同步辐射圆二色谱研究氧化石墨烯与腐殖酸的相互作用

周晓艳 汪 冰 陈汉清 王海龙 陶 冶 欧阳宏 丰伟悦

1（中国科学院高能物理研究所 核辐射与核能技术院重点实验室及纳米生物效应与安全性院重点实验室 北京 100049）

2（中国科学院高能物理研究所 北京同步辐射装置 北京 100049）

同步辐射圆二色谱研究氧化石墨烯与腐殖酸的相互作用

周晓艳1汪 冰1陈汉清1王海龙1陶 冶2欧阳宏1丰伟悦1

1（中国科学院高能物理研究所 核辐射与核能技术院重点实验室及纳米生物效应与安全性院重点实验室 北京 100049）

2（中国科学院高能物理研究所 北京同步辐射装置 北京 100049）

应用同步辐射真空紫外圆二色光谱、紫外-可见及红外光谱等技术研究了氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)与腐殖酸(Humic Acid, HA)在水溶液中的相互作用，探讨了不同配比、溶液pH及不同温度条件下GO与HA之间的相互作用对GO在水溶液中形态的影响。研究表明，一定条件下GO在水溶液中显示出圆二色性，其强弱与GO在水溶液中的形态结构有关。HA可通过极性相互作用和π-π相互作用吸附在GO表面，形成GO-HA复合物，改变体系的圆二色性，这种影响与二者的质量比、水环境pH和温度相关。GO-HA与GO相比，厚度增加，分散性提高，圆二色信号降低；GO-HA体系pH值升高和温度降低，有利于GO-HA折叠构象的形成，使得体系的圆二色信号升高。

氧化石墨烯，腐殖酸，相互作用，同步辐射圆二色谱

1 材料与方法

1.1 实验材料和仪器

GO，纯度＞99 wt%，尺寸2–5 μm，购自成都有机化学有限公司；HA购自Alfa Aesar公司；KQ-500DE 型数控超声波清洗器（昆山超声仪器有限公司）；Milli-Q 超纯水仪（Millipore，美国）；pH 计（Sartorius PB-10，德国）；冷冻干燥机（Christ 1-2/LD Plus，德国）；双光束紫外分光光度计（TU-1901，北京普析通用仪器有限公司）；红外光谱仪（Thermo fisher iN10-IZ10，美国）；扫描电子显微镜（Hitachi S-4800，日本）；原子力显微镜（Bruker Dimension EDGE，美国）。

1.2 GO-HA分散液的制备

将GO片状固体超声分散于超纯水中，超声振荡2 h，制成浓度为1 mg.mL−1的分散储备液。将HA溶于超纯水中，磁力搅拌4 h，10 000 rad.min−1离心15 min，去除沉淀，上清液经0.22 μm 滤膜过滤，制成浓度为2 mg.mL−1的HA储备液。取GO分散液1 mL，加入HA储备液，分别配制质量比不同的GO-HA悬浮液，超声分散2 h，10 000 rad.min−1离心30 min，去除游离的HA，将沉淀悬浮于水溶液中，制备成不同配比的GO浓度为0.5 mg.mL−1的GO-HA分散液。

1.3 GO/GO-HA形貌表征

将GO和GO-HA分散液稀释至合适的浓度，超声分散，分别取10 μL稀释后的溶液滴在洁净干燥的硅片和新鲜剥离的云母片上，待干燥后进行SEM和AFM观察。

1.4 UV-Vis吸收光谱表征

取GO水溶液和不同GO/HA质量比的GO-HA复合物分散液，其中GO的浓度均为0.1 mg.mL−1，在200–800 nm波长内测定GO及GO-HA复合物的UV-Vis吸收谱。

1.5 FTIR表征

GO与HA 1:2 (w/w)超声分散2 h，离心30 min (10 000 rad.min−1)，将沉淀冻干。取冻干后的固体以及GO和HA的固体粉末，分别与光谱纯KBr 1:200混匀研磨，压片机压片，在红外光谱仪上进行测定。

1.6 SRCD实验

SRCD实验在北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF) 4B8真空紫外实验线站进行。线站提供波段125–350 nm 的同步辐射光，样品处的光通量为1.0×109s−1，光束经正入射单色仪到达样品池，样品处光斑为2mm×1 mm。采用德国Hellma公司光程1 mm的石英样品池，氧化石墨烯浓度为0.5 mg.mL−1，扫描范围185–350 nm，步长1.0 nm，延迟时间0.1 min，扫描次数3次，除特殊说明外测量温度均为25 °C。实验数据使用CDtools软件处理[14]。

2 结果与讨论

2.1 GO与GO-HA的结构及形貌特征

GO表面及边缘丰富的亲水性含氧官能团，使其在水溶液中具有良好的分散性[15]。由于GO片层厚度接近或仅为单原子层，容易受到pH、温度等化学环境的影响而发生褶皱或折叠[16]。图1为GO与HA作用前后的形貌表征。图1(a)和(b)分别为GO和GO-HA的AFM图及对应的高度曲线，可以看出GO片层的厚度为0.6–0.8 nm，而GO-HA厚度为0.9–2.0 nm，比单独的GO片层高约1.2 nm，表明HA吸附到GO表面。图1(c)和(d)分别为GO和GO-HA扫描电镜照片，可以看出，GO在水溶液中容易形成折叠和卷曲等无规则结构，而当HA吸附到GO表面时，GO-HA表面褶皱的数量、折叠和卷曲的程度降低，主要以大片的平坦的构象存在。

2.2 GO与HA的分子间相互作用分析

图2为GO、HA和GO-HA的红外光谱。从图2中可以看出，GO和HA含有较强的缔合羟基的伸缩振动峰(约3 400 cm−1)。GO和HA在1 730 cm−1、1 620 cm−1、1 380 cm−1和1 070 cm−1处的特征峰分别对应C=O、C=C、C–O的伸缩振动峰，900–600cm−1为芳香环的特征峰[17]，表明GO和HA均含有丰富的C=O、C=C、C–O等官能团。HA红外谱图中各峰强度较高，表明HA的羧基、羰基等含量较高。与GO相比，GO-HA红外谱中1 620 cm−1左右的C=C伸缩振动峰向高波数移动且强度增大，700 cm−1附近的芳香环的特征峰消失，表明GO与HA苯环有π-π相互作用。而GO-HA红外光谱中在1 380 cm−1和1 070 cm−1处的C–O伸缩振动峰向高波数移动，羧基伸缩振动峰减弱，–OH伸缩振动峰增强，表明GO与HA有极性相互作用。

图1 GO (a)和GO-HA (b) AFM照片及高度曲线，GO (c)和GO-HA (d) SEM照片Fig.1 AFM images and height curve of GO (a) and GO-HA (b), typical SEM images of GO (c) and GO-HA (d).

图2 GO、HA、GO-HA的红外光谱图Fig.2 FTIR spectra of GO, HA and GO-HA.

2.3 GO/HA质量比、环境pH和温度对GO-HA相互作用的影响

GO的UV-Vis光谱(图3(a))中表现出了两个特征吸收峰，228 nm处的强吸收峰对应C=C键的π-π*跃迁，300 nm 附近的肩峰对应于C=O键的n→π*跃迁[18]。HA在200 nm附近有强的UV-Vis吸收(图 3(a))。GO与HA作用后，228 nm处UV-Vis吸收增强，且随着HA作用配比的增加，吸光度增大，表明HA与GO发生强π-π相互作用。

手性是自然界的本质属性之一，手性分子或非手性分子通过非共价键作用自组装排列成非对称结构会产生手性[19]。从分子手性到超分子手性，再到纳米手性和宏观体系手性的研究在生命科学、制药、材料科学和催化领域中扮演重要的作用[20]。图3(b)中GO在240 nm左右出现一个较宽的CD信号峰，表明GO在水溶液中具有手性。GO片层和边缘上存在大量的悬键，使得它处于动力学不稳定状态，这些悬键可与邻近的碳原子结合，产生褶皱等微结构，这些褶皱的形成使GO片层的厚度达到0.8 nm，促使其稳定存在。此外，在水环境中，由于受到非共价键作用力，包括氢键、范德华力、静电、疏水和π-π堆叠等作用力的影响，GO在水溶液中能够形成折叠、卷曲等结构[21]。已有研究表明，GO片层表面含氧官能团（包括羟基、羧基、环氧基等）的分布模式、GO片层的卷曲和折叠是GO呈现手性的重要因素[12]。此外，由于GO的两亲性以及较大的宽厚比，使其在水溶液中会通过范德华作用力、静电斥力等自组装成有序的层状结构[13,22]，当层状结构中石墨烯片层之间出现连续的螺旋位错时可形成手性液晶结构[13]，这也是氧化石墨烯手性的来源之一。

水环境中天然有机质(HA)、pH和温度均会影响GO在水溶液中化学形态，改变其旋光特性。从图3(b)可以看出，GO与HA作用后，GO-HA的CD信号明显减弱，这可能是由于吸附在GO表面的HA，使GO的亲水性增强，在水溶液中具有更好的分散性，不易形成褶皱、折叠和卷曲的构象，从而降低CD信号。从图3(c)中可以看出随着水溶液的pH升高，GO-HA的CD信号逐渐升高，这是由于pH升高会使GO上羧基等含氧基团的去质子化程度增强，负电荷增多，静电斥力使带电荷的区域尽可能分离，而未带电荷区域则因范德华力相互靠近，有利于形成亲水基团在外部，而疏水部分被包裹在内部的折叠结构[16]，从而使CD信号升高。

研究表明GO的折叠和卷曲等结构对温度非常敏感[23]。图3(d)可见，与室温条件(25 °C)下相比，GO-HA在4 °C条件下SRCD信号明显增强。温度降低时，GO-HA分子热运动减弱，GO-HA分子内和分子间氢键及范德华作用力增强，有利于卷曲和折叠的结构的形成[16,24]，使手性结构的含量升高，CD信号增强。

图3 GO及不同质量配比GO-HA的UV-Vis吸收谱（插图为HA的UV-Vis吸收谱）(a)和25 °C 时的SRCD谱(b)，GO-HA在25 °C不同pH水溶液中(c)和pH约为5时4 °C、25 °C下的SRCD谱(d)Fig.3 UV-Vis spectra (a) and SRCD spectra at 25 °C (b) of GO and GO-HA complex with different mass ratio of HA to GO (w/w), the inset of (a) is the UV-Vis spectra of HA. SRCD spectra of GO-HA in different pH at 25 °C (c) and in different temperatures at pH about 5 (d).

3 结语

本文利用SRCD、扫描电镜、原子力显微镜及红外和紫外光谱技术，研究了不同配比、pH、温度条件下GO与HA之间的相互作用对其在水溶液中手性结构的影响。研究表明GO在水体系中的结构与腐殖酸的质量比、pH和温度相关。(1) HA主要以极性作用和π-π作用吸附在氧化石墨烯片层上，当GO:HA质量比小于1:2时，氧化石墨烯片层具有较好的分散性，同时，HA的吸附使片层厚度增加，不易形成折叠和卷曲等手性构象，使CD信号下降；(2) 溶液pH值升高使GO-HA上氧化基团的去质子化程度升高，折叠和卷曲程度增大，分子不对称性增加；(3) 温度降低，GO-HA分子内和分子间氢键及范德华作用力增强，有利于GO-HA形成折叠和卷曲结构，CD信号增强。

致谢 感谢中国科学院高能物理研究所北京同步辐射装置(BSRF)4B8真空紫外实验站提供用光机时。

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CLC O641.3, TL99

Study of the interaction between graphene oxide and humic acid by synchrotron radiation circular dichroism spectroscopy

ZHOU Xiaoyan1WANG Bing1CHEN Hanqing1WANG Hailong1TAO Ye2OUYANG Hong1FENG Weiyue1

1(Key Laboratory for Biomedical Effects of Nanomaterials and Nanosafety and Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
2(Beijing Synchrotron Radiation Facility, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Graphene Oxide (GO) is a type of two-dimension carbon nanomaterial with promising environmental application due to its good solubility in water, high absorbability and catalytic activity. Humic Acid (HA) is the main component of Natural Organic Matter (NOM) in water, which could be adsorbed on the surface of GO nanosheets via π-π interaction and then affect the physicochemical properties of GO in aqueous system. Purpose: Investigating the interaction between GO and HA will provide some insights for environmental application of GO. Methods: We employed Synchrotron Radiation Circular Dichroism spectroscopy (SRCD), Ultraviolet-Visible spectroscopy (UV-Vis) and Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR) to explore the interaction between GO and HA under different mass ratio of HA to GO, environmental pH and temperature. Results & Conclusion: UV-Vis spectroscopy of GO-HA showed that the intensity of the absorption peak at 228 nm gradually increased when the mass ratio of HA to GO increased to 4:1 from 1:4 and the FTIR C-O stretching vibration shifted and decreased, indicating the strong π-π interaction and hydrogen bonding between GO and HA. GO showed a broad peak at about 240 nm in SRCD spectra which origin from its surface O-containing functional groups, folding or curl of the nanosheets. SRCD indicated the interaction between GO and HA could change the dispersion behavior of GO and then affect CD activity of GO-HA, depending on the mass ratio of HA to GO, environmental pH and temperature. GO-HA showed higher CD activity with the increased pH and decreased temperature (4 °C) due to the increase of folding state.

Graphene Oxide (GO), Humic Acid (HA), Interaction, Synchrotron Radiation Circular Dichroism spectroscopy (SRCD)

O641.3，TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.030101

石墨烯作为碳纳米材料界的新星近年来广受关注。它是一种由sp2杂化的碳原子构成的二维平面结构材料，每个碳原子有3个σ电子和一个离域的π电子，多个碳原子以六元环结合成平面，离域的π电子形成一个大的π共轭体[1]。石墨烯的比表面积很大，理论比表面积达2 630 m2.g−1，容易吸附环境中的有机污染物及重金属离子等[2]。氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)是石墨经化学氧化及剥离后的产物，内部具有六元碳环组成的“石墨烯岛”，但在表面和边缘存在大量羟基、环氧基、羰基、羧基等含氧基团[3–4]。GO水溶性好，易于改性，具有氧化还原和酸碱催化等性质，已经在水环境治理中展现了广泛的应用前景。研究发现，GO可以吸附去除水中的重金属离子、砷、有机染料、类雌激素和抗生素等环境污染物，是一种非常有前景的水环境污染物吸附剂[5–7]。腐殖酸(Humic Acid, HA)是环境有机质的主要组分，对环境中有机物及金属离子的迁移、转化都起着非常重要的作用[8]。GO可以与水体中的HA通过极性相互作用、π-π作用形成复合物，并影响自身性质[9]。因此，研究GO与水体系中HA复合物的形成及性质将对GO在环境中的应用提供重要的实验依据。

同步辐射圆二色谱(Synchrotron Radiation Circular Dichroism spectroscopy, SRCD)是研究手性分子构象和手性结构的快速、简单、准确的分析方法，可以用于研究分子构型和分子间相互作用[10]。利用SRCD分析技术有助于理解水环境中HA对GO构象的影响以及二者之间相互作用的机制。GO片层中含有多个不同含氧官能团，同时GO容易发生折叠或卷曲，使之形成非对称的手性结构，这些手性结构使其表面的sp2C=C键的π-π*跃迁受到影响，从而显示出圆二色信号[11]。研究表明GO的圆二色谱(Circular Dichroism spectroscopy, CD)信号与其本身的氧化程度有关，一般来说，氧化程度越高，手性结构越多，CD信号越强[12]；盐浓度升高，CD信号减弱[12–13]。因此SRCD还可以提供GO分子所处的化学环境变化的信息，包括石墨烯片层表面的功能化基团、石墨烯的卷曲、折叠和自组装排列等。本文应用SRCD技术结合扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy, SEM)、原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)、紫外可见吸收光谱(Ultraviolet-Visible spectroscopy, UV-Vis)和傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform Infraredspectroscopy, FTIR)，研究了GO与HA的相互作用及影响它们相互作用的环境条件。

科技部国家重点基础研究发展计划项目(No.2011CB933403)、国家自然科学基金(No.11275214、No.11375211)资助

周晓艳，女，1987年出生，2009年毕业于山东大学，现为博士研究生，无机化学专业，主要从事碳纳米材料性质及应用研究工作

汪冰，Email: wangbing@ihep.ac.cn

2014-12-22，

2015-01-19