γ-氨基丁酸修飾氧化石墨烯的合成及其應(yīng)用

魯莉華， 王 輝， 趙艷芳

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)院，山東青島 266109）

0 引 言

儀器分析實驗對于我?；瘜W(xué)、化工和制藥類專業(yè)學(xué)生是一門獨立的必修課程，其目的是使學(xué)生掌握并理解各種儀器分析檢測的基本原理和操作方法，它是一門應(yīng)用很廣泛的實踐性課程［1-3］。在以往的教學(xué)中，大部分實驗都是簡單的操作性實驗，學(xué)生按部就班地做實驗，最后得到一堆枯燥的數(shù)據(jù)，這大大降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致他們不能完全掌握儀器分析實驗的關(guān)鍵知識點。為了提高儀器分析實驗的教學(xué)效率，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，推動學(xué)生的創(chuàng)新意識和解決問題的能力，將教師科研內(nèi)容與儀器分析實驗教學(xué)相融合，為儀器分析實驗教學(xué)設(shè)計了一例研究型綜合實驗［4］。實驗選擇氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）為原料，首先對GO進(jìn)行修飾改性，使其具備識別Cu2＋的能力。然后對改性后的GO進(jìn)行結(jié)構(gòu)和光物理性質(zhì)表征。最后用合成的改性GO檢測水溶液中的Cu2＋。教師在整個實驗過程中，扮演領(lǐng)路人的角色，所有實驗的推進(jìn)與操作都由學(xué)生自主完成。本實驗注重學(xué)科的交叉與融合，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)與探究的主觀能動性。該實驗不僅讓學(xué)生們?nèi)跁炌宋墨I(xiàn)檢索、有機(jī)化學(xué)、材料化學(xué)、分析化學(xué)和儀器分析實驗，而且培養(yǎng)了他們的研究素養(yǎng)、合作意識和創(chuàng)新能力。

1 實驗依據(jù)

Cu2＋是有機(jī)體中一種元素，它與人類的身體健康緊密相連。高濃度的Cu2＋能引起器官組織的嚴(yán)重?fù)p傷，導(dǎo)致各類疾病，比如肝硬化腹水和神經(jīng)退行性病變［5-6］。此外，在工業(yè)中，過度使用或濫用Cu2＋會產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染問題［7］。GO的表面含有很多含氧基團(tuán)，比如羧基、羥基和環(huán)氧基，這些基團(tuán)很容易引起局域電子空穴對的非輻射復(fù)合，所以GO的熒光發(fā)射效率非常低［8-9］。如果通過改性修飾的方法抑制GO的非輻射復(fù)合，它就會變成一個具有較強(qiáng)發(fā)射的熒光體。由于GO的表面特性和較高的光穩(wěn)定性使得熒光GO在生物體中的應(yīng)用前景廣闊。氨基酸作為有機(jī)體最基本的單元，擁有優(yōu)越的生物相容性，它們經(jīng)常被用作修飾劑來改善目標(biāo)物的生物相容性。γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）是一類天然氨基酸，廣泛存在于動植物體內(nèi)［10-11］。據(jù)報道，GABA對Cu2＋具有很強(qiáng)的配位作用，能形成COO－-Cu2＋-COO-型的配合物［12］。據(jù)此推斷，可以用GABA修飾改性的GO來選擇性地采用熒光法來檢測Cu2＋。本實驗的主要設(shè)計內(nèi)容包括：GABA改性修飾GO，改性后GO的結(jié)構(gòu)及光譜表征，改性GO檢測水溶液中的Cu2＋。

2 實驗原料及設(shè)備

2.1 實驗原料

氧化石墨烯（GO，蘇州碳豐石墨烯）；γ-氨基丁酸（GABA，98%，北京百靈威）；N，N-二甲基甲酰胺（DMF，化學(xué)純，阿拉丁試劑）；無水四氫呋喃（化學(xué)純，阿拉丁試劑）；氯化亞砜（化學(xué)純，阿拉丁試劑）；磷酸緩沖液（PBS，0.01 mol／L，pH＝7.4，阿拉丁試劑）；通過稀釋標(biāo)準(zhǔn)儲備液（0.2 mol／L NaH2PO4，0.2 mol／L Na2HPO4）而獲得；去離子水。

2.2 實驗設(shè)備

紫外-可見吸收光譜儀（U-3900-VIS，Hitachi，日本，掃描范圍200～700 nm）；紅外光譜儀（Perkin-Elmer Paragon 1000，英國，掃描范圍4 000～399 cm－1）；透射電子顯微鏡（HT7700，Hitachi，日本）；納米粒度電位儀（Zetasizer Nano ZS90，Malvern，英國）；熒光光譜儀（Hitachi F-7000，Tokyo，日本）；pH計（Sartorius AG，德國）。

3 綜合實驗設(shè)計

3.1 文獻(xiàn)調(diào)研與實驗預(yù)習(xí)

學(xué)生查閱文獻(xiàn)了解GO和GABA的化學(xué)性質(zhì)。在數(shù)據(jù)庫中查閱酰胺反應(yīng)的不同條件，并確定一個最簡單經(jīng)濟(jì)的合成方法。查閱文獻(xiàn)并自行總結(jié)GABA修飾的GO檢測Cu2＋的機(jī)理。學(xué)生提前進(jìn)入儀器分析實驗室學(xué)習(xí)紫外-可見吸收光譜儀、紅外光譜儀、納米粒度電位儀、熒光光譜儀和pH計等儀器的使用。

3.2 實驗內(nèi)容

(1)GO的改性修飾。GO表面帶有大量羧基，而GABA含有伯胺，所以可以通過酰胺反應(yīng)來實現(xiàn)GO的共價修飾［13］。通過查資料和核算經(jīng)濟(jì)成本，采取的合成路徑如圖1所示。先將10 mg GO粉末和0.5 mL DMF加入到10 mL二氯亞砜中，將混合物在三口燒瓶中回流4 h。然后將反應(yīng)液離心，獲得固體的酰氯化GO，用無水四氫呋喃清洗幾次后備用。接著，將40 mg的GABA和5 mL的無水四氫呋喃加入先前制備的酰氯化GO中，在60℃回流24 h。反應(yīng)完畢后，減壓蒸發(fā)掉溶劑，接著用去離子水清洗并離心除去未反應(yīng)的GABA。最后，將12 mL去離子水加入到離心殘留物中，經(jīng)過離心和真空干燥，獲得了粉末狀的GABA修飾的GO，將其命名為GO-GABA。用去離子水將該粉末配制成濃度為1 mg／mL的儲備液備用。

圖1 用GABA共價修飾GO的化學(xué)合成路線

(2)GO-GABA的結(jié)構(gòu)表征和光譜特性。首先用透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy，TEM）進(jìn)行GO-GABA的形貌表征。在TEM圖中，GO和GO-GABA都呈現(xiàn)出透明的納米片狀，表明GABA共價修飾GO并沒有破壞GO原有的納米結(jié)構(gòu)（圖2（a）、（b））。在圖2（b）中可以觀察到GO-GABA表面的褶皺和光滑的邊緣，表明合成的GO-GABA擁有良好的延展性。接著，測試了GO、GO-GABA和GOGABA／Cu2＋在pH＝7時的ζ電位。數(shù)據(jù)表明，所有樣品表面都帶負(fù)電，電位范圍為－5～－8 mV（圖2（c））。GO-GABA的電位比GO低，是因為經(jīng)過GABA的共價修飾后，GO表面上帶有更多的—COOH的原因。加入Cu2＋后，GO-GABA／Cu2＋的電位明顯增大，表明Cu2＋和GO-GABA之間發(fā)生了配位。此外，GO的紅外光譜在1 645 cm－1處顯示出典型的C＝O峰。而GO-GABA在1 653 cm－1處出現(xiàn)了酰胺鍵C（O）-NH的典型峰以及1 728 cm－1處的來自于GABA的羧基峰（圖2（d））。同時，1 100 cm－1處GO-GABA的環(huán)氧鍵徹底消失，一個新的峰出現(xiàn)在1 200 cm－1，此峰屬于GO-GABA表面上C—N—C鍵的對稱振動，證明GO表面的環(huán)氧基團(tuán)通過修飾GABA發(fā)生了氨化開環(huán)反應(yīng)［14］。在吸收光譜中，GO在228和301 nm處有2個典型的峰。當(dāng)將GABA共價修飾到GO后，這2個典型的吸收峰消失了，取而代之的是278和320 nm處的2個新峰，進(jìn)一步證明了GO的表面上已經(jīng)成功修飾了GABA（圖3（a））。在360 nm激發(fā)時，GO基本沒有熒光，但是GO-GABA在445 nm有著強(qiáng)烈的熒光（圖3（b））。顯然，GO-GABA的熒光來自于GABA的改性修飾。

圖2 GO-GABA的結(jié)構(gòu)表征

圖3 GO和GABA-GO的光譜特性

(3)GO-GABA熒光法檢測Cu2＋。在石英比色皿中加入一定濃度的GO-GABA和一定量的Cu2＋或其他金屬離子，并用PBS緩沖液填充至500μL，反應(yīng)一定時間后，對溶液進(jìn)行熒光發(fā)射光譜測試。波長范圍380～600 nm，激發(fā)波長為360 nm。在優(yōu)化實驗或選擇性實驗中，用相對熒光強(qiáng)度，即未加Cu2＋體系的熒光強(qiáng)度（F0）減去加入Cu2＋后體系的熒光強(qiáng)度（F）來表示熒光強(qiáng)度的變化值（F0－F）。

為了獲得最佳的檢測效果，首先優(yōu)化了GO-GABA在緩沖溶液中檢測Cu2＋的實驗條件，比如pH、反應(yīng)時間和GO-GABA的濃度。如圖4（a）所示，pH對Cu2＋的檢測影響較大，檢測Cu2＋的最佳pH是7.4。然后，研究了Cu2＋與GO-GABA在不同的反應(yīng)時間（5，10，20，30，40，50，60 min）下的熒光變化。結(jié)果表明，在1～10 min內(nèi)熒光是增強(qiáng)的，在10～60 min內(nèi)熒光是降低的（圖4（b））。所以，最佳反應(yīng)時間應(yīng)該是10 min。最后，研究不同濃度的GO-GABA對Cu2＋檢測的影響，發(fā)現(xiàn)6 μg／mL是GO-GABA的最佳濃度（圖4（c））。

圖4 不同實驗條件下Cu2＋測體系的熒光變化

(4)選擇性實驗。實驗前用去離子水配備好濃度為10 mmol／L的各類金屬離子（Na＋、K＋、Cu2＋、Fe3＋、Mg2＋、Zn2＋、Ca2＋、Zr4＋、Ba2＋、Co2＋、Al3＋、Ce3＋、La3＋、Y2＋、Fe2＋和Mn2＋）的儲備液。這些金屬離子用于驗證GO-GABA對Cu2＋檢測的選擇性和抗干擾能力。圖5表明，在選擇性實驗中，只有Cu2＋能淬滅GO-GABA的選擇性，而其他金屬離子不能明顯淬滅GO-GABA的熒光。在干擾實驗中，其他離子和Cu2＋的混合液均能有效淬滅GO-GABA的熒光，并且其他離子的存在并不影響Cu2＋對GO-GABA熒光的淬滅程度，說明GO-GABA的抗干擾能力很強(qiáng)。

在確定了GO-GABA對Cu2＋的選擇性后，在最佳條件下進(jìn)行了Cu2＋的滴定分析實驗。圖6表明，隨著Cu2＋濃度增加至5 mmol／L時，GO-GABA溶液的熒光不斷降低。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cu2＋的濃度范圍在0～1 000 mmol／L時，GO-GABA的熒光強(qiáng)度與Cu2＋的濃度之間呈現(xiàn)出優(yōu)越的線性關(guān)系（見圖7）。根據(jù)該線性關(guān)系，可以估算出Cu2＋的檢測限為15 mmol／L，表明合成的GO-GABA對Cu2＋的檢測很靈敏［15］。

圖5 GABA-GO檢測Cu2＋的選擇性和干擾性實驗

圖6 GABA-GO檢測Cu2＋的熒光變化

圖7 GABA-GO的熒光強(qiáng)度與Cu2＋濃度的線性關(guān)系

3.3 撰寫實驗報告和實驗小結(jié)

實驗報告要求學(xué)生重點突出對各類檢測圖譜的解析和對Cu2＋檢測的數(shù)據(jù)分析。要求學(xué)生進(jìn)一步查閱文獻(xiàn)，將本次實驗獲得的檢測結(jié)果與已經(jīng)報道的Cu2＋檢測文獻(xiàn)進(jìn)行對比，并對比分析不同檢測方法的優(yōu)缺點。實驗結(jié)果準(zhǔn)確，實驗報告書寫思路清晰，數(shù)據(jù)分析到位的同學(xué)都可以拿到高分。

4 結(jié) 語

本研究型綜合實驗將多門專業(yè)課程有機(jī)結(jié)合起來，尤其是對儀器分析實驗教學(xué)中常用的設(shè)備進(jìn)行了串糖葫蘆式的創(chuàng)新教學(xué)。整個實驗內(nèi)容的設(shè)計邏輯性強(qiáng)，推動著學(xué)生們不斷地去主動探索。學(xué)生們在進(jìn)行完這個項目后，都顯示出了極大的學(xué)習(xí)熱情，有很多同學(xué)咨詢代課教師，問還有沒有更有挑戰(zhàn)性的實驗項目。這說明將科研項目中比較成熟的實驗內(nèi)容融合到實驗教學(xué)中去是非常有必要的。學(xué)生們做這樣一個項目，他們所掌握的專業(yè)知識和獲得的各種能力會成倍增長。在以后的教學(xué)中，將逐步提高此類研究型綜合實驗在整個實驗教學(xué)中的占比，鼓勵教師將自己的科研與學(xué)生的實驗教學(xué)緊密結(jié)合，做到教學(xué)相長。

·名人名言·

學(xué)習(xí)知識要善于思考，思考，再思考，我就是靠這個方法成為科學(xué)家的。

——愛因斯坦