三维生物高分子-氧化石墨烯复合凝胶对阳离子染料吸附的研究

第３期２０１４年３月高　分　子　学　报ＡＣＴＡＰＯＬＹＭＥＲＩＣＡＳＩＮＩＣＡＮｏ．３Ｍａｒ．，２０１４３４１∗２０１３⁃０７⁃１６收稿，２０１３⁃０９⁃２７修稿；国家自然科学基金（基金号５１１７３１１９）资助项目．∗∗通讯联系人，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：１０􀆰３７２４／ＳＰ．Ｊ．１１０５􀆰２０１４􀆰１３２５１三维生物高分子／氧化石墨烯复合凝胶对阳离子染料吸附的研究∗雷　蓓　何　蔼　程　冲　孙树东∗∗（四川大学高分子科学与工程学院　成都　６１００６５）摘　要　采用一种简便的方法制备了生物高分子调控的氧化石墨烯凝胶用于水污染处理．将生物高分子白蛋白（ＢＳＡ）、壳聚糖（ＣＳ）、及脱氧核糖核酸（ＤＮＡ）与氧化石墨烯（ＧＯ）共混，自组装形成水凝胶，最后冻干得到生物高分子／氧化石墨烯复合凝胶．通过扫描电镜、原子力显微镜、纳米粒度分析仪等分析复合凝胶的组装结构与表面电位．结果表明凝胶呈现内部联通的三维多孔结构，该结构有利于被吸附分子的快速内部扩散．红外光谱证明了生物高分子被成功负载到了凝胶网络中．然后将该复合凝胶用于阳离子染料的吸附，吸附实验表明这类生物高分子／氧化石墨烯复合凝胶对阳离子染料有很好的吸附效果，同时也对阴离子和非离子毒性分子有一定的吸附能力．研究了吸附时间，初始浓度，ｐＨ值等对凝胶吸附量的影响，并考察了凝胶的解吸附．最后详细探讨了ＧＯ⁃ＢＳＡ、ＧＯ⁃ＣＳ和ＧＯ⁃ＤＮＡ凝胶对亚甲基蓝（ＭＢ）吸附的动力学和吸附等温式．经吸附动力学拟合，生物高分子／氧化石墨烯复合凝胶吸附ＭＢ复合二级动力学模型和Ｌａｎｇｍｕｉｒ等温吸附，对ＭＢ分子是单分子层吸附，吸附初期为大孔隙扩散，后期为粒子内扩散．关键词　氧化石墨烯，生物高分子，凝胶，吸附，水污染　　氧化石墨烯（ＧＯ）作为一种热门新兴材料，具有大的比表面积和各种含氧官能团，是一种潜在的高效吸附剂，并且可以由便宜的石墨通过多种化学氧化途径制备，但是直接将氧化石墨烯用于环境污染物，如阳离子染料等的清除在实际应用中是难以实施的．由于氧化石墨烯是水分散溶液，导致吸附后需要离心分离，因此往往需要将其均匀地固定在某些基材中，才能易于分离和回收，以便于重复使用和减少氧化石墨烯纳米片对环境造成二次污染．在早期的研究中，将氧化石墨烯与聚苯乙烯、聚醚砜等聚合物进行共混［１］，以及水热法制备还原氧化石墨烯凝胶等虽然可以固定石墨烯，但这些方法损失了可接触的比表面积及降低了含氧官能团，因此吸附量并不理想．此外，氧化石墨烯存在高溶血率［２］、易诱发血栓［３］以及细胞毒性［４］等生物学缺陷导致氧化石墨烯基材料并未得到广泛的应用．因此研究一种基于氧化石墨烯的易制备，绿色环保，且能高效清除环境污染物的吸附剂很有工业应用价值．生物高分子在生物体系中起着至关重要的作用，通过氢键、范德华力和其他相互作用力可构建从具有基本功能的细胞器到组建成三维宏观组织和器官．受到生物自组装启发，生物高分子凝胶、支架和复合材料等已得到广泛关注，这些生物高分子组装材料展现出可调控的多功能物理化学特性和优良生物相容性［５］．我们近期的研究工作和相关文献表明，多糖［６～１０］、蛋白质［１０，１１］、ＤＮＡ［１２］等生物高分子可以通过共价或非共价键的方法改善氧化石墨烯的化学结构，当用亲水的生物高分子［１３，１４］调节氧化石墨烯，原来的两亲性类似于表面活性剂的结构变得十分亲水以至于很难与脂质双分子层相互作用［１５］，大大抑制了其与细胞膜强烈的相互作用，弥补了氧化石墨烯的生物学毒性缺陷．将石墨烯与生物高分子共组装或者化学反应交联制成凝胶，由于其具有三维网状结构，疏松多孔，将是一种很好的吸附剂［１６］．基于此，通过将壳聚糖、白蛋白、ＤＮＡ等生物高分子作为生物交联剂与氧化石墨烯进行自组装形成的复合三维凝胶，其既拥有氧化石墨烯高效的吸附性能，又兼具生物高分子良好的生物相容性，并且整个制备过程简便易行、绿色无毒．生物高分子／氧化石墨烯复合凝胶作为一种性能优异的新型吸附剂，在污高　　分　　子　　学　　报２０１４年水处理方面有着广泛的应用和良好的前景．１　实验部分１􀆰１　主要试剂鳞片石墨（Ｇｒａｐｈｉｔｅ，Ｓｉｇｍａ⁃Ａｌｄｒｉｃｈ）；雄性鲑鱼双链ＤＮＡ（相对分子量为５×１０６，ＹｕｋｉＦｉｎｅＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．（Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ）．）；白蛋白（ＢＳＡ，相对分子量为６􀆰５×１０４，ＳｉｇｍａＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．）壳聚糖（ＣＳ，相对分子量为２􀆰５×１０５，阿拉丁试剂有限公司）；亚甲基蓝（ＭＢ）、甲基紫（ＭＶ）、氯化铅（ＰｂＣｌ２）、硝酸镉（Ｃｄ（ＮＯ３）２）、氯化铜（Ｃｕ（Ｃｌ）２），（阿拉丁试剂有限公司）．１􀆰２　氧化石墨烯的制备氧化石墨烯（ＧＯ）的制备采用以鳞片石墨为原料改进后的Ｈｕｍｍｅｒｓ方法［１７］．在冰水浴中装配好的反应瓶中，加入１５０ｍＬ的浓硫酸，搅拌下加入５ｇ石墨粉和３􀆰７５ｇ硝酸钠，再分次缓慢加入２０ｇ高锰酸钾（ＫＭｎＯ４），先在冰水浴中混合搅拌２ｈ，接着在室温下搅拌３天．然后，缓慢加入５００ｍＬ的去离子水，混合搅拌后，加入１５ｍＬ双氧水（３０ｗｔ％）还原残留的氧化剂，使溶液变为亮黄色．接着加入１Ｌ１０％的ＨＣｌ溶液，用分级离心除去氧化石墨烯中的不溶物，以去离子水洗涤除去其中的硫酸根和金属离子．最后将得到的氧化石墨烯溶液用去离子水透析１周以除去残留的盐和酸．１􀆰３　生物高分子／氧化石墨烯复合凝胶的制备称取４ｇ白蛋白（ＢＳＡ）溶于２０ｍＬ的去离子水中，搅拌１２ｈ即可制得质量分数为２０％、密度为２００ｍｇ／ｍＬ的ＢＳＡ溶液．然后在装有４ｇ浓度为５ｍｇ／ｍＬ的氧化石墨烯（ＧＯ）浓缩液的玻璃瓶中加入０􀆰３ｍＬ的ＢＳＡ溶液，搅拌２ｍｉｎ以形成凝胶．最后静置１２ｈ，命名为ＧＯ⁃ＢＳＡ，最后将水凝胶冻干待用．称取０􀆰４ｇ壳聚糖（ＣＳ）和ＤＮＡ分别溶于２０ｍＬ的去离子水中，搅拌１２ｈ即可分别制得质量分数为２％、密度为２０ｍｇ／ｍＬ的ＣＳ和ＤＮＡ溶液．同样，分别在装有４ｇ密度为５ｍｇ／ｍＬ的氧化石墨烯（ＧＯ）浓缩液的玻璃瓶中加入０􀆰４ｍＬ的ＣＳ溶液及１ｍＬ的ＤＮＡ溶液，搅拌２ｍｉｎ以形成凝胶．最后静置１２ｈ，分别命名为ＧＯ⁃ＣＳ和ＧＯ⁃ＤＮＡ，最后将水凝胶冻干待用．同时将５ｍｇ／ｍＬ的氧化石墨烯悬浮液进行冷冻干燥作为参比样．１􀆰４　生物高分子／氧化石墨烯复合凝胶的表征及仪器傅里叶变换红外（ＦＴＩＲ）光谱由红外光谱仪（Ｎｉｃｏｌｅｔ５６０，Ａｍｅｒｉｃａ）获得．原子力显微镜（ＡＦＭ）图像使用扫描探针显微镜（ＳＰＭ）系统（Ｂｒｕｋｅｒ，ＵＳＡ）得到．样品的三维形态通过场发射扫描电子显微镜（ＦＥ⁃ＳＥＭ，ＦＥＩＳｉｒｉｏｎ⁃２００，ＵＳＡ）测得．凝胶的比表面积采用Ｂｒｕｎａｕｅｒ⁃Ｅｍｍｅｔｔ⁃Ｔｅｌｌｅｒ（ＢＥＴ）氮气吸附方法测量．三维凝胶的水分散体系ｚｅｔａ电位使用纳米粒度分析仪（ＺｅｔａｓｉｚｅｒＺＳ９０，ＭａｌｖｅｒｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＬｔｄ，ＵＫ）测量．吸收光谱和吸光度使用紫外可见光谱仪（ＵＶ⁃１７５０，ＳｈｉｍａｄｚｕＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｊａｐａｎ）测量．１􀆰５　生物高分子／氧化石墨烯复合凝胶的水污染处理１􀆰５􀆰１　阳离子染料吸附实验将ＧＯ、ＧＯ⁃ＢＳＡ、ＧＯ⁃ＣＳ、ＧＯ⁃ＤＮＡ凝胶（各１ｍｇ，干重）加入到２０ｍＬ浓度为１００μｍｏｌ／Ｌ的ＭＢ水溶液中，室温下进行慢速振荡．然后在不同时间间隔对ＭＢ溶液进行取样，用紫外分光光度计分别在６３１ｎｍ的波长下测定其吸光度，根据以下公式计算其不同时间点的浓度的吸附量（ｑ）：ｑ＝（ｃ０－ｃｔ）Ｖ／ｍ（１）式中，ｃ０和ｃｔ分别为染料分子在溶液中（ｍｇ·Ｌ－１）的初始浓度和经过时间ｔ后达到平衡的最终浓度，Ｖ是溶液体积（Ｌ），ｍ是冻干样品的质量（ｇ）．所需的平衡吸附时间由吸附曲线得到．１􀆰５􀆰２　初始浓度对吸附的影响将１ｍｇ的ＧＯ、ＧＯ⁃ＢＳＡ、ＧＯ⁃ＣＳ、ＧＯ⁃ＤＮＡ凝胶（干重）加入到２０ｍＬ浓度分别为５０，１００，１５０，和２００μｍｏｌ／ＬＭＢ溶液中，室温下进行慢速振荡吸附测试，用紫外分光光度计测定吸附液前后浓度．１􀆰５􀆰３　ｐＨ对吸附的影响在ＨＣｌ和ＮａＯＨ的调节下配制出ｐＨ为３、５、９、１１的１００μｍｏｌ／ＬＭＢ溶液，吸附达到平衡后，在室温及其他条件不变的情况下用紫外分光光度计测定吸附液平衡时的浓度．１􀆰５􀆰４　阳离子染料的解吸附实验选取对１００μｍｏｌ／ｌＭＢ溶液达到吸附平衡后的样品进行解吸附实验，过程如下：将吸附后的凝胶进行脱水，然后分别加入到ｐＨ为２的盐酸溶液和无水乙醇中，搅拌２ｍｉｎ后静置不动．２４ｈ后用紫外分光光度计测定溶液浓度，然后把瓶中的２４３３期雷蓓等：三维生物高分子／氧化石墨烯复合凝胶对阳离子染料吸附的研究溶液换成同样的新鲜盐酸溶液和乙醇，如此进行３次，直到解吸附完全．解吸率（Ｒｄ）用如下公式计算：Ｒｄ＝ｎｄｎａ×１００％（２）式中，ｎｄ为每次释放到溶液中的ＭＢ浓度，ｎａ为吸附实验中样品对ＭＢ的总吸附量．总解吸率Ｒｄ为３次解吸附实验之和．１􀆰５􀆰５　选择性吸附实验为了研究生物高分子／氧化石墨烯复合凝胶的选择吸附性，我们选取了带不同电荷和不同溶解度的染料、以及内分泌干扰物进行测试，包括甲基紫（ＭＶ）、刚果红（ＣＲ，负电）、罗丹明Ｂ（ＲｈＢ，ｐＨ为７􀆰０时的中性分子）、双酚Ａ（ＢＰＡ，非离子）和对硝基酚（ｐ⁃ＮＰ，非离子）．与前面对ＭＢ染料吸附实验一致，分别将样品加入到２０ｍＬ１００μｍｏｌ／Ｌ的各种溶液（ｐＨ＝７􀆰０）中，在室温下慢速振荡４８ｈ达到吸附平衡后，用紫外分光光度计测定溶液浓度．Ｔａｂｌｅ１　ＺｅｔａｐｏｔｅｎｔｉａｌｓｆｏｒＧＯｓｐｏｎｇｅａｎｄＧＯ⁃ｂｉｏｐｏｌｙｍｅｒｇｅｌｓ∗ＳａｍｐｌｅｓＧＯｓｐｏｎｇｅＧＯ⁃ＢＳＡＧＯ⁃ＣＳＧＯ⁃ＤＮＡＺｅｔａｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｎＤ．Ｉ．ｗａｔｅｒ（ｍＶ）－３８􀆰２±２􀆰５－２５􀆰４±１􀆰２－２８􀆰９±０􀆰９－３７􀆰８±２􀆰５∗ＴｈｅｔｅｓｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎＤ．Ｉ．ｗａｔｅｒ．２　结果与讨论２􀆰１　凝胶化机理生物高分子／氧化石墨烯凝胶是由氧化石墨烯溶液和生物高分子溶液直接混合交联形成的复合凝胶，当它们混合和振荡时，石墨烯片层和生物高分子链通过氢键、范德华力、π⁃π共轭进行三维自组装，溶液便立即失去流动性而变成凝胶．因此，生物高分子作为交联剂有效地促进氧化石墨烯凝胶的形成．对于带负电的ＤＮＡ、ＢＳＡ，由于其高分子链富集羟基和羧基官能团和一些疏水基团，因此氢键和疏水作用是主要的凝胶化作用力；而带正电的ＣＳ由于氨基的存在可以强烈地吸引氧化石墨烯片上的负电荷，所以静电吸引力和氢键（ＣＳ中也有大量羟基）是主要的凝胶化力．这种差异导致ＧＯ⁃ＣＳ拥有最强的交联力，这也是凝胶的制备过程中ＣＳ溶液的加入量（８ｍｇ）比ＢＳＡ（６０ｍｇ）和ＤＮＡ（２０ｍｇ）少得多的原因．２􀆰２　生物高分子／氧化石墨烯凝胶的表征图１（ａ）为生物高分子／氧化石墨烯凝胶的形成及对阳离子染料吸附的示意图．如图１（ｂ）所示，将装有凝胶样品的玻璃瓶倒置过来，生物高分子／氧化石墨烯凝胶静止不动，证明其已经凝胶化，而纯氧化石墨烯溶液具有较强的流动性．图１（ｃ）是氧化石墨烯在云母片上进行测试的ＡＦＭ图像，略带一些皱褶的氧化石墨烯单层平均厚度约为０􀆰８３ｎｍ，验证了氧化石墨烯片的单层二维结构．生物高分子作为有效交联剂，通过氢键、范德华力、π⁃π共轭以及其它作用力组装到氧化石墨烯片层上，得到具有一定强度的凝胶．图１（ｅ）、１（ｆ）和１（ｇ）是冻干的凝胶样品内部微观结构的扫描电镜图像，呈现出界限清晰、相互连通的三维多孔网络结构，孔径范围在几微米到几十微米之间，孔壁由堆垛和交联的氧化石墨烯薄片层构成，部分生物高分子与氧化石墨烯片层的相互作用为内部多孔网状结构提供了物理交联点．ＳＥＭ图像中并未发现明显的生物高分子或氧化石墨烯的团聚现象，表明生物高分子链在氧化石墨烯片骨架上是均匀分布的．凝胶中连通的孔隙可以使被吸附分子扩散通过，这对于其在水净化方面的应用起着至关重要的