NaCl对琼脂糖凝胶电泳法分离单壁碳纳米管的影响

温晓南 张 静 顾文秀 金赫华 李红波 李清文,*

(1江南大学化学与材料工程学院,江苏无锡 214122; 2中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,江苏苏州 215125)

NaCl对琼脂糖凝胶电泳法分离单壁碳纳米管的影响

温晓南1,2张 静1,2顾文秀1,*金赫华2李红波2李清文2,*

(1江南大学化学与材料工程学院,江苏无锡 214122;2中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,江苏苏州 215125)

如何获得单一导电属性的单壁碳纳米管(SWCNT),使其在各领域得到更广泛的应用,引起了科研人员越来越多的关注.琼脂糖凝胶电泳(AGE)法以其简便,低成本,可规模化等优点在分离金属型(m-)和半导体型(s-)单壁碳纳米管的诸多分离方法中体现出独特的优势.本文利用紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)吸收光谱分析手段,系统研究了NaCl的添加对AGE法分离SWCNT的影响.研究发现NaCl的添加对SWCNT的分离有一定的影响:当NaCl添加量低于70 mmol·L-1时,可以提高分离后体系中s-SWCNT的相对含量;当NaCl添加量高于70 mmol·L-1时,随着添加量的增加,NaCl的加入开始抑制m-SWCNT和s-SWCNT的有效分离;当NaCl添加量达到160 mmol·L-1时体系分离效率明显降低.我们推测这种影响主要是由盐的添加改变了分散剂在m-SWCNT和s-SWCNT表面的吸附结构引起的.

单壁碳纳米管; 琼脂糖凝胶电泳; 紫外-可见-近红外吸收光谱; 分离;NaCl

1993年,NEC基础研究所的Iijima[1]与IBM公司的 Bethune[2]等人同时报道发现了单壁碳纳米管(SWCNT),使得碳纳米管的研究取得新突破. SWCNT以其独特的结构,特殊的电学性质和超强的力学性能,在光电子器件[3],复合材料[4],储氢材料[5],化学和生物传感器[6-7]等方面显示出良好的应用前景.然而,现有的制备方法生产出的SWCNT均为各种手性和管径的金属型(m-)和半导体型(s-)碳纳米管的混合物,这极大地限制了SWCNT在光电器件等领域的应用.因此,近几年来,m-和s-SWCNT的分离已成为此领域的研究热点之一.科研人员利用等离子体化学气相沉积法[8],电泳法[9],超高速离心法[10-13]等多种手段实现了m-SWCNT和s-SWCNT的分离.

琼脂糖凝胶电泳(AGE)技术广泛用于生物中DNA[14]的分离,由于由离子型表面活性剂分散的SWCNT与DNA在尺寸、结构性质等方面有许多相似之处,Tanaka研究组[15]创造性地将其用于 m-SWCNT和s-SWCNT的有效分离.此法简便快速,成本低,在可规模化、可连续性分离方面具有一定的优势.他们的研究结果表明,AGE技术对SWCNT的分离非常依赖于分散剂的种类以及凝胶体系的选择.其中由十二烷基硫酸钠(SDS)分散的SWCNT表现出最好的分离结果.他们推测由SDS分散的s-和m-SWCNT与琼脂糖凝胶间的作用力存在很大差异:s-SWCNT表面吸附了较少的SDS分子从而与琼脂糖之间具有较大的亲和力,而m-SWCNT吸附的SDS分子相对较多,与琼脂糖的作用力相对较弱.因而在电场力作用下,表面带有大量负电荷的m-SWCNT很容易摆脱琼脂糖凝胶的束缚而发生迁移,s-SWCNT则与琼脂糖牢固结合不易移动,从而实现m-和s-SWCNT的分离.

但是AGE法分离m-和s-SWCNT也存在分离纯度不高以及难以手性分离等缺点.如上所述,可以看出表面活性剂在SWCNT表面上的吸附性质对AGE分离m-和s-SWCNT具有很重要的作用.因此,我们推测通过调制SDS在SWCNT表面上吸附性质可以提高AGE法分离SWCNT的分离纯度.以往的研究显示:无机盐类对表面活性剂溶液的体系相态、表面张力及流变等性质有着很重要的影响,比如调节无机盐的浓度会影响胶束的形成过程及胶束形态,从而改变溶液体系的临界胶束浓度(cmc)[16-17].因此,通过UV-Vis-NIR光谱表征,我们重点考察了常见无机盐类NaCl的添加对AGE法分离m-和s-SWCNT的影响.此项研究对提高此法的分离效率以及探索其分离机制具有积极意义.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

纯化后的Hipco单壁碳纳米管(美国Carbon Nanotechnologies公司);十二烷基硫酸钠(SDS,纯度≥99%,美国Sigma-Aldrich公司);NaCl(含量≥99.5%),三(羟甲基)氨基甲烷(Tris,含量≥99.0%)及硼酸(H3BO3,含量≥99.5%),均为国药集团化学试剂有限公司产品;琼脂糖(Agarose粉末,日本Nacalai公司);所有溶液均用二次去离子水配制.

超声波细胞破碎仪(XL-2000,美国Misonix公司),凝胶电泳设备(AE-6540,日本Atto公司),多功能台式高速离心机(Allegra X-22R,美国BECKMAN COULTER有限公司),紫外-可见-近红外分光光度计(Lambda 950,美国PerkinElmer公司).Zeta电位分析仪(ZetaPALS/90plus,美国Brookhaven仪器公司)

1.2 实验过程

1.2.1 SWCNT分散液的制备

准确称取1.2 mg SWCNT置于玻璃瓶中,加入质量分数(w)为1%SDS水溶液4 mL配成0.3 mg· mL-1SWCNT溶液,超声功率40 W条件下超声2 h后,在14757 r·min-1转速下离心4 h,吸取离心上层清液作为SWCNT分离前的分散原液待用.

1.2.2 琼脂糖凝胶电泳前期准备

在室温下用50 mmol·L-1的三(羟甲基)氨基甲烷和48.5 mmol·L-1硼酸配制成×10 TB缓冲溶液,然后用×1 TB缓冲液,质量分数0.2%SDS水溶液和0.4%琼脂糖混合加热融化配制成琼脂糖溶液,注入电泳玻璃管经冷却固化后作为电泳分离柱.

1.2.3 琼脂糖凝胶电泳

吸取SWCNT分散原液300 μL,添加已配制的2 mol·L-1NaCl溶液使各样品中NaCl浓度分别为0,40、70、100、130和160 mmol·L-1.摇晃样品,静置1 h.将各样品与加热融化的质量分数为0.8%琼脂糖水溶液等体积混合,在热熔状态下快速注入到玻璃管作为样品柱.静置30 min,待样品重新结成凝胶状后,取出样品置于电泳分离柱上方,与电泳分离柱中0.4%的琼脂糖(已凝固)对接,在电泳槽上安装并添加电泳液(×1 TB缓冲溶液中加入质量分数0.2%的SDS),在恒定50 V电压条件下电泳40 min.

1.2.4 吸收光谱测定

吸取SDS-SWCNT分散原液,NaCl-SWCNTSDS电泳前原液和电泳后上、下层凝胶各100 μL,用900 μL质量分数1%的SDS水溶液稀释,加热融化凝胶制成测试样品.以1%SDS溶液为空白样品,测量波长400-1300 nm范围内的吸收光谱.

1.2.5 Zeta电位测定

预热zeta电位仪15 min,取SDS-SWCNT分散原液,各NaCl添加浓度下的分离前原液各2 mL放入样品池,浸没电极,即可测得zeta电位值.

2 结果与讨论

2.1 琼脂糖凝胶电泳分离SWCNT

图1是用于本实验的琼脂糖凝胶电泳装置及电泳分离SWCNT前后的照片.从图中可以看出,在电场力的作用下,40 min后,一部分SWCNT保留在初始凝胶中,一部分则从初始样品柱凝胶中向下(正极)移动,最终分成颜色不同的上下两段凝胶.在下面的研究工作中我们对分离后的上、下层凝胶进行吸收光谱测试(见图2),确定上层凝胶中富集了s-SWCNT,下层凝胶中富集了m-SWCNT,表明AGE法能够成功分离SWCNT.

2.2 吸收光谱

吸收光谱常被用于SWCNT的定性以及定量分析[18-19].我们用M和S分别表示m-SWCNT和s-SWCNT的特征吸收带.对于Hipco SWCNT,其吸收光谱在440-670 nm(在504、556和597 nm处的吸收)的波长范围是m-SWCNT的第一带隙电子跃迁光谱带(M11),670-870 nm(在653、737和810 nm处的吸收)则对应s-SWCNT的第二带隙电子跃迁谱带(S22),870-1600 nm则是s-SWCNT的第一带隙电子跃迁谱带(S11)[20-21].我们分别测定了SWCNT的原始分散液及其分离后上下层凝胶的吸收光谱,如图2所示.与分离前原始分散液相比,上层凝胶的M11金属峰强度略有减弱,S22和S11的半导体峰强度明显增强;下层凝胶则正好相反,M11金属峰强度显著增加,而S22和S11的强度相对减弱.这说明,电泳分离后上层凝胶中的s-SWCNT所占比例明显增加,而下层凝胶中m-SWCNT的含量也相对提高,由此可以确定m-SWCNT和s-SWCNT实现了一定程度的分离.

通过对M11和S22吸收带中所含吸收峰的积分面积来估算m-SWCNT和s-SWCNT分离后分别在上、下层凝胶中的相对含量[22].计算过程中对各吸收光谱结果均采用相同的分峰方法,并考虑了可能对结果造成影响的基线选取误差.这样由图2计算得出Hipco原始分散液中m-SWCNT和s-SWCNT的相对含量分别为(19.56±0.21)%和(79.44±0.26)%,经AGE分离后下层凝胶中的m-SWCNT含量提高到约(53.11±0.23)%,上层凝胶中s-SWCNT含量则达到(88.87±0.17)%.UV-Vis-NIR光谱测试结果表明,在电场的作用下,m-SWCNT能够脱离琼脂糖束缚而向下(正极)移动,最终实现与s-SWCNT的分离.

2.3 NaCl-SDS-SWCNT体系的琼脂糖凝胶电泳

我们考察了在SDS质量分数为1%,NaCl浓度分别为 40、70、100、130和 160 mmol·L-1时的SWCNT凝胶电泳情况.如图3所示,无论NaCl的添加量是40还是160 mmol·L-1,初始凝胶中的部分SWCNT均能在电场力的作用下向正极迁移,并且不同NaCl添加量下SWCNT的迁移速率存在明显的差异.随着NaCl添加量的增加,SWCNT的迁移速率逐渐变慢.在电泳实验中,带电颗粒在电场中的迁移速率主要受两个因素的影响:一是颗粒本身的电荷密度,电荷密度越高,迁移速率越快.二是颗粒的尺寸,尺寸越大,迁移速率越慢.对于琼脂糖凝胶体系来说,Strano等人[23-24]认为颗粒的移动速度与粒子的带电量和尺寸效应密切相关.在他们的实验中由胆酸钠(sodium cholate)分散的SWCNT,经过不同超声时间后电泳移动速度是不同的.他们认为不同的碳管长度分布是造成这一现象的主要原因.我们的分离体系是建立在同一超声时间下的SWCNT分散液,碳管长度效应对迁移速率的影响可以忽略.所以图3中所表现出的电泳迁移速率的差异可能是由于SWCNT表面吸附的SDS所带电荷不同引起的.

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

在胶体科学中,Zeta电势的大小反映了胶粒的带电程度.Zeta电势越高,表明胶粒的带电量越多.因此,为了证实电泳迁移速度与胶粒带电量有关,我们对不同NaCl添加量下(0,40,70,100,130,160 mmol·L-1)的SWCNT原始分散液进行了zeta电位测试,结果见表1.

由表1可以看出,当NaCl被引入体系后,其与表面活性剂具有相同的Na+,介质中反离子浓度增大,将压缩扩散层使其变薄,把更多的Na+挤进滑动面以内,使zeta电位在数值上变小,颗粒带电量降低.随着NaCl添加量的不断增加,碳纳米管表面聚集的SDS分子越来越多,导致碳管表面的SDS胶束的数量不断增加,体积不断增大[25-26],这样其zeta电位又略有增加.因此,在胶束尺寸增大以及表面电荷降低的双重作用下,碳管的迁移速率逐渐变慢.

2.4 NaCl-SDS-SWCNT体系的UV-Vis-NIR光谱分析

为了进一步分析NaCl的添加量对SDS-SWCNT体系分离的影响,对电泳分离前后的凝胶样品进行了UV-Vis-NIR测试分析.图4(a)和4(b)分别为NaCl添加浓度为40、70、100、130和160 mmol·L-1时上、下层凝胶的吸收光谱图.从图中可以看出,与分离前原始分散液相比,上层凝胶在M11吸收带相应金属峰强度降低,S22和S11吸收带的相应半导体峰的强度增加.下层凝胶情况则与之相反.这表明在本实验所采用的NaCl添加浓度范围内,可以实现对SWCNT的分离.

对于上层凝胶中的s-SWCNT来说，通过对其吸收光谱中S22和M11积分面积的计算,得到了不同NaCl添加量(0-160 mmol·L-1)下s-SWCNT的相对含量分别为(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)%.我们以s-SWCNT的相对含量为因变量, NaCl的添加浓度为自变量,绘制两者的关系曲线(见图5).如图5所示,NaCl添加量在70 mmol·L-1以前,随着NaCl的增加,体系中s-SWCNT的含量呈上升趋势,当添加至70 mmol·L-1时达到最高;继续增加NaCl添加量,s-SWCNT的含量开始逐渐下降;当NaCl浓度达到160 mmol·L-1时,分离后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离心法分离SWCNT的工作中也发现了类似的现象,在添加一定量的盐时可以提高碳纳米管的分离效率.他们认为:具有高的极化率m-SWCNT表面更容易吸附SDS分子,而s-SWCNT极化率低使其表面吸附SDS分子相对困难,并且盐的添加在一定程度上扩大了SDS在m-和s-SWCNT上的堆积密度的差异,从而导致了在一定程度上的分离效率的提高.因此,我们推测:在AGE法分离m-和s-SWCNT的体系中SDS在m-和s-SWCNT表面吸附性质的差异是其分离的的关键因素.在NaCl的添加量相对较少时,NaCl的加入可能增大m-SWCNT和s-SWCNT表面SDS分子堆积密度的差异,从而促进体系分离.随着NaCl添加浓度继续增大,大量游离的SDS分子继续向碳纳米管表面聚集,s-SWCNT和m-SWCNT的表面上都吸附了更多的SDS分子,它们之间的堆积密度差异越来越小,分离效率急剧下降.

3 结 论

本文研究了NaCl的添加对AGE法分离SWCNT的影响.研究结果显示:不同的NaCl添加量会对m-SWCNT的电泳迁移速率产生影响,并使分离后s-SWCNT的相对含量呈现规律性变化.当NaCl添加量低于70 mmol·L-1时对m-SWCNT和s-SWCNT的分离有一定的促进作用,在70 mmol· L-1时s-SWCNT的分离效率最高;继续添加NaCl, s-SWCNT的分离效率则明显降低.我们猜测这主要是由于NaCl的加入改变了SDS分子在碳管表面的吸附性质及胶束结构,进而影响了碳纳米管的分离.本文为实现高效分离SWCNT提供了一定的参考,同时对进一步阐明SWCNT的分离机制有一定的积极意义.

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).

国家自然科学基金(20903069)资助项目

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