多糖凝膠的孔徑和化學結構對單壁碳納米管流動性和選擇性分離的影響

楊 鵬 檀付瑞 張 靜 金赫華 李紅波,* 劉春華,* 李清文

(1合肥工業大學化學工程學院,合肥230009;2中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所,江蘇蘇州215123)

1 引言

單壁碳納米管(SWCNTs)是一種獨特的分子級一維納米材料,可以看作是石墨烯繞中心軸沿著卷曲矢量卷曲而成的無縫空心管.SWCNTs的直徑和螺旋形等結構特征可由手性矢量(Ch)唯一確定,手性矢量用Ch=na1+ma2(n,m)的形式來表示,其中a1和a2為石墨烯層六角網格的基矢,n和m均是整數,不同的卷曲角度和曲率,即(n,m)決定了SWCNTs的不同性質.1根據電子能帶計算結果,具有不同卷曲結構的SWCNTs按照導電屬性的不同可分為半導體型(s)-SWCNTs和金屬型(m)-SWCNTs兩大類.2m-SWCNTs具有優良的導電性能,是理想的導線和電極材料.3而s-SWCNTs具有優異的電子遷移率,在傳感器、電子器件、場效應晶體管(FETs)等方面有著良好的應用前景.4-6但是目前通過常規生長方法只能夠制備兩種不同導電屬性的混合物,這將極大地阻礙它們在高端科技領域的應用,如何得到高效的m/s分離對SWCNTs在電子及光電器件等領域的應用是極其重要的.

凝膠柱色譜法被廣泛應用于分離各種小分子天然有機化合物和蛋白質核酸等生物高分子.7,8而SWCNTs可以看作是碳的高分子形式,它的結構與脫氧核糖核酸(DNA)有許多相似之處,比如直徑小于2 nm,長度都在幾百納米到幾微米范圍內.從生物分離中得到了啟發,凝膠柱色譜法被創造性地應用于SWCNTs的分離.李紅波等9也闡述了這種操作簡單、成本低、分離效果好的分離技術引起了大家廣泛關注,并且有望成為大規模工業化生產的有效方法之一.在2006年,Arnold10和Heller11等使用Sephacryl S500凝膠色譜柱,將1%膽酸鈉(SC)水溶液分散的SWCNTs進行淋洗,可得到不同長度和直徑的碳管.2009年,Moshammer等12通過改變SWCNTs的表面特性和凝膠的孔徑(Sephacryl S200),獲得了m/s分離的SWCNTs.與此同時,Kataura等13,14用瓊脂糖凝膠(Sepharose 2B),獲得了高純的m-和s-SWCNTs.最近,Kataura課題組15和我們課題組16利用小孔徑的Sephacryl凝膠,分別利用分散液連續淋洗或者用二元表面活性劑梯度淋洗的方法,獲得了窄直徑分布和單一手性的SWCNTs.

凝膠柱色譜法是根據目標物質具有不同的尺寸和形狀或者是根據物質與多孔填料之間的作用力不同實現分離的,這兩種途徑都可控制目標物質通過多孔凝膠柱的方式和保留行為.因此,多糖凝膠的孔徑尺寸范圍和化學結構將很大程度影響有機化合物和大分子的流動和分離.17凝膠色譜法是分離一維納米材料的一種新途徑,13,14到目前為止很少人注意SWCNTs的流動性依賴于凝膠的性能.在這篇文章中,重點研究了凝膠孔徑尺寸和化學結構對m-和s-SWCNTs在多糖凝膠中的流動和保留行為和對m-/s-SWCNTs分離的影響,進而闡述了實現高選擇性和高純度m-/s-SWCNTs分離的關鍵因素.

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

采用純化后的HiPCO SWCNTs(Lot No.P0276,Carbon Nanotechnologies Inc.,TX),十二烷基硫酸鈉(SDS,純度99%,Sigma-Aldrich公司)作為分散劑,SDS和脫氧膽酸鹽(DOC,純度99%,Sigma-Aldrich公司)分別被用于淋洗m-和s-SWCNTs.葡聚糖凝膠(Sephacryl S100,S300,S500,GE Health公司);葡聚糖(Sephadex G100,Sigma公司);交聯瓊脂糖凝膠(Sepharose 2B,Sigma公司);交聯瓊脂糖和葡聚糖的共聚凝膠(Superdex 200,GE Health公司)六種糖基凝膠用作填料.柱色譜內徑為1 cm,所有溶液均用二次去離子水配制.超聲分散和表征設備:超聲波細胞破碎儀(XL 2000,美國Misonix公司),多功能臺式高速離心機(Allegra X 22R,美國BECKMANCOULTER有限公司),紫外-可見-近紅外(UV-Vis-NIR)分光光度計(Lambda 950,美國PerkinElmer公司),紫外-可見-分光光度計(Lambda 25,美國Per-kin Elmer公司),場發射電子顯微鏡(FESEM)(Quanta 400 FEG).

2.2 單壁碳納米管的分散和分離

準確稱取1.2 mg SWCNTs放入玻璃樣品瓶中,隨后加入4 mL質量分數為1%的SDS水溶液,配成0.3 mg?mL-1SWCNTs溶液,用超聲波細胞破碎儀在4 W功率條件下超聲2 h后,在20 kg離心力下離心6 h,吸取上層清液用于分離.分別取Sephacryl S100,Sephacryl S300,Sephacryl S500,Sephadex G100,Sepharose 2B和Superdex 200凝膠若干毫升,用去離子水抽濾洗滌5次除掉乙醇后填入六根色譜柱中,使凝膠在柱內自然沉降一段時間,凝固后的凝膠在色譜柱內高度均為7 cm.將六根色譜柱分別用1%SDS水溶液常壓潤洗2 h后再加壓潤洗1 h,隨后將SWCNTs初始分散液各1 mL分別加入這六根色譜柱中.待SWCNTs分散液全部浸入凝膠后,用1%SDS和0.25%DOC依次淋洗,收集洗出液,并記錄分離所用的時間.

2.3 樣品的表征

為了確定s-/m-SWCNTs分離的結果,將原始分散液和兩次淋洗出的組分進行UV-Vis-NIR吸收光譜表征.UV-Vis-NIR吸收光譜被記錄在Perkin Elmer Lambda 750上,用水做空白樣.用場發射電子顯微鏡(FESEM)(Quanta 400 FEG)測得SEM圖.

3 結果與討論

3.1 凝膠孔徑尺寸對單壁碳納米管流動和保留特性的影響

為了研究SWCNTs在多孔凝膠中的流動特性,我們選擇三種具有相同化學結構和凝膠顆粒大小,不同孔徑尺寸的Sephacryl S100,S300和S500凝膠進行對比研究.一般來說,凝膠孔徑的范圍用球蛋白的分離范圍來確定的,成正比關系.這三種凝膠的分離范圍(球蛋白)分別為1-100,10-1500,40-20000 kDa,它們的孔徑尺寸范圍都在5-200 nm之間.如圖1(a)所示,Sephacryl S100、S300和S500三種凝膠具有相似的紅外光譜譜圖,在1657和1528 cm-1處的吸收峰對應酰胺鍵結構中C＝O和N―H的平面振動,說明具有相同的化學結構,都是N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺的葡聚糖交聯結構.圖1(b)是這三種Sephacryl凝膠顆粒的FESEM圖,可以看出具有不同的表面形態和孔徑,孔尺寸范圍大小順序為:S100

圖1 Sepharcryl S100,S300和S500顆粒的紅外光譜圖(a)和FESEM圖(b)Fig.1 Infrared(IR)spectra(a)and field emission scanning electron microscope(FESEM)images(b)of Sepharcryl S100,S300,and S500 particles

向三根色譜柱加入1 mL SWCNTs初始分散液,待全部滲入凝膠后,用1%SDS溶液和0.25%DOC溶液依次淋洗,收集洗出液并記錄時間.圖2是在填有三種Sephacryl凝膠的色譜柱中添加了SDS分散的SWCNTs、SDS淋洗以及DOC淋洗過程中SWCNTs表現出不同流動性的比較.不同電子結構的SWCNTs具有不同的顏色,18當用不同淋洗條件淋洗時,很容易看出SWCNTs不同的移動情況.首先將分散的SWCNTs各取1 mL,加入到這三根色譜柱中,SWCNTs分散液滲入到凝膠中后呈現出不同的顏色分布和擴散長度.在S500色譜柱中,SWCNTs會快速地向下擴散,沒有顏色上的區別,都呈灰黑色.而在S100和S300色譜柱中,滲入凝膠的SWCNTs明顯呈現出不同的上下兩層顏色,上層凝膠呈暗綠色,下層是紅棕色.當我們加入1%SDS溶液淋洗時,兩個色譜柱下層的紅色溶液開始移動,收集了紅棕色的洗出液.而在裝有S500色譜柱中,灰黑色的樣品隨著SDS淋洗液向下移動,貫穿了整個色譜柱,我們收集了灰黑色的洗出液.最后使用DOC溶液淋洗,在S500柱中,由于第一次淋洗時大部分碳管已被洗出,第二次淋洗出來的SWCNTs濃度很低.而在S100和S300柱頂部保留的樣品開始緩慢向下移動,并且S100柱中的顏色比S300柱中的深,但擴散的范圍比S300的小.在SWCNTs滲入凝膠和用表面活性劑淋洗時,SWCNTs的流動行為表現出如此大的不同,反映出SWCNTs在多孔凝膠中的移動特征,表明SWCNTs在多孔凝膠中移動時,凝膠孔徑尺寸起到了重要作用.

已有的研究結果表明,當用SDS分散SWCNTs時,SDS分子吸附在碳管表面,并且根據SWCNTs的直徑和手性差異,具有不同的表面堆積密度.19,20大管徑的SWCNTs比小管徑的SWCNTs表面堆積的SDS密度大,使得小管徑SWCNTs與凝膠之間的作用力比大管徑SWCNTs與凝膠的作用力強.此外,溶液中過多自由的SDS分子趨向與SDSSWCNT作用,形成更加穩定的膠束結構.21,22上面所述說明SWCNTs被SDS和DOC兩次淋洗表現出不同的流動行為是與凝膠孔徑有關的.我們推測:當用比較弱的淋洗劑SDS進行淋洗時,SWCNTs與大孔徑尺寸的S500凝膠之間的吸附力很小,吸附在凝膠孔洞中的SWCNTs很容易自由流動,被淋洗劑洗脫出來;而對于孔徑較小的S100和S300凝膠,不同結構的SWCNTs在和凝膠中具有不同的吸附力,一部分SWCNTs可以通過凝膠洗脫出來,而另一部分SWCNTs留在凝膠中,需要用更強的淋洗劑(DOC)才能被洗脫出來.

圖2 單壁碳納米管在S100,S300和S500中滲透淋洗時分離過程的照片Fig.2 Sequential photographs of SWCNT permeation and elution during sample loading in Sephacryl S100,S300,and S500 gel column

3.2 凝膠孔尺寸對單壁碳納米管選擇性分離的影響

圖3(a)是SWCNTs的初始分散液以及1%SDS溶液淋洗出來的SWCNTs的吸收光譜圖和溶液光學照片.初始分散液是一個典型的單分散HiPCOSWCNTs的吸收曲線,對于HiPCO-SWCNTs,m-SWCNTs的第一范霍夫(Van Hove)奇點之間躍遷所需的能量比較大,該躍遷引起的吸收峰EM11一般在400-600 nm范圍內,而s-SWCNTs的Van Hove奇點之間躍遷所需的能量ES11在950-1350 nm范圍內,ES22通常在550-900 nm范圍內.同SWCNTs初始分散液的吸收光譜相比,在S100和S300色譜柱中經1%SDS淋洗出的紅棕色SWCNTs溶液表現出明顯減弱的ES22和ES11半導體性特征吸收帶以及增強的EM11金屬性特征吸收帶,說明主要富集了m-SWCNTs.然而,對于S500色譜柱,第一次收集淋洗溶液的吸收光譜和SWCNTs初始分散液的吸收光譜很接近,只有在ES11小波數(950-1050 nm)的吸收峰有輕微的降低,沒有實現m-和s-SWCNTs的分離.圖3(b)是繼續用DOC溶液從三根色譜柱中淋洗出來的SWCNTs吸收光譜圖.從S100和S300凝膠色譜柱中收集的SWCNTs溶液都是綠色的,表現出明顯減弱的金屬性特征吸收帶以及增強的半導體性特征吸收帶,說明富集的是s-SWCNTs.但是從S500凝膠色譜柱中收集的組分濃度很低,吸光度很小,為了便于觀察比較,我們將吸收光譜的數值擴大了4倍,可以看出s-SWCNTs小直徑區域的吸收峰有些增加.經過計算,第一步SDS洗脫時,從S100凝膠中淋洗得到的m-SWCNTs的純度高達95%,從S300凝膠洗脫的m-SWCNTs純度達到80%-90%,并且第二步DOC洗脫時,從兩個柱中淋洗出的s-SWCNTs的純度均大于90%.

圖3 單壁碳納米管初始分散液以及Sephacryl S100,S300,S500色譜柱中淋洗出溶液的吸收光譜和光學照片Fig.3 The normalized optical absorption spectra and optical images of the pristine SWCNTs and collected SWCNT fractions from Sephacryl S100,S300,and S500 gel columns

從上述結果可以看出,在結構相同孔徑依次增大的Sephacryl S100、S300、S500三種凝膠中,孔徑最小的S100分離出的m-和s-SWCNTs純度最高,而大孔徑的S500卻不能實現分離.說明凝膠孔徑對分離SWCNTs的結果和純度有很大的影響,是提高分離純度的一個關鍵因素.

3.3 凝膠結構對SWCNTs流動性和分離的影響

除了Sephacryl凝膠,其它的多糖凝膠如瓊脂糖(Agarose)和交聯瓊脂糖(Sepharose 2B)也能夠進行SWCNTs的m/s分離.13,14但到目前為止還沒有人研究凝膠結構對SWCNTs流動性和m/s分離的影響.我們選用了分別與Sephacryl S系列孔徑尺寸相近但結構不同的多糖凝膠(Sephadex G100、Superdex 200和Sepharose 2B)進行了SWCNTs流動性和m/s分離的對比研究.表1是六種凝膠分離范圍、化學結構、分離碳管時淋洗時間和分離純度的比較.Sephadex G100與Sephacryl S100的孔徑尺寸相似,但是Sephadex G100帶有更疏水的環氧丙烷基團.將樣品加入Sephadex G100色譜柱后,與圖2中Sephacryl S100分離情況有明顯差異.SWCNTs在Sephadex G100凝膠中快速擴散,使用SDS溶液淋洗時,SWCNTs遍布整個色譜柱,并且快速流出,在圖4(a)中,我們可以看到兩步淋洗出來的SWCNTs溶液與初始分散液的吸收光譜沒有明顯的差異，無法進行SWCNTs的m/s分離.有趣的是,孔徑范圍相近的Superdex 200和Sephacryl S100,兩種凝膠都可以有效地分離SWCNTs,但是Superdex 200色譜柱淋洗m-和s-SWCNTs的移動速度比Sephacryl S100色譜柱慢很多,SWCNTs在凝膠中表現出不同的流動特性.由于這三種凝膠都具有相同的葡聚糖結構,只是帶有不同的官能團,碳管不同的流動特性表明多糖中交聯的官能團對碳管的吸附起到了很重要的作用.根據碳管在凝膠中的滯留時間，我們推測,SDS-SWCNTs與三種凝膠官能團之間的作用力大小順序是:瓊脂糖>雙丙烯酰胺官能團>環氧丙烷官能團.我們也比較了具有類似孔徑范圍的Sepharose 2B和Sephacryl S500兩種凝膠,發現碳管在交聯瓊脂糖結構的Sepharose 2B中也表現出了較長的滯留時間,暗示有較強的吸附力.

從圖4(b,c)中的吸收光譜來看,與初始SWCNTs分散液相比,Superdex 200和Sepharose 2B凝膠中由1%SDS洗脫的SWCNTs組分表現出明顯增強的金屬特征峰而半導體特征峰幾乎沒有,說明富集了高純度的m-SWCNTs;第二步0.25%DOC溶液洗脫的SWCNTs組分表現出明顯增強的半導體特征峰,但是金屬特征峰只有一定程度的減弱,表明所富集的s-SWCNTs中還混有少量的m-SWCNTs.我們認為:對于瓊脂糖改性的凝膠,由于與SWCNTs的作用力過強,在使用SDS淋洗時,一部分m-SWCNTs也保留在多孔凝膠中,因此降低了s-SWCNTs的分離純度,但是對分離出高純度的m-SWCNTs是有益的.例如,與Sephacryl S100和S300凝膠相比,雖然用Superdex 200凝膠分離出來的s-SWCNTs純度不高,但可以獲得高純度的m-SWCNTs.此外,由于Sepharose 2B和Sephacryl S500具有相似的孔徑范圍,交聯瓊脂糖Sepharose 2B可以實現一定的m/s分離而Sephacryl S500則不能,也意味著在凝膠柱色譜技術分離SWCNTs過程中,多糖凝膠的化學結構比孔徑尺寸發揮了更大的作用.

表1 各種多糖凝膠以及用1%SDS和0.25%DOC兩步淋洗得到的溶液各種性質對照Table 1 Comparative properties of various polysaccharide gels as well as the corresponding sorting results of SWCNTs by a two-step elution with 1%SDS and 0.25%DOC solutions

圖4 初始單壁碳納米管分散液以及1%SDS和0.25%DOC兩步淋洗得到的分離溶液的歸一化光吸收光譜圖及光學照片Fig.4 Normalized optical absorption spectra and optical images of the pristine SWCNTs and collected two fractions by a two-step elution with 1%SDS and 0.25%DOC solutions

從表1上看,我們選用的六種凝膠的顆粒尺寸對分離的影響不大.比如,Sephacryl三種凝膠顆粒尺寸范圍都是25-75 μm,S100和S300能夠得到很好的分離效果,而S500不能.比較Sephadex G100和Sepharose 2B也可以得到上述結論.

我們認為多糖凝膠色譜柱分離SWCNTs是基于吸附機理的,柱色譜分離時,展現出不同的流動性和分離結果,是因為具有不同導電屬性的SWCNTs被SDS包裹程度不同,進而影響與凝膠之間的吸附作用力.大直徑的m-SWCNTs表面覆蓋的SDS密度大,與凝膠之間的作用力弱,很容易隨著淋洗液向下流動.小直徑的s-SWCNTs表面覆蓋的SDS少,滲入小孔內部后與多孔凝膠產生強有力的吸附作用,使s-SWCNTs選擇性的保留在凝膠中.孔徑較小的Sephacryl S100和S300凝膠由于具有較大的比表面積,能夠充分地吸附SWCNTs,將不同結構的SWCNTs與凝膠之間吸附力的差異體現出來,大孔徑凝膠比表面積小,與m-和s-SWCNTs的作用力都很弱,因而小孔徑凝膠的分離效果更好.帶有瓊脂糖結構的Sepharose 2B和Superdex 200凝膠與SWCNTs的作用力太強,不僅會保留小直徑s-SWCNTs,還會留住一些大直徑的m-SWCNTs,導致s-SWCNTs分離純度降低.所以凝膠結構和孔徑尺寸共同影響SWCNTs的分離效果和純度.在影響SWCNTs流動性和分離結果的諸多因素中,適當調控凝膠的結構和孔徑尺寸是提高分離效率和純度的關鍵步驟.

4 結論

當用SDS分散SWCNTs時,SDS包裹在SWCNTs表面形成膠束,會調控碳管表面性能,進而影響SWCNTs在多孔凝膠中的流動性以及分離結果.我們系統地研究了多糖凝膠的化學結構和孔徑尺寸對凝膠柱色譜法分離SWCNTs以及流動性的影響.多孔凝膠與s-SWCNTs之間有較強吸附作用力,選擇性地保留住s-SWCNTs,進而通過兩步表面活性劑淋洗的方法分離出m-和s-SWCNTs.在Sephacryl系列凝膠中,與大孔徑的S500相比,小孔徑S100和S300凝膠具有較大的比表面積,對s-SWCNTs的吸附力較強,能夠很好地分離出m-和s-SWCNTs.帶有環氧丙烷官能團的葡聚糖凝膠與SWCNTs的作用力很弱不能分離SWCNTs.瓊脂糖結構的凝膠與SWCNTs的作用力最強,而帶有氨基官能團的葡聚糖凝膠對SWCNTs選擇性最好.這些都說明了吸附機理在碳管分離中的作用,也說明了在SWCNTs選擇性分離時,凝膠結構和孔徑尺寸起到了非常重要的作用.因此,選擇合適結構和孔徑的凝膠,對于分離出高純度的m-/s-SWCNTs是極其重要的.

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