CN101603041A - 一种碳纳米管/硅质杂化凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纳米管/硅质杂化凝胶的制备方法。本发明通过多糖与芘丁酸作用，得到含芘多糖衍生物，接着往其中加入碳纳米管，在芘与碳纳米管的非共价键作用力下，得到水分散性良好的多糖功能化的碳纳米管，接着，将多糖功能化的碳纳米管与水溶性硅氧烷的前驱体混合，以多糖功能化的碳纳米管为模板，在保持碳纳米管结构的同时，通过溶胶－凝胶法制备得到碳纳米管分散均匀、凝胶化时间可调、力学强度高的碳纳米管/硅质杂化凝胶。本发明所述的制备方法无需任何有机溶剂，生物分子在包埋过程中活性丧失的可能性大大减少，因此，本发明的制备方法在固定化酶、生物化学传感器、可注射组织修复材料等方面具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于生物功能材料领域，特别涉及一种碳纳米管/硅质杂化凝胶的制备方法。
背景技术
近年来，通过溶胶-凝胶技术将碳纳米管引入到硅质凝胶中，受到研究者的关注。由于所获得的杂化材料在性能方面综合了硅质凝胶和碳纳米管的优点，因而在生物功能材料领域具有广阔的应用前景。申请号为200710009905.5、名称为“一种纳米碳管-二氧化硅凝胶玻璃的制备技术”的国家发明专利申请，公开了一种碳纳米管/硅质杂化凝胶的制备方法，首先使用浓硫酸对碳纳米管进行表面氧化处理，利用化学键将含有氨基、羟基、环氧基的硅烷偶联剂连接在碳纳米管表面，然后以盐酸为催化剂，在pH值为3～5的条件下，室温陈化、干燥数个月，得到含有碳纳米管的硅质杂化凝胶。Zou等(Glucose biosensor based onelectrodeposition of platinum nanoparticles onto carbon nanotubes and immobilizingenzyme with chitosan-SiO2 sol-gel.Biosensors and Bioelectronics，2008，23：1010-1016)使用硝酸酸化处理多壁碳纳米管，将处理后的碳纳米管分散在壳聚糖溶液中，以正硅酸乙酯为前驱体，通过溶胶-凝胶法制备固定化酶的杂化凝胶。Gavalas等(Carbon nanotube aqueous sol-gel composites：enzyme-friendly platformsfor the development of stable biosensors.Analytical Biochemistry，2004，329：247-252)采用正硅酸乙酯为前驱体，在水和乙醇介质中将其与碳纳米管混合，通过溶胶-凝胶法制备了固定氨基酸过氧化物酶的碳纳米管/硅质杂化凝胶，该类材料用于修饰玻碳电极，能使电极连续使用一周后，依能保持50％以上的响应。
但是，现有制备碳纳米管/硅质杂化凝胶的方法存在以下主要问题：①当前主要使用的有机硅氧烷前驱体，水溶性差，需要加入乙醇助溶，且水解需要加酸作为催化剂，这样容易导致生物分子在包埋过程中变性而失去活性；②碳纳米管表面改性破坏了碳纳米管的结构，进而使碳纳米管不易保持原有的力学和光电性能；③溶胶-凝胶转化时间长，一般为2天至1周，而且不可调控。因而，如何调控凝胶化时间、改善生物相容性且不破坏碳纳米管结构，便成为制备碳纳米管/硅质杂化凝胶过程中急需解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，采用含芘多糖衍生物与碳纳米管之间的非共价键作用，制备水分散性良好的碳纳米管，在不破坏碳纳米管结构的情况下，与完全水溶性硅氧烷前驱体混合，通过溶胶-凝胶法制备导电碳纳米管/硅质杂化凝胶材料。所述的制备方法条件温和、方法简便，可以完全在水中实现，不需要加入任何有机溶剂，且不破坏碳纳米管结构，
本发明的另一目的在于提供通过所述制备方法得到的碳纳米管/硅质杂化凝胶。
本发明的再一目的在于提供所述碳纳米管/硅质杂化凝胶的制备方法的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种碳纳米管/硅质杂化凝胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将多糖溶于水，浓度为质量体积比0.5～2.0％，搅拌均匀后加入相当于多糖质量0.04～1倍的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)活化；将与EDC相同质量的芘丁酸溶于丙酮中，滴加到上述活化的多糖溶液中，反应48小时；反应完毕后，加入乙醇将产物沉淀出来，用丙酮洗涤沉淀，除去未反应的芘丁酸，干燥得到含芘多糖衍生物；
(2)将含芘多糖衍生物溶于水中，浓度为质量体积比0.5～2.0％，搅拌过夜后加入相当于含芘多糖衍生物质量0.1～2倍的碳纳米管，超声分散，得到分散液，将分散液离心，除去沉淀，得到稳定均一的黑色的多糖功能化的碳纳米管水溶液；
(3)将有机硅氧烷前驱体与多糖功能化的碳纳米管水溶液按照质量比0.1∶1～0.5∶1混合，混合均匀后静置，得到碳纳米管/硅质杂化凝胶。
步骤(1)中所述的多糖为羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、葡聚糖或羧甲基壳聚糖中的一种或至少两种；
所述的多糖优选羧甲基壳聚糖；
步骤(1)中的滴加速度优选2～3ml/10min；
步骤(1)中含芘多糖衍生物中芘的含量通过光谱法测定；
步骤(1)乙醇的加入量优选为步骤(1)中所用水的体积的2.5～3倍；
步骤(2)中所述的碳纳米管为多壁碳纳米管或单壁碳纳米管；
步骤(2)中超声分散的条件优选为分散30～60min；
步骤(2)的离心条件优选3000rpm离心30min；
步骤(3)所述有机硅氧烷前驱体优选四(2-羟乙基)正硅酸酯(GMT)；
所述GMT通过正硅酸乙酯与乙二醇通过酯交换反应所得：将摩尔比为4∶1的乙二醇与正硅酸乙酯混合，升温至120℃，通过分水器将产生的乙醇反应12小时，减压蒸馏，得到无色透明的粘稠液体；得到的无色透明的粘稠液体在水中具有良好的溶解性，可以与水以任意比例互溶(具体步骤参见Wang GH andZhang LM.Using Novel Polysaccharide Silica Hybrid Material to Construct AnAmperometric Biosensor for Hydrogen Peroxide，J.Phys.Chem.B，2006，110(49)，24864-24868)。
所述碳纳米管/硅质杂化凝胶的制备方法应用于固定化酶、生物化学传感器、可注射组织修复材料等领域。
本发明的原理：以含芘多糖衍生物作为大分子分散剂，通过含芘多糖衍生物中的芘与碳纳米管的非共价键作用力，制备水分散性良好的多糖功能化的碳纳米管。将多糖功能化的碳纳米管与水溶性有机硅氧烷前驱体混合，以多糖功能化的碳纳米管为模板，在保持碳纳米管结构的同时，通过溶胶-凝胶法制备得到碳纳米管分散均匀、凝胶化时间可调、力学强度高的碳纳米管/硅质杂化凝胶。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明制备碳纳米管/硅质杂化凝胶的方法简单，反应条件温和，可以完全在水中实现，不需要加入任何有机溶剂，而且不破坏碳纳米管结构。
(2)本发明制备碳纳米管/硅质杂化凝胶的方法不需任何有机溶剂，生物分子在包埋过程中活性丧失的可能性大大减少，即生物相容性好，因此，本发明的制备方法在固定化酶、生物化学传感器、可注射组织修复材料等方面具有良好的应用前景。
(3)本发明所制备的碳纳米管/硅质杂化凝胶由于含芘多糖衍生物既起到分散碳纳米管的作用，又可以催化GMT水解缩合，有利于控制溶胶-凝胶转化时间(如图2所示)。
(4)本发明所制备的碳纳米管/硅质杂化凝胶不仅具有良好的导电性能(如图5所示)，能够保持碳纳米管的结构，而且溶胶-凝胶转化过程快速，少于70分钟(如图2所示)，具有更高的力学强度(如图3所示)。
附图说明
图1为含芘壳聚糖衍生物对碳纳米管在水中分散情况的影响结果图。
图2为流变学方法考察有机硅氧烷前驱体的用量对溶胶-凝胶转化过程的影响结果图，其中：
I为实施例1中加入GMT后对溶胶-凝胶转化过程的影响结果图；
II为实施例2中加入GMT后对溶胶-凝胶转化过程的影响结果图；
III为实施例3中加入GMT后对溶胶-凝胶转化过程的影响结果图；
IV为实施例4中加入GMT后对溶胶-凝胶转化过程的影响结果图。
图3为碳纳米管含量对凝胶强度的影响结果图。
图4为实施例1制备的碳纳米管/硅质杂化凝胶的状态图。
图5为不同用量碳纳米管/硅质杂化凝胶修饰玻碳电极后在5mM[Fe(CN)6]4-和0.1M KCl溶液中的电子阻抗谱。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)取0.5g羧甲基壳聚糖(Sigma)溶于50mL蒸馏水中，室温下搅拌10h，加入0.2g的EDC活化；将0.2g芘丁酸溶于10mL丙酮中，以2mL/10min的速度滴加到上述活化的羧甲基壳聚糖溶液中，反应48h。反应完毕后，加入乙醇150mL，得到沉淀，用丙酮洗涤沉淀3次，除去未反应的芘丁酸，真空干燥得含芘壳聚糖衍生物，紫外光谱法检测芘在衍生物中的含量为0.151g/g。
(2)取0.2g含芘壳聚糖衍生物溶于10mL蒸馏水中，搅拌过夜后加入0.2g多壁碳纳米管，超声分散30min，将分散液离心，3000rpm 30min，除去沉淀，得到稳定均一的黑色的壳聚糖功能化的碳纳米管水溶液。
(3)将摩尔比为4∶1的乙二醇与正硅酸乙酯混合，升温至120℃，通过分水器将产生的乙醇反应12小时，减压蒸馏，得到无色透明的粘稠液体，即四(2-羟乙基)正硅酸酯(GMT)。
(4)取1.0g GMT与步骤(2)得到的壳聚糖功能化的碳纳米管水溶液混合，磁力搅拌均匀后室温静置，得到黑色的碳纳米管/硅质杂化凝胶。
实施例2
(1)取0.5g羧甲基壳聚糖溶于50mL水中，室温下搅拌10h，加入0.02g的EDC活化，将0.02g芘丁酸溶于10mL丙酮中，以3mL/10min的速度滴加到上述溶液中，反应48h。反应完毕后，加入乙醇130mL将产物沉淀出来，用丙酮洗涤2次，除去未反应的芘丁酸，真空干燥得含芘壳聚糖衍生物，紫外光谱法检测芘在含芘壳聚糖衍生物中的含量为0.023g/g。
(2)取0.2g含芘壳聚糖衍生物溶于10mL水中，搅拌过夜后加入0.02g多壁碳纳米管，超声分散30min，将分散液离心，3000rpm 30min，除去沉淀，得到稳定均一的黑色的壳聚糖功能化的碳纳米管水溶液。
(3)同实施例1步骤(3)，得到四(2-羟乙基)正硅酸酯(GMT)。
(4)同实施例1步骤(4)，得到黑色的碳纳米管/硅质杂化凝胶。
实施例3
(1)取0.5g羧甲基壳聚糖溶于50mL水中，室温下搅拌10h，加入0.05g的EDC活化，将0.05g芘丁酸溶于10mL丙酮中，以2mL/10min的速度滴加到上述溶液中，反应48h。反应完毕后，加入140mL将产物沉淀出来，用丙酮洗涤3次，除去未反应的芘丁酸，真空干燥得含芘壳聚糖衍生物，紫外光谱法检测芘在含芘壳聚糖衍生物中的含量为0.045g/g。
(2)取0.2g含芘壳聚糖衍生物溶于10mL水中，搅拌过夜后加入0.05g多壁碳纳米管，超声分散40min，将分散液离心，3000rpm 30min，除去沉淀，得到稳定均一的黑色的壳聚糖功能化的碳纳米管水溶液。
(3)同实施例1步骤(3)，得到四(2-羟乙基)正硅酸酯(GMT)。
(4)同实施例1步骤(4)，得到黑色的碳纳米管/硅质杂化凝胶。
实施例4
(1)取0.5g羧甲基壳聚糖溶于50mL水中，室温下搅拌10h，加入0.1g的EDC活化，将0.1g芘丁酸溶于10mL丙酮中，缓慢滴加到上述溶液中，反应48h。反应完毕后，加入150mL将产物沉淀出来，用丙酮洗涤3次，除去未反应的芘丁酸，真空干燥得含芘壳聚糖衍生物，紫外光谱法检测芘在含芘壳聚糖衍生物中的含量为0.083g/g。
(2)取0.2g含芘壳聚糖衍生物溶于10mL水中，搅拌过夜后加入0.1g多壁碳纳米管，超声分散40min，将分散液离心，3000rpm 30min，除去沉淀，得到稳定均一的黑色的壳聚糖功能化的碳纳米管水溶液。
(3)同实施例1步骤(3)，得到四(2-羟乙基)正硅酸酯(GMT)。
(4)同实施例1步骤(4)，得到黑色的碳纳米管/硅质杂化凝胶。
实施例5
(1)同实施例1步骤(1)，得到含芘壳聚糖衍生物。
(2)取0.1g含芘壳聚糖衍生物溶于10mL水中，搅拌过夜后加入0.1g多壁碳纳米管，超声分散60min，将分散液离心，3000rpm 30min，除去沉淀，得到稳定均一的黑色的壳聚糖功能化的碳纳米管水溶液。
(3)同实施例1步骤(3)，得到四(2-羟乙基)正硅酸酯(GMT)。
(4)取2.0g GMT与步骤(2)得到的壳聚糖功能化的碳纳米管水溶液混合，磁力搅拌均匀后室温静置，得到黑色的碳纳米管/硅质杂化凝胶。
实施例6
(1)同实施例1步骤(1)，得到含芘壳聚糖衍生物。
(2)同实施例5步骤(2)，得到稳定均一的黑色的壳聚糖功能化的碳纳米管水溶液。
(3)同实施例1步骤(3)，得到四(2-羟乙基)正硅酸酯(GMT)。
(4)取4.0g GMT与步骤(2)得到的碳纳米管分散液混合，磁力搅拌均匀后室温静置，得到黑色的碳纳米管/硅质杂化凝胶。
实施例7
(1)取0.5g羧甲基壳聚糖(Sigma)溶于100mL蒸馏水中，室温下搅拌10h，加入0.5g的EDC活化；将0.5g芘丁酸溶于10mL丙酮中，缓慢滴加到上述活化的羧甲基壳聚糖溶液中，反应48h。反应完毕后，加入150mL，得到沉淀，用丙酮洗涤沉淀3次，除去未反应的芘丁酸，真空干燥得含芘壳聚糖衍生物，紫外光谱法检测芘在含芘壳聚糖衍生物中的含量为0.162g/g。
(2)取0.05g含芘壳聚糖衍生物溶于10mL蒸馏水中，搅拌过夜后加入0.1g多壁碳纳米管，超声分散40min，将分散液离心，3000rpm 30min，除去沉淀，得到稳定均一的黑色的壳聚糖功能化的碳纳米管水溶液。
(3)同实施例1步骤(3)，得到四(2-羟乙基)正硅酸酯(GMT)。
(4)同实施例6步骤(4)，得到黑色的碳纳米管/硅质杂化凝胶。
实施例8
(1)取0.5g羧甲基壳聚糖(Sigma)溶于25mL蒸馏水中，室温下搅拌10h，加入0.5g的EDC活化；将0.5g芘丁酸溶于10mL丙酮中，缓慢滴加到上述活化的羧甲基壳聚糖溶液中，反应48h。反应完毕后，加入150mL，得到沉淀，用丙酮洗涤沉淀3次，除去未反应的芘丁酸，真空干燥得含芘壳聚糖衍生物，紫外光谱法检测芘在含芘壳聚糖衍生物中的含量为0.162g/g。
(2)同实施例7步骤(2)，得到稳定均一的黑色的壳聚糖功能化的碳纳米管水溶液。
(3)同实施例1步骤(3)，得到四(2-羟乙基)正硅酸酯(GMT)。
(4)取5.0g GMT与步骤(2)得到的碳纳米管分散液混合，磁力搅拌均匀后室温静置，得到黑色的碳纳米管/硅质杂化凝胶。
实施例9
(1)同实施例1步骤(1)，得到含芘壳聚糖衍生物。
(2)同实施例1步骤(3)，得到四(2-羟乙基)正硅酸酯(GMT)。
(3)取2.0g GMT与步骤(1)得到的含芘壳聚糖衍生物水溶液混合，磁力搅拌均匀后室温静置，得到不含碳纳米管的硅质杂化凝胶。
对所制备的碳纳米管/硅质杂化凝胶材料进行分析：
图1为含芘壳聚糖衍生物对碳纳米管在水中分散情况的影响结果图，从左往右数：第1个为羧甲基壳聚糖分散的碳纳米管，第2个为实施例1制备的含芘壳聚糖衍生物分散的碳纳米管，第3个为实施例3制备的含芘壳聚糖衍生物分散的碳纳米管，第4个为实施例4制备的含芘壳聚糖衍生物分散的碳纳米管。实验结果表明，与不含芘的羧甲基壳聚糖分散碳纳米管相比，含芘壳聚糖衍生物非共价键修饰的碳纳米管具有良好的水分散性。将样品静置，发现随着含芘壳聚糖衍生物中芘含量的提高，碳纳米管在水中分散稳定性越好。实施例1制备的壳聚糖功能化的碳纳米管水溶液(即实施例1步骤(2)得到的产物)经过一个月放置后，基本没有沉淀产生。
图2为流变学方法考察有机硅氧烷前驱体的用量对溶胶-凝胶转化过程的影响结果图：I、II、III和IV图中，曲线A表示储能模量，曲线B表示损耗模量，曲线A和曲线B相交的时间越短，表示凝胶化的时间越短。从图中可以看出，实施例1制备的碳纳米管/硅质杂化凝胶最短，为约38分钟。
图3为碳纳米管含量对凝胶强度的影响结果图，图中曲线①～④分别对应实施例1～4制备的碳纳米管/硅质杂化凝胶的测试结果。储能模量越高，表示凝胶强度越大。从图中可以看出，随着碳纳米管含量的提高，凝胶强度随之提高。
图4为实施例1制备的碳纳米管/硅质杂化凝胶状态图，从图中可以看出，所制备的碳纳米管/硅质杂化凝胶为均一的黑色固态样品，说明碳纳米管能够均匀分散在凝胶基质中。
图5为不同用量碳纳米管/硅质杂化凝胶修饰玻碳电极后在5mM[Fe(CN)6]4-和0.1M KCl溶液中的电子阻抗谱，图中曲线①～④分别对实施例9、1、3和4制备的碳纳米管/硅质杂化凝胶的测试结果。从图中可以看出，不含碳纳米管/硅质杂化凝胶修饰的玻碳电极，电子传导阻抗值(Ret)为650Ω，含碳纳米管/硅质杂化凝胶修饰的玻碳电极其电子传导阻抗值迅速下降，接近于零，并且随着碳纳米管含量的升高，有关电子传导阻抗值进一步下降，这说明碳纳米管/硅质杂化凝胶在电极表面和电解液之间，提供了良好的电子传导途径。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1、一种碳纳米管/硅质杂化凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将多糖溶于水，浓度为质量体积比0.5～2.0％，搅拌均匀后加入相当于多糖质量0.1～1倍的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐活化；将与1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐相同质量的芘丁酸溶于丙酮中，滴加到上述活化的多糖溶液中，反应48小时，接着加入乙醇，使产物沉淀出来，用丙酮洗涤沉淀，除去未反应的芘丁酸，干燥得到含芘的多糖衍生物；
(2)将含芘的多糖衍生物溶于水中，配制浓度为质量体积比0.5～2.0％的水溶液，搅拌过夜，接着加入相当于多糖质量0.1～2倍的碳纳米管，超声分散，得到分散液，将分散液离心，除去沉淀，得到稳定均一的黑色的多糖功能化的碳纳米管水溶液；
(3)将有机硅氧烷前驱体与多糖功能化的碳纳米管水溶液按照质量比0.1∶1～0.5∶1混合，混合均匀后室温静置，得到碳纳米管/硅质杂化凝胶。
2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的多糖为羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、葡聚糖或羧甲基壳聚糖中的一种或至少两种。
3、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的滴加速度为2～3ml/10min。
4、根据权利要求1所述的所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中乙醇的加入量为步骤(1)中水体积的2.5～3倍。
5、根据权利要求1所述的所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的碳纳米管为多壁碳纳米管或单壁碳纳米管。
6、根据权利要求1所述的所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中离心条件为3000rpm离心30分钟。
7、根据权利要求1所述的所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的有机硅氧烷前驱体为四(2-羟乙基)正硅酸酯。
8、一种碳纳米管/硅质杂化凝胶，为权利要求1～7任一项所述的制备方法制备得到。
9、权利要求1～7任一项所述碳纳米管/硅质杂化凝胶的制备方法应用于固定化酶领域、生物化学传感器领域或可注射组织修复材料领域。
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