氧化石墨烯掺杂高内相乳液多孔复合材料的制备及其应用

李先先,阮贵华,张文娟,原华美,杜甫佑

(桂林理工大学 化学与生物工程学院,广西 桂林 541006)

氧化石墨烯(graphene oxide, GO)作为石墨烯的一种衍生物,结构上的诸多含氧功能基团使其具有特异性吸附功能[1-2]。氧化石墨烯复合材料已经广泛应用于毛细管电泳[3-4]、毛细管电色谱[5-7]及液相色谱固定相合成[8-10]，并应用于多环芳烃[11]、不同取代基的苯系物[12]的分离与富集。近年来三维氧化石墨烯材料作为一种良好的环境污染物富集材料备受关注[13-15],但单纯的三维氧化石墨烯结构较松散易碎，耐用程度不够。高内相乳液聚合材料是一种具有三维多孔互通结构的材料,掺杂GO既能够增强复合材料的机械性能,又能够提高复合多孔材料的吸附量,相较于传统材料，可以广泛应用于吸附分离、光催化降解、生物医药等领域。GO的添加有利于光子在材料中的传递,增强了复合材料的光催化性能,Li等[16]通过聚合反应得到GO-PA-CeOx复合材料,吸附罗丹明B后，紫外光照射表明,降解效果明显优于单纯GO吸附剂的降解效果。在生物领域中,由于GO对生物蛋白具有非特异性吸附,容易使吸附后的蛋白发生聚集变性失活,而GO复合材料能够改善这种状况,Chen等[17]制备了FeOOH-PEG-GO复合材料并将其应用于对牛血清白蛋白的吸附,既克服了GO对蛋白的非特性吸附,又提高了吸附量。在吸附染料方面,结合色谱技术样品处理中也具有独特的优势[18-19]。

本文设计通过修饰氧化石墨烯粒子形成稳定的高内相乳液,经热聚合形成氧化石墨烯掺杂型多孔复合材料并应用于苏丹红系列偶氮类染料的分离与富集。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

LC-20A高效液相色谱, 配SIL-20A自动进样器和SPD-M20A 二极管阵列检测器(日本岛津公司), Eclipse Plus C18色谱柱(4.6 mm×250 mm, 5-Micron, Agilent公司), MS3 basic 旋涡振荡器(德国IKA公司), 超声波清洗机(宁波新芝生物科技有限公司), PHS-3C pH计(江苏江分电分析仪器有限公司), DHG-9140A鼓风恒温干燥箱(上海精宏实验设备有限公司), JSM-6380LV 扫描电子显微镜(日本电子株式会社), IS10傅里叶红外光谱分析仪(美国Thermo Fisher), 0.22 μm 有机尼龙滤头(天津博纳艾杰尔科技有限公司), 10 mL离心管。

苏丹红(Sudan)Ⅰ—Ⅳ 标准物质、 二乙烯基苯(DVB)、 丙烯酸异辛酯(EHA)、 过硫酸钾(K2S2O8)、 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、 Span80等均购自上海晶纯试剂有限公司; 天然石墨粉、 硫酸、 高锰酸钾、 硝酸钠、 双氧水、 无水乙醇、 乙酸; 磷酸二氢钠-柠檬酸(NaH2PO3-H3Cit)、 醋酸-醋酸钠(HAc-NaAc)、 柠檬酸钠-柠檬酸(NaH2Cit-H3Cit)等均,乙腈、 甲醇为色谱纯(Dikma公司); 苏丹红Ⅰ—Ⅳ混合标准溶液(1 000 ng/mL)采用色谱纯甲醇配制, 4 ℃保存备用; 实验用水为超纯二次水(电阻率≥18.25 MΩ·cm)。辣椒粉购于桂林市农贸市场。

1.2 氧化石墨烯的合成与修饰

采用改进Hummers法[20]制备GO: 称取2.0 g天然石墨粉及1.0 g NaNO3置于500 mL锥形瓶中, 冰水浴条件下加入46 mL 浓硫酸, 再缓慢加入6.0 g 高锰酸钾, 并严格控制反应温度不超过20 ℃。待高锰酸钾完全溶解后,静置5 min, 转移至35 ℃热水浴,缓慢加入约92 mL 水,升温至90 ℃反应20 min后冷却至室温,加入100 mL水和6 mL双氧水,静置1 h;反应结束后把溶液转入到透析袋中,至溶液呈中性,收集氧化石墨烯(GO), 60 ℃烘干至恒重。实验过程中氧化石墨烯水分散液浓度为5 mg/mL。

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)修饰氧化石墨烯(GO)[21],调整m(PVP)∶m(GO)=20∶3,室温下搅拌24 h进行自组装,后以5 000 r/min离心20 min去除上清液,取下层修饰的GO配置成浓度为5 mg/mL的PVP/GO标准溶液, 4 ℃保存备用。

1.3 氧化石墨烯掺杂高内相多孔复合材料的制备

于10 mL的离心管中依次加入450 μL DVB、450 μL EHA以及300 μL Span80,混合均匀得到油相;另取10 mL离心管依次加入1.0 mL PVP/GO分散液、20 mg K2S2O8、50 mg无水CaCl2、3.9 mL H2O混合均匀得到水相;分多次将水相加入到油相中并经旋涡混合形成稳定的高内相乳液。乳液置于65 ℃恒温烘箱24 h得到石墨烯掺杂多孔材料(PVP/GO-DVB-EHA),分别用无水乙醇和二次水反复洗涤多次,经冷冻干燥至恒重,保存备用。

实验同时制备未掺杂氧化石墨烯多孔材料,除不加PVP/GO分散液外,其余试剂及合成方法均相同。所得材料为DVB-EHA材料。

1.4 染料吸附与解脱

取10 mg多孔复合材料填充到垫有0.22 μm纤维膜的注射器底部, 再以少量玻璃纤维覆盖并压实得到萃取柱, 使用前用甲醇润洗3次。 取2 mL苏丹红标准溶液经注射泵以0.1 mL/min过柱, 收集流出液并定容至2 mL, 过0.22 μm滤膜, 经液相色谱-紫外检测，计算吸附量:

Γ=V×(c0-c1)/m，

(1)

式中，Γ—吸附量, ng/mg;V—苏丹红标准溶液体积, mL;c0—吸附前苏丹红溶液浓度, ng/mL;c1—吸附后苏丹红溶液浓度, ng/mL；m—多孔复合材料质量, 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,除去干扰物质,然后以5 mL解脱剂经注射泵以0.1 mL/min进行解脱,收集解脱液并定容至5 mL,过0.22 μm滤膜,检测滤液并计算解脱率：

θe=Γe/Γ×100%，

(2)

其中，θe—解脱率，%；Γe—解脱所得到苏丹红的量，ng/mg。

1.5 实际样品分析

称取1.0 g辣椒粉于50 mL烧杯中,加入20 mL乙腈,超声萃取15 min,5 000 r/min离心15 min,提取上层清液；另取10 mL提取液加入100 ng苏丹红作为加标样液,相当于辣椒中苏丹红的含量为0.2 mg/kg;分别取1 mL辣椒提取液和加标样液,按1.4节所述步骤进行吸附与解脱，以及检测计算。

1.6 色谱分析

流动相A为0. 1% 乙酸(V/V)二次水溶液; 流动相B为乙腈; 流速1.0 mL/min; 进样量; 10 μL; 柱温30 ℃; 洗脱条件为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; 检测波长478 nm (SudanⅠ,Ⅱ), 520 nm (Sudan Ⅲ,Ⅳ)。

2 结果与讨论

2.1 乳液单体配比的选择

选择合适的内相比, 有利于形成稳定的高内相乳液[22-23], 且对复合材料的结构具有重要影响, 对于W/O型乳液, 具有亲水性的GO含量高低直接影响乳液的稳定与否[24]。 实验发现,当PVP/GO的浓度为5 mg/mL时, 内相比为80%的乳液最稳定, 增加内相比(85%)导致乳液中存在不均匀液滴, 而降低内相比(75%)则难以形成稳定乳液, 静置24 h后乳液容易出现油水分层, 因此本研究选择内相比为80%。 另外, 油相中DVB和EHA单体比例对乳液形成也具有影响,只有在EHA与DVB配比(V/V)为1∶1时,才能得到稳定存在的高内相乳液体系,因此本实验选用此比例。

2.2 复合材料表征及结构分析

DVB-EHA材料和PVP/GO-DVB-EHA材料的SEM图如图2所示。图2a中DVB-EHA材料内壁光滑平整,且孔洞大小不一,孔与孔之间彼此连通,这种互通结构有利于物质传递。图2b中由于掺杂GO使得孔壁粗糙多褶皱,且材料的导电性增强,证明石墨烯成功附着于材料内壁。 通过BET(比表面积)数据对比, PVP/GO-DVB-EHA材料的比表面积为23.66 m2/g, DVB-EHA材料的比表面积为12.22 m2/g, 比表面积明显增大。

图1 多孔复合材料的红外光谱Fig.1 FT-IR spectra of porous composites

2.3 吸附及解脱溶剂的选择

由于溶剂的极性是影响材料吸附和解脱的重要因素, 分别以甲醇(methanol)、 乙腈(acetonitrlle)、 丙酮(acetone)和甲苯(toluene)为溶剂介质, 研究溶剂对PVP/GO-DVB-EHA材料吸附及解脱SudanⅠ—Ⅳ的影响。 由图3a可知，甲醇溶剂最有利于材料对染料的吸附, 其吸附量分别为304.23、 328.09、 371.43 和382.80 ng/mg。 在解脱过程中, 以甲苯为解脱剂, 更有利于染料的解脱, 如图3b所示, 解脱率分别为94.54%、 92.56%、 89.09%和86.26%, 从而实现了对染料的良好吸附与分离。

图2 DVB-EHA(a)和PVP/GO-DVB-EHA(b)的扫描电镜图Fig.2 SEM images of porous composite DVB-EHA(a)and PVP/GO-DVB-EHA(b)

图3 溶剂介质对吸附与解脱的影响Fig.3 Solvent effect on adsorption and elution

2.4 流速对吸附与解脱的影响

溶剂流速是影响动态吸附与解脱的重要因素[25]。在以上最佳条件下,分别考察流速为0.1、0.5、1.0和2.0 mL/min时材料对苏丹红吸附与解脱影响。图4a表明,流速越小越有利于吸附,染料所带苯环数越多,越易吸附,流速为0.1 mL/min时,材料对染料的吸附量最大。 解脱时, 当流速为0.1 mL/min, 苏丹红染料解脱率均最大, 其解脱率随流速增大而急剧减小(图4b),说明低流速有利于染料的吸附与解脱。

2.5 吸附平衡时间与温度的选择研究

流速0.1 mL/min不同温度下PVP/GO-DVB-EHA对SudanⅠ—Ⅳ的吸附情况如图5所示。5 ℃时吸附斜率小, 表明吸附慢, 40 ℃的斜率均大于5 ℃和25 ℃的吸附斜率, 但在高温条件下溶剂易挥发,影响检测结果, 因此吸附温度选取25 ℃。

图4 流速对复合材料吸附与洗脱苏丹红影响Fig.4 Flow rate effect on the composite adsorption and elution of sudan dyes

图5 温度对吸附量的影响Fig.5 Temperature effect on adsorption

在此温度下, 10 min后材料对苏丹红吸附趋于饱和。

2.6 pH对吸附及解脱性能影响

研究pH值对材料的吸附及解脱影响, 分别测定PVP/GO-DVB-EHA对Sudan Ⅰ—Ⅳ的吸附和解脱。 结果表明, 在Na2HPO3-H3Cit体系的吸附量均大于其他两个缓冲溶液体系(图6a)； 在不同pH值的Na2HPO3-H3Cit体系中, SudanⅠ—Ⅳ的吸附量随着pH值增大先增大后减小; 当pH=6, 其吸附量最大(图6b)。 对于解脱率, pH=4时, 解脱率最大。 在酸性条件下, 苏丹红更容易被解脱, 不含有甲基的SudanⅠ和Sudan Ⅲ的空间位阻较小, 容易通过多孔材料, 容易解脱, 因此解脱率大于同苯环数的Sudan Ⅱ和Sudan Ⅳ(图6c)。

以甲醇溶剂为介质, 调节pH=6, 通过PVP/GO-DVB-EHA与DVB-EHA的吸附量对比(图7)发现, PVP/GO-DVB-EHA对 Sudan Ⅰ—Ⅳ的吸附量均大于DVB-EHA的吸附量。相较其他的固相微萃取材料[26]、分子印迹聚合物[27-28],PVP/GO-DVB-EHA对苏丹红的吸附量较大,具有明显的优势。

2.7 多孔复合材料的实际应用

在最优实验条件下,按照1.5节实验步骤,液相色谱分析结果如图8所示, PVP/GO-DVB-EHA对辣椒粉中的SudanⅠ—Ⅳ具有较好的吸附效果,通过检测吸附后的残液,发现材料对苏丹红有较好吸附,同时可有效避免辣椒粉中其他组分对分离测定的干扰(图8d)。对吸附柱进行解脱后发现，4种苏丹染料的解脱率可达89.24%、88.48%、92.35%和90.67%，加标回收率介于73.38%～92.63%,满足辣椒粉中SudanⅠ—Ⅳ的分离与测定要求。

3 结 论

成功制备出一种氧化石墨烯掺杂高内相乳液多孔复合材料。 该多孔复合材料具有易制备, 多孔互通,结构稳定的特点,且GO能够与复合材料牢固结合, 不易脱落, 明显提高了多孔复合材料的吸附量。对苏丹红系列染料的吸附和解脱试验研究表明GO掺杂多孔复合材料可成功应用于SudanⅠ—Ⅳ的快速分离与测定。不同染料的吸附率,解脱率以及加标回收率均满足分析要求。该材料的成功制备为石墨烯基多孔材料在复杂体系的分离分析应用提供了可能。

图7 复合材料对苏丹红的吸附附情况Fig.7 Adsorption of Sudan red by composite materials

图8 液相色谱分析Fig.8 Liquid chromatogrophy analysisa—辣椒提取液液相色谱；b—辣椒加标样液液相色谱；c—辣椒加标吸附后液相色谱；d—10%乙腈溶液清洗后,甲苯解脱后液相色谱图;1—4为苏丹Ⅰ—Ⅳ的色谱峰

图6 缓冲体系对吸附与洗脱率的影响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： “-”表中未检出。