金纳米粒子/壳聚糖/石墨烯纳米复合材料的制备及其生物相溶性

郭玉玮， 徐金玲， 程春萍

(1. 包头师范学院 化学学院，内蒙古 包头 014030；2. 苏州科技学院 化学与生物工程学院，江苏 苏州 215009)

在石墨烯(GNS)中，碳原子之间彼此以sp2杂化轨道相互连接，排列成单原子蜂窝状晶体薄片[1]。具有独特二维结构的GNS拥有众多优异的特性，例如高导电性、高机械强度和高电子传输速率等。然而，GNS中每个碳原子(四个价电子)都贡献一个未成键π电子，这些π电子在与平面垂直的方向形成离域π轨道，致使GNS片之间存在着较强的分子间范德华作用力和π-π堆积效应，容易发生不可逆的团聚[2,3]。如何防止其不可逆的团聚，并实现其在不同介质中良好的分散，已经引起研究者的广泛关注。

本文利用壳聚糖(CTS)的氨基对GNS进行表面改性制得石墨烯基纳米复合材料(E)；利用E中CTS对金纳米粒子(Au)良好的保护作用，在E的表面固载Au制备了Au/CTS/GNS纳米复合材料(F)。 E和F的结构经UV-Vis， FT-IR表征。并用Zeta电位，XRD和TEM对F的性质进行了研究。

1 实验部分

1．1 仪器与试剂

L35-900型紫外可见光谱仪(UV-Vis)； Spectrum One型红外光谱仪(KBr压片)；纳米粒度及Zeta电位分析仪。

CTS，对氨基苯甲酸和98%1-(3-二甲胺丙基)-3-乙基碳二酰亚胺盐酸盐(EDC·HCl)，国药集团化学试剂有限公司；0.5 μm高纯石墨，青岛希尤精细石墨化工有限公司；1 mg·mL-1氧化石墨烯分散液(GO)，自制;其余所用试剂均为分析纯。

1．2 制备

(1) GNS的制备

在反应瓶中加入GO分散液75 mL，用5%Na2CO3溶液调至pH 9～10。加入60 mg·mL-1NaBH4溶液15 mL，搅拌下于80 ℃反应1 h。离心分离，沉淀用去离子水洗涤后分散于75 mL水中制得部分还原的石墨烯(GNS′)分散闪液，冷却至5 ℃以下备用。

(2) E的制备

冰浴(5 ℃以下)冷却，在反应瓶中依次加入去离子水100 mL，对胺基苯甲酸0.51 g(3.7 mmol)和浓盐酸1.4 mL，搅拌下滴加18 mg·mL-1NaNO2溶液14.4 mL(376 mmol)，滴毕，于室温反应30 min～60 min制得对氨基苯甲酸重氮盐溶液。加入GNS′分散液,搅拌下于5 ℃反应2 h;于25 ℃反应10 h。离心(16 000 rpm/30 min)分离，沉淀用去离子水洗至上清液无色后再洗三次得苯甲酸修饰的苯甲酸-g-GNS′，将其分散于水(75 mL)中。加入NH2NH2·H2O 2.25 mL，搅拌下回流(100 ℃)反应24 h(GNS′被完全完全还原为GNS)。离心(16 000 rpm/30 min)分离，沉淀用蒸馏水洗涤得苯甲酸羧酸化的GNS(B)，将其分散在水(75 mL)中(1 mg·mL-1)制得B分散液。

在反应瓶中加入B分散液40 mL，用10%盐酸20 mL酸化30 min。离心分离，沉淀用稀盐酸(100 mL)分散。加入EDC·HCl 152 mg(0.793 mmol)，搅拌下于室温反应12 h。用0.22 μm水膜抽滤，滤饼用1%醋酸(200 mL)洗涤多次，分散在1%醋酸(80 mL)中制得E的醋酸分散液(0.5 mg·mL-1)。

(3) F的制备

在单口烧瓶中加入E分散液4 mL和48.56 mmol·L-1HAuCl450 μL ，于室温搅拌2 h使其充分混合;于4 ℃缓慢滴加10 mmol·L-1NaBH4溶液0.346 mL，滴毕，于室温反应30 min。离心(8 000 rpm/5 min)分离，沉淀用1%醋酸洗涤得酒红色固体F。

2 结果与讨论

2．1 表征

(1) IR

ν/cm-1图 1 GO， B， CTS和E的IR谱图Figure 1 IR spectra of GO， B， CTS and E

(2) UV-Vis

图2为GO， E和F的UV-Vis谱图。由图2可见，GO的特征吸收峰在230 nm，当经过还原并修饰CTS后,其特征峰红移到265 nm左右。这是由于经过还原处理恢复了碳结构的部分π-π共轭体系，因而发生了红移现象。E和F，两者在265 nm处都有吸收，显示在修饰Au后并未影响石墨烯的共轭结构，且F在531 nm处多了一个金纳米粒子的特征吸收峰，这也验证了Au固载于E的表面,成功地制得F。

λ/nm图 2 GO, E和F的UV-Vis谱图Figure 2 UV-Vis spectra of GO, E and F

2．2 性能

(1) 分散Zeta电位

0.5 mg·mL-1E的1%醋酸分散液的Zeta电位图见图3。由图3可见，E的Zeta电位值为-32 mV；并测得F的1%盐酸分散液的Zeta电位值为22 mV。两者Zeta电位值之间的巨大差异也表明了CTS已经成功的修饰到了羧酸化的石墨烯上。

Zeta potential/mV图 3 E的Zeta电位图*Figure 3 Zeta potential spectra of E*0.5 mg·mL-1E的1%醋酸分散液

(2) 颜色对比

实验发现GO的水分散液为棕褐色，GNS由于范德华作用而堆积沉淀在瓶底为黑色,E可以很好地分散在1%醋酸中，呈现黑色；F也可以很好地分散在1%醋酸中，液体略带金纳米的酒红色。分散液在颜色上的差异，也证明合成了E和F。

(3) TEM照片

图4为E和F的TEM照片。从图4可见，E为丝绸状的形貌，且由于表面作用而分布有若干褶皱，这些特征都是石墨烯片具有的特征[5]。由此可以大致推测所合成的E很少有团聚现象并维持了其在水中的较好的分散。从F的TEM照片中观察到金纳米粒子较均匀的分布在纳米片上，只有极少数纳米粒子超过了20 nm，粒径大约位于20 nm～40 nm。纳米片虽然由于固载了金纳米的缘故，变的比较平整，但依然可以观察到F有很低的反衬度并且具有丝绸状的褶皱，这些特征都是石墨烯纳米复合物具有的特征，由此可以大致看出合成的F没有不可逆的团聚，在水中也有良好的分散。

图 4 E和F的TEM照片Figure 4 TEM pictures of E and F

(4) XRD

图5为E和F的XRD谱图。从图5可见，E在22.43°出现了石墨的002晶面衍射峰，但是其峰形较宽且峰的强度较弱，显示CTS的存在对石墨的结晶程度产生了一定的影响[6]。分析F的XRD曲线，将其与PDF #65-2870标准卡片对照比较可以看出，固载在F上的金纳米粒子具有立方晶系的特征峰，衍射峰38.3°为Au(111)晶面，44.5°为Au(200)晶面，64.7°为Au(220)晶面，77.7°为Au(311)晶面，81.8°为Au(222)的晶面。由此可以推测CTS保护的金纳米粒子在石墨烯上具有很好的晶形结构。然而石墨(002)的衍射峰变的更加不明显，几乎消失成为很小的包状，这也说明E固载了金纳米粒子后进一步破坏了有序的石墨的晶形结构。文献[7，8]报道，如果石墨或石墨氧化物的有序的结构遭到破坏，那么(002)晶面衍射峰就会减弱甚至消失。

2θ/(°)图 5 E和F的XRD谱图Figure 5 XRD spectra of E and F

3 结论

石墨烯基纳米复合材料作为纳米复合材料领域的后起之秀，一直受到该领域研究者的广泛关注，其拥有的诸多物理化学性质还需要进一步研究。本文巧妙的利用壳聚糖链上的氨基官能团对石墨烯进行表面改性，获得的石墨烯基纳米复合物具有良好的水分散性;进而利用壳聚糖对金纳米粒子具有良好的保护作用这一性质，制备了Au/CHIT/GNS复合物,研究结果表明,Au/CHIT/GNS复合物不仅具有良好的生物相容性，而且具有较好的导电性能，因此这种新颖的纳米复合材料为氧化还原蛋白质和酶在生物传感器领域的应用提供了一个很好的载体，并且为生物燃料电池、传感器，生物电化学器件等方面的研究带来了新的契机。

[1] 张中太. 纳米材料及其技术的应用前景[J].材料工程,2000,3:461.

[2] 何建军，龙小兵. 金属纳米粒子研究进展[J].稀有金属与硬质合金,2003,31:45-50.

[3] 魏建红，官建国，袁润章. 金属纳米粒子的制备与应用[J].武汉理工大学学报,2001,23:1-4.

[4] Massey V， Swoboda B E P. Purification and properties of the glucose oxidase from aspergillus niger[J].The Journal of Biological Chemistry,1965,240(5):2209-2215.

[5] Jiang H J, Zhao Y, Yang H,etal. Synthesis and electrochemical properties of single-walled carbon nanotube-gold nanoparticle composites[J].Materials Chemistry and Physics,2009,114(2-3):879-883

[6] Lomeda J R, Doyle C D, Kosynkin D V,etal. Diazonium functionalization of surfactant-wrapped chemically converted graphene sheets[J].Journal of the American Chemical Society,2008,130(48):16201-16206.

[7] Samulski E T, Si Y. Exfoliated graphene separated by platinum nanoparticles[J].Chemistry of Materials,2008,20(21):6792-6797.

[8] Dupont J, Spencer J. On the noninnocent nature of 1,3-dialkylimidazolium ionic liquids[J].Angewandte Chemie International Edition,2004,43:5296-5297.