四臂星型聚乙二醇修飾氧化石墨烯的制備及表征

四臂星型聚乙二醇修飾氧化石墨烯的制備及表征

氧化石墨烯是一種含有一定條件的富氧碳基材料。這些由角石墨根據(jù)一定條件氧化而成。go基表面是由sp3和sp2混合碳組成的石墨烯表面?；骐S機(jī)分布著基質(zhì)和氧氣基，片的邊緣包括羧基和基。這些含氧官能團(tuán)使go具有良好的親水性，易于將其分解成穩(wěn)定的膠體懸浮液。由于它具有良好的耐化性、力學(xué)和熱學(xué)性，因此在許多領(lǐng)域都進(jìn)行了廣泛的研究，如聚合物材料、“紙”材料、傳感器、現(xiàn)場(chǎng)處理能耗矩陣和生物材料[12.14]。碳納米管,可看成由石墨烯片卷曲而成,在生物傳感、藥物傳遞和分子成像上被廣泛地研究.但是,對(duì)于石墨烯在生物上的應(yīng)用很少有人報(bào)道.自2009年起,石墨烯在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用開(kāi)始引起了部分研究者的極大興趣.然而,理想石墨烯片表面沒(méi)有官能團(tuán),在生理溶液中不能分散,氧化石墨烯水溶液膠體在生理溶液中會(huì)發(fā)生鹽析作用而絮凝,要使其均勻分散需要對(duì)其表面進(jìn)行修飾.由于聚乙二醇(polyethyleneglycol,PEG)具有良好的生物相容性、親水性,很多研究者都開(kāi)展了用PEG修飾GO的工作.Dai等使用六臂星型氨基聚乙二醇的端氨基與納米石墨烯片邊緣的羧基通過(guò)亞胺催化酰胺形成反應(yīng),制備PEG修飾納米石墨烯片,得到的產(chǎn)物在用于體外給藥和生物成像的生理溶液中顯示了優(yōu)良的分散性和穩(wěn)定性.并且,Dai等發(fā)現(xiàn)多種類型的非水溶性芳香藥物分子可吸附到NGO-PEG上.Liu等使用相似的方法制備PEG修飾石墨烯片,發(fā)現(xiàn)PEG修飾納米石墨烯片具有高效的腫瘤被動(dòng)靶向能力,并且通過(guò)老鼠試驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)劑量為20mg/kg,持續(xù)時(shí)間為3個(gè)月)發(fā)現(xiàn),該產(chǎn)物沒(méi)有明顯的毒性.說(shuō)明GO在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用具有很大的前景.PEG功能化GO除了應(yīng)用于生物領(lǐng)域外,在其它領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用前景.Tsang等發(fā)現(xiàn)用長(zhǎng)鏈PEG功能化SWCNTs可極大地增加SWCNTs在水中的分散性.Li等將GO與PEG反應(yīng)使表面鈍化,接著加入水合肼使其還原,制備出高頻變頻排放的石墨烯量子點(diǎn).Ruoff等使用芳基和烷基的異氰酸酯修飾GO(iGO),使其能很好地在有機(jī)溶劑中剝離且分散.甲苯-2,4-二異氰酸酯(toluene-2,4-diisocynate,TDI)在低溫下,4-NCO與2-NCO活性差距較大,由此,我們可以先用TDI功能化GO,低溫下只有一個(gè)基團(tuán)參與反應(yīng),然后升高溫度激活另一個(gè)基團(tuán),使其與PEG上的羥基反應(yīng),從而較簡(jiǎn)單地制備出PEG功能化GO.四臂星型聚乙二醇(4-armstarpolyetheyleneglycol,sPEG)相對(duì)于普通的PEG,在同等接枝密度條件下,接枝后GO表面的羥基更多,可以增加其在生理溶液中的分散性,同時(shí)為進(jìn)一步的修飾提供了更多的反應(yīng)位點(diǎn),可以增加其在生物應(yīng)用時(shí)的載藥量.因此,本文選用TDI作為橋聯(lián)劑,將sPEG接枝到GO表面,制備四臂星型聚乙二醇修飾氧化石墨烯(four-armstarpolyethyleneglycolmodifiedgrapheneoxide,GO-TDI-sPEG).該方法操作較簡(jiǎn)單,原料便宜,是一種可以較大量生產(chǎn)PEG功能化GO的有效方法,促進(jìn)PEG修飾GO的進(jìn)一步應(yīng)用.1實(shí)驗(yàn)部分1.1試劑及其他試劑天然鱗片石墨,AlfaAesar,99.8%,325目.甲苯-2,4-二異氰酸酯,購(gòu)于武漢市江北化學(xué)試劑有限責(zé)任公司,使用前用4ue6a6分子篩干燥72h.N,N-二甲基甲酰胺,分析純,購(gòu)于天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司,使用前用4ue6a6分子篩干燥72h,然后鈉絲回流,減壓蒸餾.四臂星型聚乙二醇,Mn=926,NOF,Japan.其它試劑均為分析純,購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,未進(jìn)一步處理而直接使用.1.2酸鈉—氧化石墨烯(GO)的制備本文采用改良的Hummers法制備GO.在500mL單口燒瓶中,加入23mL的98%的濃硫酸,將燒瓶移入冰水浴中,低速攪拌,隨即加入鱗片石墨(1g)與硝酸鈉(0.5g)的混合物,中速攪拌一定時(shí)間,使其充分混合,接著,在1h內(nèi)分批少量地加入3g的高錳酸鉀,低溫反應(yīng)2h后,此時(shí)反應(yīng)液變?yōu)槟G色,將反應(yīng)瓶移入35℃的油浴鍋中繼續(xù)反應(yīng)30min,之后再向其中緩慢連續(xù)注入46mL的去離子水,保持其在98℃反應(yīng)15min.反應(yīng)完成后,將反應(yīng)液倒入1000mL的燒杯中,趁熱加入20mL濃度為5%的H2O2,溶液立即變?yōu)榱咙S色,隨后加入20mL(1∶10)HCl稀溶液,趁熱過(guò)濾,并用預(yù)先制備好的5%的HCl溶液和去離子水充分洗滌,直至上層液pH=7,將產(chǎn)物置于60℃的真空干燥箱中干燥48h,密封保存.1.3制備成功率高、密封嚴(yán)、清洗將100mg的氧化石墨倒入150mL的三口燒瓶中,加入50mL無(wú)水DMF,弱超聲40min,得到棕黃色懸浮液,將反應(yīng)瓶移入冰水浴中,充氮?dú)?真空/氮?dú)庋h(huán)3次),用注射器將1mL的TDI注入10mL的恒壓滴液漏斗中,快速將裝置密封好,以1滴/秒的速度緩慢滴入反應(yīng)液中,冰浴反應(yīng)24h.接著,將反應(yīng)瓶移入80℃的油浴鍋中,將20mLsPEG放入燒杯中,置于真空干燥箱中80℃除水,隔30min用油泵抽5min,這樣進(jìn)行5次,保證sPEG中的水除盡,此時(shí),sPEG為液態(tài),立即用注射器將其注入反應(yīng)瓶中,密封好,反應(yīng)8h后,停止反應(yīng).將反應(yīng)液沉降12h后,取穩(wěn)定分散的溶液抽濾,采用DMF先超聲浸泡10min后抽濾,水先浸泡10min后抽濾,這樣3個(gè)循環(huán),得到的產(chǎn)物置于真空干燥箱中60℃真空干燥24h,密封保存.1.4原子力顯微分析傅里葉變換紅外光譜(FTIR)采用溴化鉀壓片制樣,在PE-100紅外光譜儀上測(cè)試;激光共聚焦拉曼光譜(Raman)采用英國(guó)雷尼紹公司激光共聚焦顯微拉曼光譜儀(RM-1000),Ar+激光器(激發(fā)波長(zhǎng)為514.5nm),掃描范圍為800~2200cm-1;X-射線衍射(XRD)采用X-射線衍射儀(RigakuD/Max-IIIC,Japan)測(cè)量,使用Cu靶做測(cè)試,波長(zhǎng)λ=0.15406nm,掃描速度為3(°)/min,掃描范圍為5°~30°;熱重分析(TGA)采用Perkin-ElmerTGA-7熱分析儀,氮?dú)獗Ｗo(hù)(50mL/min),升溫速度2K/min;原子力顯微鏡照片(AFM)采用USANanoScopeIIIa型原子力顯微鏡;透射電鏡實(shí)驗(yàn)(TEM)采用PhilipsTecnai20型透射電子顯微鏡,工作電壓200kV.2結(jié)果與討論2.1go-tdi-speg的制備制備GO-TDI-sPEG的反應(yīng)過(guò)程如圖1所示,由于在冰浴中TDI上4-NCO活性遠(yuǎn)高于2-NCO,GO表面的羥基和羧基優(yōu)先與TDI上的4-NCO反應(yīng)生成氨基甲酸酯或者酰胺,根據(jù)Stankovich等的工作,100mgGO上含氧官能團(tuán)含量應(yīng)該低于2mmol,而1mLTDI含有14mmol—NCO基團(tuán),可見(jiàn)—NCO是大大過(guò)量的,從而確保在第一步反應(yīng)中TDI只有1個(gè)—NCO參與反應(yīng).第二步中將溫度升高,激活了TDI中另一個(gè)—NCO,sPEG上的羥基與該—NCO反應(yīng),由于20mL(28mmol)sPEG中的羥基含量較TDI中的—NCO遠(yuǎn)遠(yuǎn)過(guò)量,第二步反應(yīng)中幾乎所有的—NCO基團(tuán)都能參與反應(yīng).在第一步反應(yīng)過(guò)程中游離的TDI會(huì)使得部分sPEG發(fā)生自聚,使其在石墨烯片表面進(jìn)行原位增長(zhǎng)甚至交聯(lián).經(jīng)過(guò)多次沉降、超聲和反復(fù)地洗滌,除去未接枝在GO表面的sPEG及其自聚物,抽濾得到GO-TDI-sPEG.2.2go-tdi-speg的結(jié)構(gòu)表征GO、GO-TDI以及GO-TDI-sPEG的紅外圖譜如圖2所示,GO中活性功能團(tuán)的紅外特征峰如圖2(a)所示,1720cm-1為CO的伸縮振動(dòng),1412cm-1為—OH的變形振動(dòng),1222cm-1為C—OH的伸縮振動(dòng),1055cm-1為C—O的伸縮振動(dòng),1632cm-1為吸附的水分子和未被氧化的sp2雜化中C—C振動(dòng),還有比較寬泛而強(qiáng)烈的O—H振動(dòng)吸收峰(3436cm-1左右),這與前人報(bào)道文獻(xiàn)一致.GO與TDI反應(yīng)后,如圖2(b)所示,原來(lái)在1720cm-1處的紅外峰移到1705cm-1,可歸為氨基甲酸酯基的CO伸縮振動(dòng),2268cm-1處的吸收峰為—NCO的特征紅外吸收,600~900cm-1指紋區(qū)的吸收峰也發(fā)生明顯的變化.經(jīng)修飾后,在2268cm-1處的紅外吸收消失,并且出現(xiàn)了一些新峰,2865cm-1為GO-TDI-sPEG中sPEG的—CH2—的紅外吸收峰,1100cm-1為GO-TDI-sPEG中sPEG的C—O—C的伸縮振動(dòng),1530cm-1為C—N鍵的伸縮振動(dòng)(即酰胺Ⅱ帶的振動(dòng)).2.3石墨層sp2雜化程度與結(jié)構(gòu)的完整性拉曼光譜是表征石墨烯與石墨烯基材料結(jié)構(gòu)特征的有效手段,由D模與G模的相對(duì)強(qiáng)度比(ID/IG)可評(píng)價(jià)石墨烯的缺陷或功能化的程度.原始石墨(a),GO(b)和GO-TDI-sPEG(c)的拉曼光譜如圖3所示,所有樣品測(cè)試時(shí)激發(fā)波長(zhǎng)均為514.5nm,天然石墨的G模位于1583cm-1,對(duì)應(yīng)石墨層E2g聲子一階模,反映石墨層sp2雜化程度與結(jié)構(gòu)完整性,在約1355cm-1處有一弱峰(D模),與石墨的缺陷有關(guān),反映石墨層的無(wú)序與sp3雜化程度.GO的G模位于約1602cm-1,且峰形較石墨的寬,表明GO無(wú)序度增加,且D模位于1352cm-1,峰形較寬,D模與G模的相對(duì)強(qiáng)度比大大增加,原因是氧化過(guò)程降低了石墨層的sp2雜化程度,形成羥基、環(huán)氧基、羧基等含氧官能團(tuán),使石墨層缺陷增加,而G峰的藍(lán)移,Car等認(rèn)為主要是孤立的雙鍵引起的.經(jīng)聚合物修飾后,D模和G模的信號(hào)變?nèi)?原因是改性后的氧化石墨烯片表面引入了大量的碳元素,ID/IG值由GO時(shí)的0.84增加GO-TDI-sPEG時(shí)的0.93,但變化不大,說(shuō)明sPEG改性后氧化石墨烯片的物理結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化,ID/IG值的略微增加可能是由于在反應(yīng)前GO的DMF溶液被超聲一定時(shí)間而導(dǎo)致部分GO片斷裂引起的缺陷造成的.2.4石墨層間距的變化天然石墨(a),GO(b)和GO-TDI-sPEG(c)的XRD曲線如圖4所示,石墨的氧化可能會(huì)破壞它的晶體結(jié)構(gòu),石墨2θ=26.5°處存在尖銳且強(qiáng)度較高的峰,表明石墨層間距大約為0.34nm.經(jīng)氧化后,位于26.5°處的峰消失,出現(xiàn)了一個(gè)較寬且強(qiáng)度較低的峰2θ=11.3°,層間距大約為0.78nm,層間距的增加是因?yàn)槭砻嬉肓撕豕倌軋F(tuán).GO-TDI-sPEG的衍射峰消失,而只是在23°左右出現(xiàn)一個(gè)較弱的非晶峰,說(shuō)明經(jīng)聚合物修飾后不僅破壞了氧化石墨的晶格有序結(jié)構(gòu),而且使得氧化石墨完全剝離.2.5熱性能和殘余失重天然石墨(a),GO(b),GO-TDI(c)和GO-TDI-sPEG(d)的TGA曲線如圖5所示,Ruoff等曾報(bào)道TGA測(cè)試時(shí)使用的升溫速率會(huì)對(duì)曲線線形有較大影響.因此,為了避免GO由于快速熱膨脹使樣品溢出熱天平而產(chǎn)生測(cè)量誤差,測(cè)試時(shí)升溫速率均為2K/min,且使用的是N2氛圍.從圖5中可以看出,原始石墨在約600℃時(shí)開(kāi)始發(fā)生失重,700℃時(shí)大約共失重5.0%.GO的熱穩(wěn)定性較差,在低于100℃開(kāi)始發(fā)生熱失重,可歸因于水分的失重,在大約160℃處有比較明顯的熱失重,原因是GO片表面含氧官能團(tuán)的熱分解產(chǎn)生CO、CO2和蒸汽等,到500℃時(shí)殘余失重約52.1%.接上TDI后,在500℃殘余失重量為67.6%,因?yàn)镹2氛圍下,燃燒掉的基本上都是含氧物質(zhì),最后剩下碳,接上TDI后,引入碳的質(zhì)量相對(duì)于引入氧的質(zhì)量要多,所以殘余失重量會(huì)相對(duì)增加.經(jīng)sPEG修飾后,在約160℃有1.5%左右的微量熱失重,可能是由于片表面有極少量的官能團(tuán)沒(méi)有反應(yīng),在約260℃開(kāi)始發(fā)生較大失重,相對(duì)于未修飾的GO,熱穩(wěn)定性增加了約100℃,與前人報(bào)道的文獻(xiàn)一致,在500℃時(shí)的殘余失重約有40.0%.sPEG在GO表面原位增長(zhǎng)的接枝量可以用GO-TDI-sPEG和GO在500℃時(shí)殘余失重量的差值計(jì)算,大約為12.1%.2.6go-tdi-speg的afm實(shí)現(xiàn)GO及GO-TDI-sPEG的原子力顯微鏡圖片如圖6所示,將GO或者GO-TDI-sPEG在水中弱超聲2h,使其分散均勻,測(cè)試前,將分散液滴到新鮮制備的云母片上,干燥.由圖6(a)可知,GO片的平均厚度大約為0.85nm,表明氧化石墨被完全剝離.GO-TDI-sPEG的AFM圖片如圖6(b)所示,從圖中可以看出原本光滑的GO表面出現(xiàn)了一些斑點(diǎn),在沒(méi)有斑點(diǎn)的區(qū)域GO片層的厚度仍為0.85nm左右,而斑點(diǎn)處樣品的厚度增加到大約1.2nm左右.由于所用的接枝聚合物sPEG的分子量較小(Mn=926),當(dāng)GO表面只有單分子層sPEG或較低分子量低聚物接枝時(shí),AFM很難分辨接枝或未接枝區(qū)域,因此,圖6(b)中光滑區(qū)域并不一定沒(méi)有接枝的sPEG分子,而GO片層上的斑點(diǎn)則應(yīng)該是分子量較大的sPEG均聚物或交聯(lián)產(chǎn)物.相似的結(jié)論也可以從TEM圖片中得到.2.7具有共價(jià)接枝的石墨烯片GO及GO-TDI-sPEG的形態(tài)通過(guò)透射電子顯微鏡進(jìn)行研究.制樣過(guò)程為:將GO超聲分散去離子水中,配置成0.01mg/mL的分散液,然后在銅網(wǎng)上滴1滴,真空干燥后進(jìn)行觀測(cè).圖7顯示了GO和GO-TDI-sPEG分散在水中的照片圖7(a);GO的TEM圖片圖7(b),GO-TDI-sPEG分辨率分別為0.5μm(c)以及100nm(d)的TEM圖片.由圖7(b)可知,GO片有少數(shù)層的,疊加顏色較深,也有非常薄的,接近單層,近乎透明,說(shuō)明氧化石墨剝離程度較高.經(jīng)修飾后,改性石墨烯片間的范