氧化石墨烯摻雜高內相乳液多孔復合材料的制備及其應用

李先先,阮貴華,張文娟,原華美,杜甫佑

(桂林理工大學 化學與生物工程學院,廣西 桂林 541006)

氧化石墨烯(graphene oxide, GO)作為石墨烯的一種衍生物,結構上的諸多含氧功能基團使其具有特異性吸附功能[1-2]。氧化石墨烯復合材料已經廣泛應用于毛細管電泳[3-4]、毛細管電色譜[5-7]及液相色譜固定相合成[8-10]，并應用于多環芳烴[11]、不同取代基的苯系物[12]的分離與富集。近年來三維氧化石墨烯材料作為一種良好的環境污染物富集材料備受關注[13-15],但單純的三維氧化石墨烯結構較松散易碎，耐用程度不夠。高內相乳液聚合材料是一種具有三維多孔互通結構的材料,摻雜GO既能夠增強復合材料的機械性能,又能夠提高復合多孔材料的吸附量,相較于傳統材料，可以廣泛應用于吸附分離、光催化降解、生物醫藥等領域。GO的添加有利于光子在材料中的傳遞,增強了復合材料的光催化性能,Li等[16]通過聚合反應得到GO-PA-CeOx復合材料,吸附羅丹明B后，紫外光照射表明,降解效果明顯優于單純GO吸附劑的降解效果。在生物領域中,由于GO對生物蛋白具有非特異性吸附,容易使吸附后的蛋白發生聚集變性失活,而GO復合材料能夠改善這種狀況,Chen等[17]制備了FeOOH-PEG-GO復合材料并將其應用于對牛血清白蛋白的吸附,既克服了GO對蛋白的非特性吸附,又提高了吸附量。在吸附染料方面,結合色譜技術樣品處理中也具有獨特的優勢[18-19]。

本文設計通過修飾氧化石墨烯粒子形成穩定的高內相乳液,經熱聚合形成氧化石墨烯摻雜型多孔復合材料并應用于蘇丹紅系列偶氮類染料的分離與富集。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

LC-20A高效液相色譜, 配SIL-20A自動進樣器和SPD-M20A 二極管陣列檢測器(日本島津公司), Eclipse Plus C18色譜柱(4.6 mm×250 mm, 5-Micron, Agilent公司), MS3 basic 旋渦振蕩器(德國IKA公司), 超聲波清洗機(寧波新芝生物科技有限公司), PHS-3C pH計(江蘇江分電分析儀器有限公司), DHG-9140A鼓風恒溫干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司), JSM-6380LV 掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社), IS10傅里葉紅外光譜分析儀(美國Thermo Fisher), 0.22 μm 有機尼龍濾頭(天津博納艾杰爾科技有限公司), 10 mL離心管。

蘇丹紅(Sudan)Ⅰ—Ⅳ 標準物質、 二乙烯基苯(DVB)、 丙烯酸異辛酯(EHA)、 過硫酸鉀(K2S2O8)、 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、 Span80等均購自上海晶純試劑有限公司; 天然石墨粉、 硫酸、 高錳酸鉀、 硝酸鈉、 雙氧水、 無水乙醇、 乙酸; 磷酸二氫鈉-檸檬酸(NaH2PO3-H3Cit)、 醋酸-醋酸鈉(HAc-NaAc)、 檸檬酸鈉-檸檬酸(NaH2Cit-H3Cit)等均,乙腈、 甲醇為色譜純(Dikma公司); 蘇丹紅Ⅰ—Ⅳ混合標準溶液(1 000 ng/mL)采用色譜純甲醇配制, 4 ℃保存備用; 實驗用水為超純二次水(電阻率≥18.25 MΩ·cm)。辣椒粉購于桂林市農貿市場。

1.2 氧化石墨烯的合成與修飾

采用改進Hummers法[20]制備GO: 稱取2.0 g天然石墨粉及1.0 g NaNO3置于500 mL錐形瓶中, 冰水浴條件下加入46 mL 濃硫酸, 再緩慢加入6.0 g 高錳酸鉀, 并嚴格控制反應溫度不超過20 ℃。待高錳酸鉀完全溶解后,靜置5 min, 轉移至35 ℃熱水浴,緩慢加入約92 mL 水,升溫至90 ℃反應20 min后冷卻至室溫,加入100 mL水和6 mL雙氧水,靜置1 h;反應結束后把溶液轉入到透析袋中,至溶液呈中性,收集氧化石墨烯(GO), 60 ℃烘干至恒重。實驗過程中氧化石墨烯水分散液濃度為5 mg/mL。

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)修飾氧化石墨烯(GO)[21],調整m(PVP)∶m(GO)=20∶3,室溫下攪拌24 h進行自組裝,后以5 000 r/min離心20 min去除上清液,取下層修飾的GO配置成濃度為5 mg/mL的PVP/GO標準溶液, 4 ℃保存備用。

1.3 氧化石墨烯摻雜高內相多孔復合材料的制備

于10 mL的離心管中依次加入450 μL DVB、450 μL EHA以及300 μL Span80,混合均勻得到油相;另取10 mL離心管依次加入1.0 mL PVP/GO分散液、20 mg K2S2O8、50 mg無水CaCl2、3.9 mL H2O混合均勻得到水相;分多次將水相加入到油相中并經旋渦混合形成穩定的高內相乳液。乳液置于65 ℃恒溫烘箱24 h得到石墨烯摻雜多孔材料(PVP/GO-DVB-EHA),分別用無水乙醇和二次水反復洗滌多次,經冷凍干燥至恒重,保存備用。

實驗同時制備未摻雜氧化石墨烯多孔材料,除不加PVP/GO分散液外,其余試劑及合成方法均相同。所得材料為DVB-EHA材料。

1.4 染料吸附與解脫

取10 mg多孔復合材料填充到墊有0.22 μm纖維膜的注射器底部, 再以少量玻璃纖維覆蓋并壓實得到萃取柱, 使用前用甲醇潤洗3次。 取2 mL蘇丹紅標準溶液經注射泵以0.1 mL/min過柱, 收集流出液并定容至2 mL, 過0.22 μm濾膜, 經液相色譜-紫外檢測，計算吸附量:

Γ=V×(c0-c1)/m，

(1)

式中，Γ—吸附量, ng/mg;V—蘇丹紅標準溶液體積, mL;c0—吸附前蘇丹紅溶液濃度, ng/mL;c1—吸附后蘇丹紅溶液濃度, ng/mL；m—多孔復合材料質量, mg。

吸附完成后,先用2 mL 10 %的乙腈(V/V)水溶液以2 mL/min清洗萃取柱,除去干擾物質,然后以5 mL解脫劑經注射泵以0.1 mL/min進行解脫,收集解脫液并定容至5 mL,過0.22 μm濾膜,檢測濾液并計算解脫率：

θe=Γe/Γ×100%，

(2)

其中，θe—解脫率，%；Γe—解脫所得到蘇丹紅的量，ng/mg。

1.5 實際樣品分析

稱取1.0 g辣椒粉于50 mL燒杯中,加入20 mL乙腈,超聲萃取15 min,5 000 r/min離心15 min,提取上層清液；另取10 mL提取液加入100 ng蘇丹紅作為加標樣液,相當于辣椒中蘇丹紅的含量為0.2 mg/kg;分別取1 mL辣椒提取液和加標樣液,按1.4節所述步驟進行吸附與解脫，以及檢測計算。

1.6 色譜分析

流動相A為0. 1% 乙酸(V/V)二次水溶液; 流動相B為乙腈; 流速1.0 mL/min; 進樣量; 10 μL; 柱溫30 ℃; 洗脫條件為0～10 min, 80%～90% B; 10～13 min, 90%～100% B; 13～22 min, 100% B; 22～24 min, 100%～80% B; 24～27 min, 80% B; 檢測波長478 nm (SudanⅠ,Ⅱ), 520 nm (Sudan Ⅲ,Ⅳ)。

2 結果與討論

2.1 乳液單體配比的選擇

選擇合適的內相比, 有利于形成穩定的高內相乳液[22-23], 且對復合材料的結構具有重要影響, 對于W/O型乳液, 具有親水性的GO含量高低直接影響乳液的穩定與否[24]。 實驗發現,當PVP/GO的濃度為5 mg/mL時, 內相比為80%的乳液最穩定, 增加內相比(85%)導致乳液中存在不均勻液滴, 而降低內相比(75%)則難以形成穩定乳液, 靜置24 h后乳液容易出現油水分層, 因此本研究選擇內相比為80%。 另外, 油相中DVB和EHA單體比例對乳液形成也具有影響,只有在EHA與DVB配比(V/V)為1∶1時,才能得到穩定存在的高內相乳液體系,因此本實驗選用此比例。

2.2 復合材料表征及結構分析

DVB-EHA材料和PVP/GO-DVB-EHA材料的SEM圖如圖2所示。圖2a中DVB-EHA材料內壁光滑平整,且孔洞大小不一,孔與孔之間彼此連通,這種互通結構有利于物質傳遞。圖2b中由于摻雜GO使得孔壁粗糙多褶皺,且材料的導電性增強,證明石墨烯成功附著于材料內壁。 通過BET(比表面積)數據對比, PVP/GO-DVB-EHA材料的比表面積為23.66 m2/g, DVB-EHA材料的比表面積為12.22 m2/g, 比表面積明顯增大。

圖1 多孔復合材料的紅外光譜Fig.1 FT-IR spectra of porous composites

2.3 吸附及解脫溶劑的選擇

由于溶劑的極性是影響材料吸附和解脫的重要因素, 分別以甲醇(methanol)、 乙腈(acetonitrlle)、 丙酮(acetone)和甲苯(toluene)為溶劑介質, 研究溶劑對PVP/GO-DVB-EHA材料吸附及解脫SudanⅠ—Ⅳ的影響。 由圖3a可知，甲醇溶劑最有利于材料對染料的吸附, 其吸附量分別為304.23、 328.09、 371.43 和382.80 ng/mg。 在解脫過程中, 以甲苯為解脫劑, 更有利于染料的解脫, 如圖3b所示, 解脫率分別為94.54%、 92.56%、 89.09%和86.26%, 從而實現了對染料的良好吸附與分離。

圖2 DVB-EHA(a)和PVP/GO-DVB-EHA(b)的掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of porous composite DVB-EHA(a)and PVP/GO-DVB-EHA(b)

圖3 溶劑介質對吸附與解脫的影響Fig.3 Solvent effect on adsorption and elution

2.4 流速對吸附與解脫的影響

溶劑流速是影響動態吸附與解脫的重要因素[25]。在以上最佳條件下,分別考察流速為0.1、0.5、1.0和2.0 mL/min時材料對蘇丹紅吸附與解脫影響。圖4a表明,流速越小越有利于吸附,染料所帶苯環數越多,越易吸附,流速為0.1 mL/min時,材料對染料的吸附量最大。 解脫時, 當流速為0.1 mL/min, 蘇丹紅染料解脫率均最大, 其解脫率隨流速增大而急劇減小(圖4b),說明低流速有利于染料的吸附與解脫。

2.5 吸附平衡時間與溫度的選擇研究

流速0.1 mL/min不同溫度下PVP/GO-DVB-EHA對SudanⅠ—Ⅳ的吸附情況如圖5所示。5 ℃時吸附斜率小, 表明吸附慢, 40 ℃的斜率均大于5 ℃和25 ℃的吸附斜率, 但在高溫條件下溶劑易揮發,影響檢測結果, 因此吸附溫度選取25 ℃。

圖4 流速對復合材料吸附與洗脫蘇丹紅影響Fig.4 Flow rate effect on the composite adsorption and elution of sudan dyes

圖5 溫度對吸附量的影響Fig.5 Temperature effect on adsorption

在此溫度下, 10 min后材料對蘇丹紅吸附趨于飽和。

2.6 pH對吸附及解脫性能影響

研究pH值對材料的吸附及解脫影響, 分別測定PVP/GO-DVB-EHA對Sudan Ⅰ—Ⅳ的吸附和解脫。 結果表明, 在Na2HPO3-H3Cit體系的吸附量均大于其他兩個緩沖溶液體系(圖6a)； 在不同pH值的Na2HPO3-H3Cit體系中, SudanⅠ—Ⅳ的吸附量隨著pH值增大先增大后減小; 當pH=6, 其吸附量最大(圖6b)。 對于解脫率, pH=4時, 解脫率最大。 在酸性條件下, 蘇丹紅更容易被解脫, 不含有甲基的SudanⅠ和Sudan Ⅲ的空間位阻較小, 容易通過多孔材料, 容易解脫, 因此解脫率大于同苯環數的Sudan Ⅱ和Sudan Ⅳ(圖6c)。

以甲醇溶劑為介質, 調節pH=6, 通過PVP/GO-DVB-EHA與DVB-EHA的吸附量對比(圖7)發現, PVP/GO-DVB-EHA對 Sudan Ⅰ—Ⅳ的吸附量均大于DVB-EHA的吸附量。相較其他的固相微萃取材料[26]、分子印跡聚合物[27-28],PVP/GO-DVB-EHA對蘇丹紅的吸附量較大,具有明顯的優勢。

2.7 多孔復合材料的實際應用

在最優實驗條件下,按照1.5節實驗步驟,液相色譜分析結果如圖8所示, PVP/GO-DVB-EHA對辣椒粉中的SudanⅠ—Ⅳ具有較好的吸附效果,通過檢測吸附后的殘液,發現材料對蘇丹紅有較好吸附,同時可有效避免辣椒粉中其他組分對分離測定的干擾(圖8d)。對吸附柱進行解脫后發現，4種蘇丹染料的解脫率可達89.24%、88.48%、92.35%和90.67%，加標回收率介于73.38%～92.63%,滿足辣椒粉中SudanⅠ—Ⅳ的分離與測定要求。

3 結 論

成功制備出一種氧化石墨烯摻雜高內相乳液多孔復合材料。 該多孔復合材料具有易制備, 多孔互通,結構穩定的特點,且GO能夠與復合材料牢固結合, 不易脫落, 明顯提高了多孔復合材料的吸附量。對蘇丹紅系列染料的吸附和解脫試驗研究表明GO摻雜多孔復合材料可成功應用于SudanⅠ—Ⅳ的快速分離與測定。不同染料的吸附率,解脫率以及加標回收率均滿足分析要求。該材料的成功制備為石墨烯基多孔材料在復雜體系的分離分析應用提供了可能。

圖7 復合材料對蘇丹紅的吸附附情況Fig.7 Adsorption of Sudan red by composite materials

圖8 液相色譜分析Fig.8 Liquid chromatogrophy analysisa—辣椒提取液液相色譜；b—辣椒加標樣液液相色譜；c—辣椒加標吸附后液相色譜；d—10%乙腈溶液清洗后,甲苯解脫后液相色譜圖;1—4為蘇丹Ⅰ—Ⅳ的色譜峰

圖6 緩沖體系對吸附與洗脫率的影響Fig.6 Buffer system effect on adsorption and elution rate

AnalyteConcentrationinchillipowder/(ng·mg-1)Spikedaddition/(ng·mg-1)Recovery/%(n=3)RSD/%(n=3)SudanⅠ-50,250,50087.06,92.63,88.680.73,6.18,3.07SudanⅡ89.39,90.94,84.666.32,4.04,5.19SudanⅢ84.09,89.74,79.077.10,1.79,1.60SudanⅣ85.30,86.97,73.383.00,1.53,5.50

注： “-”表中未檢出。