加入豆甾醇的前提下，采用同樣的方法，制備出三維磁性非印跡復(fù)合材料（3D-MNIPs）。

1.3? 吸附性能研究

1.3.1? 動態(tài)吸附過程

取20 mg 3D-MMIPs 或3D-MNIPs分別置于吸附管中，加入10.0 mL 50.0 mg/L的豆甾醇標準溶液，在室溫下吸附5～180 min，外加磁場分離，用0.45 μm的微孔薄膜過濾，收集上清液，以無水乙醇作參比，用紫外可見光譜儀測定豆甾醇質(zhì)量濃度。

1.3.2? 靜態(tài)吸附過程

取20 mg 3D-MMIPs或3D-MNIPs分別置于吸附管中，分別加入10 mL 10～50 mg/L 豆甾醇溶液，在室溫下吸附2 h，外加磁場分離，取上清液用紫外可見光譜儀測定豆甾醇質(zhì)量濃度。

1.3.2? 選擇性研究

取10.0 mg 3D-MMIPs加入2.0 mL質(zhì)量濃度均為25 mg/L的豆甾醇、膽固醇和β-谷甾醇混合溶液中吸附30 min，取上清液，用高效液相色譜測定豆甾醇、膽固醇和β-谷甾醇的質(zhì)量濃度。

2? ? 結(jié)果與討論

2.1? 三維印跡聚合物制備

3D-MMIPs的制備過程如圖1所示。先對多壁碳納米管羧酸化得到MWNTs-COOH;再采用水熱還原法在GO和MWNTs復(fù)合材料表面接枝Fe3O4納米顆粒，使GO和MWNTs復(fù)合材料具有磁性能。在三羥甲基氨基甲烷緩沖液中，加入上述三維磁性復(fù)合材料（3D-M-composite），以多巴胺為功能單體，豆甾醇為模板分子，通過多巴胺在弱堿性環(huán)境中的自聚合反應(yīng)，接著用水洗出未反應(yīng)的多巴胺，再用乙酸/甲醇（2∶8，v/v）混合溶液將模板分子豆甾醇從印跡聚合物中洗脫出來，最后再用蒸餾水洗滌3次。這樣印跡聚合物中就形成對豆甾醇具有特異性識別的印跡位點，成功地制備出新型三維豆甾醇磁性印跡復(fù)合材料（3D-MMIPs）。

2.2? 聚合物表征

2.2.1? 形貌分析

采用掃描電子顯微鏡對GO（A）、MWNTs（B）、3D-M-composite（C）、3D-MMIPs（D）的形貌進行了表征，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，GO（A）為單層片狀結(jié)構(gòu);MWNTs（B）為管狀結(jié)構(gòu)，并且相互纏繞，雜亂地堆砌在一起，碳納米管的粒徑大約為30 nm，3D-M-composite（C）為碳納米管和石墨烯的磁性雜化材料，在其表面能明顯觀察到磁性的Fe3O4微球。與圖3D-M-composite（C）相比，3D-MMIPs（D）中碳納米管的管徑明顯增大，約為68 nm，證明成功地合成了新型三維豆甾醇磁性印跡聚合物，由此可以估算出印跡層的厚度約為19 nm。

2.2.2? 紅外光譜分析

圖3中譜線MWNTs（b）和3D-M-composite（c）中618 cm-1處為Fe-O的收縮振動峰，這表明Fe3O4納米粒子成功地接枝在石墨烯和碳納米管復(fù)合材料表面;3D-MMIPs（d）中1 444 cm-1處為飽和碳氫鍵的彎曲振動峰，970 cm-1處反式取代烯烴，這表明豆甾醇成功修飾到3D-M-composite上。

2.3? 聚合物吸附性能研究

2.3.1? 動態(tài)吸附

圖4是3D-MMIPs對豆甾醇吸附容量對時間的關(guān)系圖。如圖4所示，吸附開始時，3D-MMIPs表面存在大量的結(jié)合位點，使它能夠快速、良好地與豆甾醇結(jié)合。在吸附40 min前3D-MMIPs對豆甾醇的吸附速率增加很快。隨著時間的增加，豆甾醇結(jié)合了絕大多數(shù)的識別位點，因此，吸附速率慢慢降低，直到60 min的時候，基本不再增加。這表明當時間達到60 min時，3D-MMIPs的印跡孔穴對豆甾醇的吸附達到飽和。

2.3.2? 靜態(tài)吸附

為了對該印跡材料的吸附容量進一步研究，采用靜態(tài)平衡吸附實驗探討3D-MMIPs和3D-MNIPs對豆甾醇的吸附等溫線，吸附容量由如下公式求得：

式中，Q表示聚合物的吸附量，mg/g;C0和C分別為溶液吸附前豆甾醇的濃度和吸附飽和后豆甾醇的質(zhì)量濃度，mg/L;V表示溶液的體積，mL;W表示聚合物的質(zhì)量，mg。由圖5（A）可知，3D-MMIPs對目標分子豆甾醇的吸附性能明顯優(yōu)于3D-MNIPs對豆甾醇的吸附，主要是由于印跡聚合物殼層內(nèi)含有對模板分子具有特異吸附的結(jié)合位點，通過官能團與模板分子之間的氫鍵作用結(jié)合，增大了吸附容量。

采用Langmuir等溫吸附模型對3D-MMIPs的吸附進一步擬合，結(jié)果如圖5（B）所示。Langmuir等溫吸附方程如下：

其中Q（mg/g）為豆甾醇的平衡吸附量，Qmax（mg/g）是等溫吸附方程的飽和吸附量，Ce（mg/L）是吸附平衡時豆甾醇質(zhì)量濃度，K（L/mg）為吸附平衡常數(shù)。以Ce/Q為Y軸，Ce為X軸作圖，擬合曲線圖，可以計算出K=0.026 L/mg，Qmax=11.24 mg/g。

2.3.3? 選擇性能研究

為考察3D-MMIPs和3D-MNIPs對豆甾醇的選擇吸附性能，選擇與豆甾醇結(jié)構(gòu)相似的膽固醇和β-谷甾醇作為競爭分子。結(jié)果如圖6所示，3D-MMIPs對豆甾醇的吸附量為7.59 mg/g，高于對膽固醇（3.18 mg/g）和β-谷甾醇（3.08 mg/g）的吸附量。3D-MMIP對豆甾醇、膽固醇和β-谷甾醇的印跡因子分別為2.41、1.25和1.14，3D-MMIP對膽固醇和β-谷甾醇的選擇性因子分別為1.93和2.11。這表明3D-MMIP表面有很多對豆甾醇具有特異性結(jié)合的位點，可以與豆甾醇的結(jié)構(gòu)互補，實現(xiàn)選擇性吸附。

3? ? 結(jié)語

采用多壁碳納米管和氧化石墨烯的復(fù)合材料作為載體，將Fe3O4磁性粒子修飾到復(fù)合材料表面;再利用水熱法對磁性復(fù)合材料進行包覆。通過掃描電鏡、傅立葉變換紅外光譜等方法對該印跡復(fù)合材料進行了表征，結(jié)果證明印跡層成功地包覆在三維磁性復(fù)合材料表面。吸附性能實驗研究表明該三維磁性印跡材料對豆甾醇具有高選擇性和高吸附容量，其中飽和吸附容量為11.24 mg/g。

[參考文獻]

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