李先先,阮貴華,張文娟,原華美,杜甫佑

(桂林理工大學 化學與生物工程學院,廣西 桂林 541006)

氧化石墨烯(graphene oxide, GO)作為石墨烯的一種衍生物,結(jié)構(gòu)上的諸多含氧功能基團使其具有特異性吸附功能[1-2]。氧化石墨烯復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于毛細管電泳[3-4]、毛細管電色譜[5-7]及液相色譜固定相合成[8-10]，并應(yīng)用于多環(huán)芳烴[11]、不同取代基的苯系物[12]的分離與富集。近年來三維氧化石墨烯材料作為一種良好的環(huán)境污染物富集材料備受關(guān)注[13-15],但單純的三維氧化石墨烯結(jié)構(gòu)較松散易碎，耐用程度不夠。高內(nèi)相乳液聚合材料是一種具有三維多孔互通結(jié)構(gòu)的材料,摻雜GO既能夠增強復(fù)合材料的機械性能,又能夠提高復(fù)合多孔材料的吸附量,相較于傳統(tǒng)材料，可以廣泛應(yīng)用于吸附分離、光催化降解、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。GO的添加有利于光子在材料中的傳遞,增強了復(fù)合材料的光催化性能,Li等[16]通過聚合反應(yīng)得到GO-PA-CeOx復(fù)合材料,吸附羅丹明B后，紫外光照射表明,降解效果明顯優(yōu)于單純GO吸附劑的降解效果。在生物領(lǐng)域中,由于GO對生物蛋白具有非特異性吸附,容易使吸附后的蛋白發(fā)生聚集變性失活,而GO復(fù)合材料能夠改善這種狀況,Chen等[17]制備了FeOOH-PEG-GO復(fù)合材料并將其應(yīng)用于對牛血清白蛋白的吸附,既克服了GO對蛋白的非特性吸附,又提高了吸附量。在吸附染料方面,結(jié)合色譜技術(shù)樣品處理中也具有獨特的優(yōu)勢[18-19]。

本文設(shè)計通過修飾氧化石墨烯粒子形成穩(wěn)定的高內(nèi)相乳液,經(jīng)熱聚合形成氧化石墨烯摻雜型多孔復(fù)合材料并應(yīng)用于蘇丹紅系列偶氮類染料的分離與富集。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

LC-20A高效液相色譜, 配SIL-20A自動進樣器和SPD-M20A 二極管陣列檢測器(日本島津公司), Eclipse Plus C18色譜柱(4.6 mm×250 mm, 5-Micron, Agilent公司), MS3 basic 旋渦振蕩器(德國IKA公司), 超聲波清洗機(寧波新芝生物科技有限公司), PHS-3C pH計(江蘇江分電分析儀器有限公司), DHG-9140A鼓風恒溫干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司), JSM-6380LV 掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社), IS10傅里葉紅外光譜分析儀(美國Thermo Fisher), 0.22 μm 有機尼龍濾頭(天津博納艾杰爾科技有限公司), 10 mL離心管。

蘇丹紅(Sudan)Ⅰ—Ⅳ 標準物質(zhì)、 二乙烯基苯(DVB)、 丙烯酸異辛酯(EHA)、 過硫酸鉀(K2S2O8)、 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、 Span80等均購自上海晶純試劑有限公司; 天然石墨粉、 硫酸、 高錳酸鉀、 硝酸鈉、 雙氧水、 無水乙醇、 乙酸; 磷酸二氫鈉-檸檬酸(NaH2PO3-H3Cit)、 醋酸-醋酸鈉(HAc-NaAc)、 檸檬酸鈉-檸檬酸(NaH2Cit-H3Cit)等均,乙腈、 甲醇為色譜純(Dikma公司); 蘇丹紅Ⅰ—Ⅳ混合標準溶液(1 000 ng/mL)采用色譜純甲醇配制, 4 ℃保存?zhèn)溆? 實驗用水為超純二次水(電阻率≥18.25 MΩ·cm)。辣椒粉購于桂林市農(nóng)貿(mào)市場。

1.2 氧化石墨烯的合成與修飾

采用改進Hummers法[20]制備GO: 稱取2.0 g天然石墨粉及1.0 g NaNO3置于500 mL錐形瓶中, 冰水浴條件下加入46 mL 濃硫酸, 再緩慢加入6.0 g 高錳酸鉀, 并嚴格控制反應(yīng)溫度不超過20 ℃。待高錳酸鉀完全溶解后,靜置5 min, 轉(zhuǎn)移至35 ℃熱水浴,緩慢加入約92 mL 水,升溫至90 ℃反應(yīng)20 min后冷卻至室溫,加入100 mL水和6 mL雙氧水,靜置1 h;反應(yīng)結(jié)束后把溶液轉(zhuǎn)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。實驗過程中氧化石墨烯水分散液濃度為5 mg/mL。

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)修飾氧化石墨烯(GO)[21],調(diào)整m(PVP)∶m(GO)=20∶3,室溫下攪拌24 h進行自組裝,后以5 000 r/min離心20 min去除上清液,取下層修飾的GO配置成濃度為5 mg/mL的PVP/GO標準溶液, 4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 氧化石墨烯摻雜高內(nèi)相多孔復(fù)合材料的制備

于10 mL的離心管中依次加入450 μL DVB、450 μL EHA以及300 μL Span80,混合均勻得到油相;另取10 mL離心管依次加入1.0 mL PVP/GO分散液、20 mg K2S2O8、50 mg無水CaCl2、3.9 mL H2O混合均勻得到水相;分多次將水相加入到油相中并經(jīng)旋渦混合形成穩(wěn)定的高內(nèi)相乳液。乳液置于65 ℃恒溫烘箱24 h得到石墨烯摻雜多孔材料(PVP/GO-DVB-EHA),分別用無水乙醇和二次水反復(fù)洗滌多次,經(jīng)冷凍干燥至恒重,保存?zhèn)溆谩?/p>

實驗同時制備未摻雜氧化石墨烯多孔材料,除不加PVP/GO分散液外,其余試劑及合成方法均相同。所得材料為DVB-EHA材料。

1.4 染料吸附與解脫

取10 mg多孔復(fù)合材料填充到墊有0.22 μm纖維膜的注射器底部, 再以少量玻璃纖維覆蓋并壓實得到萃取柱, 使用前用甲醇潤洗3次。 取2 mL蘇丹紅標準溶液經(jīng)注射泵以0.1 mL/min過柱, 收集流出液并定容至2 mL, 過0.22 μm濾膜, 經(jīng)液相色譜-紫外檢測，計算吸附量:

Γ=V×(c0-c1)/m，

(1)

式中，?！搅? ng/mg;V—蘇丹紅標準溶液體積, mL;c0—吸附前蘇丹紅溶液濃度, ng/mL;c1—吸附后蘇丹紅溶液濃度, ng/mL；m—多孔復(fù)合材料質(zhì)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,除去干擾物質(zhì),然后以5 mL解脫劑經(jīng)注射泵以0.1 mL/min進行解脫,收集解脫液并定容至5 mL,過0.22 μm濾膜,檢測濾液并計算解脫率：

θe=Γe/?！?00%，

(2)

其中，θe—解脫率，%；Γe—解脫所得到蘇丹紅的量，ng/mg。

1.5 實際樣品分析

稱取1.0 g辣椒粉于50 mL燒杯中,加入20 mL乙腈,超聲萃取15 min,5 000 r/min離心15 min,提取上層清液；另取10 mL提取液加入100 ng蘇丹紅作為加標樣液,相當于辣椒中蘇丹紅的含量為0.2 mg/kg;分別取1 mL辣椒提取液和加標樣液,按1.4節(jié)所述步驟進行吸附與解脫，以及檢測計算。

1.6 色譜分析

流動相A為0. 1% 乙酸(V/V)二次水溶液; 流動相B為乙腈; 流速1.0 mL/min; 進樣量; 10 μL; 柱溫30 ℃; 洗脫條件為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; 檢測波長478 nm (SudanⅠ,Ⅱ), 520 nm (Sudan Ⅲ,Ⅳ)。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳液單體配比的選擇

選擇合適的內(nèi)相比, 有利于形成穩(wěn)定的高內(nèi)相乳液[22-23], 且對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)具有重要影響, 對于W/O型乳液, 具有親水性的GO含量高低直接影響乳液的穩(wěn)定與否[24]。 實驗發(fā)現(xiàn),當PVP/GO的濃度為5 mg/mL時, 內(nèi)相比為80%的乳液最穩(wěn)定, 增加內(nèi)相比(85%)導(dǎo)致乳液中存在不均勻液滴, 而降低內(nèi)相比(75%)則難以形成穩(wěn)定乳液, 靜置24 h后乳液容易出現(xiàn)油水分層, 因此本研究選擇內(nèi)相比為80%。 另外, 油相中DVB和EHA單體比例對乳液形成也具有影響,只有在EHA與DVB配比(V/V)為1∶1時,才能得到穩(wěn)定存在的高內(nèi)相乳液體系,因此本實驗選用此比例。

2.2 復(fù)合材料表征及結(jié)構(gòu)分析

DVB-EHA材料和PVP/GO-DVB-EHA材料的SEM圖如圖2所示。圖2a中DVB-EHA材料內(nèi)壁光滑平整,且孔洞大小不一,孔與孔之間彼此連通,這種互通結(jié)構(gòu)有利于物質(zhì)傳遞。圖2b中由于摻雜GO使得孔壁粗糙多褶皺,且材料的導(dǎo)電性增強,證明石墨烯成功附著于材料內(nèi)壁。 通過BET(比表面積)數(shù)據(jù)對比, PVP/GO-DVB-EHA材料的比表面積為23.66 m2/g, DVB-EHA材料的比表面積為12.22 m2/g, 比表面積明顯增大。

圖1 多孔復(fù)合材料的紅外光譜Fig.1 FT-IR spectra of porous composites

2.3 吸附及解脫溶劑的選擇

由于溶劑的極性是影響材料吸附和解脫的重要因素, 分別以甲醇(methanol)、 乙腈(acetonitrlle)、 丙酮(acetone)和甲苯(toluene)為溶劑介質(zhì), 研究溶劑對PVP/GO-DVB-EHA材料吸附及解脫SudanⅠ—Ⅳ的影響。 由圖3a可知，甲醇溶劑最有利于材料對染料的吸附, 其吸附量分別為304.23、 328.09、 371.43 和382.80 ng/mg。 在解脫過程中, 以甲苯為解脫劑, 更有利于染料的解脫, 如圖3b所示, 解脫率分別為94.54%、 92.56%、 89.09%和86.26%, 從而實現(xiàn)了對染料的良好吸附與分離。

圖2 DVB-EHA(a)和PVP/GO-DVB-EHA(b)的掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of porous composite DVB-EHA(a)and PVP/GO-DVB-EHA(b)

圖3 溶劑介質(zhì)對吸附與解脫的影響Fig.3 Solvent effect on adsorption and elution

2.4 流速對吸附與解脫的影響

溶劑流速是影響動態(tài)吸附與解脫的重要因素[25]。在以上最佳條件下,分別考察流速為0.1、0.5、1.0和2.0 mL/min時材料對蘇丹紅吸附與解脫影響。圖4a表明,流速越小越有利于吸附,染料所帶苯環(huán)數(shù)越多,越易吸附,流速為0.1 mL/min時,材料對染料的吸附量最大。 解脫時, 當流速為0.1 mL/min, 蘇丹紅染料解脫率均最大, 其解脫率隨流速增大而急劇減小(圖4b),說明低流速有利于染料的吸附與解脫。

2.5 吸附平衡時間與溫度的選擇研究

流速0.1 mL/min不同溫度下PVP/GO-DVB-EHA對SudanⅠ—Ⅳ的吸附情況如圖5所示。5 ℃時吸附斜率小, 表明吸附慢, 40 ℃的斜率均大于5 ℃和25 ℃的吸附斜率, 但在高溫條件下溶劑易揮發(fā),影響檢測結(jié)果, 因此吸附溫度選取25 ℃。

圖4 流速對復(fù)合材料吸附與洗脫蘇丹紅影響Fig.4 Flow rate effect on the composite adsorption and elution of sudan dyes

圖5 溫度對吸附量的影響Fig.5 Temperature effect on adsorption

在此溫度下, 10 min后材料對蘇丹紅吸附趨于飽和。

2.6 pH對吸附及解脫性能影響

研究pH值對材料的吸附及解脫影響, 分別測定PVP/GO-DVB-EHA對Sudan Ⅰ—Ⅳ的吸附和解脫。 結(jié)果表明, 在Na2HPO3-H3Cit體系的吸附量均大于其他兩個緩沖溶液體系(圖6a)； 在不同pH值的Na2HPO3-H3Cit體系中, SudanⅠ—Ⅳ的吸附量隨著pH值增大先增大后減小; 當pH=6, 其吸附量最大(圖6b)。 對于解脫率, pH=4時, 解脫率最大。 在酸性條件下, 蘇丹紅更容易被解脫, 不含有甲基的SudanⅠ和Sudan Ⅲ的空間位阻較小, 容易通過多孔材料, 容易解脫, 因此解脫率大于同苯環(huán)數(shù)的Sudan Ⅱ和Sudan Ⅳ(圖6c)。

以甲醇溶劑為介質(zhì), 調(diào)節(jié)pH=6, 通過PVP/GO-DVB-EHA與DVB-EHA的吸附量對比(圖7)發(fā)現(xiàn), PVP/GO-DVB-EHA對 Sudan Ⅰ—Ⅳ的吸附量均大于DVB-EHA的吸附量。相較其他的固相微萃取材料[26]、分子印跡聚合物[27-28],PVP/GO-DVB-EHA對蘇丹紅的吸附量較大,具有明顯的優(yōu)勢。

2.7 多孔復(fù)合材料的實際應(yīng)用

在最優(yōu)實驗條件下,按照1.5節(jié)實驗步驟,液相色譜分析結(jié)果如圖8所示, PVP/GO-DVB-EHA對辣椒粉中的SudanⅠ—Ⅳ具有較好的吸附效果,通過檢測吸附后的殘液,發(fā)現(xiàn)材料對蘇丹紅有較好吸附,同時可有效避免辣椒粉中其他組分對分離測定的干擾(圖8d)。對吸附柱進行解脫后發(fā)現(xiàn)，4種蘇丹染料的解脫率可達89.24%、88.48%、92.35%和90.67%，加標回收率介于73.38%～92.63%,滿足辣椒粉中SudanⅠ—Ⅳ的分離與測定要求。

3 結(jié) 論

成功制備出一種氧化石墨烯摻雜高內(nèi)相乳液多孔復(fù)合材料。 該多孔復(fù)合材料具有易制備, 多孔互通,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點,且GO能夠與復(fù)合材料牢固結(jié)合, 不易脫落, 明顯提高了多孔復(fù)合材料的吸附量。對蘇丹紅系列染料的吸附和解脫試驗研究表明GO摻雜多孔復(fù)合材料可成功應(yīng)用于SudanⅠ—Ⅳ的快速分離與測定。不同染料的吸附率,解脫率以及加標回收率均滿足分析要求。該材料的成功制備為石墨烯基多孔材料在復(fù)雜體系的分離分析應(yīng)用提供了可能。

圖7 復(fù)合材料對蘇丹紅的吸附附情況Fig.7 Adsorption of Sudan red by composite materials

圖8 液相色譜分析Fig.8 Liquid chromatogrophy analysisa—辣椒提取液液相色譜；b—辣椒加標樣液液相色譜；c—辣椒加標吸附后液相色譜；d—10%乙腈溶液清洗后,甲苯解脫后液相色譜圖;1—4為蘇丹Ⅰ—Ⅳ的色譜峰

圖6 緩沖體系對吸附與洗脫率的影響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： “-”表中未檢出。