CN104096479A - 高通量、连续化的氧化石墨烯分离方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高通量、连续化的氧化石墨烯分离方法及装置，属于石墨烯纳米材料领域。氧化石墨烯水溶液和缓冲液分别通过恒流泵输送，并经稳流处理后，按照一定的流速平稳的进入电泳分离室，在电泳分离室内进行电泳分离，分离后的氧化石墨烯样品连续不断的从电泳分离室的不同出口流出，进入相应的收集容器内。与现有技术相比，本发明可以实现高通量、连续化分离氧化石墨烯，且能够获得尺寸分布较窄的样品，达到尺寸分离的目的；自由流电泳分离方法对氧化石墨烯样品的分离和收集具有连续性和同步性，可达到制备型分离的效果。

Description

高通量、连续化的氧化石墨烯分离方法及装置

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯分离方法，尤其是涉及一种高通量、连续化的氧化石墨烯分离方法及装置，属于石墨烯纳米材料领域。

背景技术

石墨烯，一种准二维原子晶体材料，其优良性质的发现掀起了科学家继富勒烯和碳纳米管之后对碳同素异形体材料探索研究的第三次浪潮。石墨烯独特的性能使其在纳米电子器件(纳米晶体管、纳米传感器)、复合材料、超轻超硬材料、透明导电材料、超级电容器、锂离子电池、储氢材料以及生物兼容材料等领域具有广阔的应用研发前景。未来石墨烯发展的其中一个重要方向就是通过大规模、高质量、低成本的石墨烯制备技术，推动石墨烯在能源、信息领域的突破性应用。就其制备方法而言，化学氧化还原法由于其原料价廉易得、制备过程简单而被认为是目前最有可能实现大规模工业化制备石墨烯的方法。同时对于纳米材料而言，其尺寸大小会严重影响其物化性能。而化学法生产的石墨烯尺寸具有多分散性，其横向尺寸差异较大，从几十纳米到几微米。不同尺寸大小的石墨烯由于具有不同的理化性能而适用于不同的应用领域。对于多分散性的石墨烯而言，因其制备产物尺寸的不可控性，将会极大限制其工业应用潜力。因此在石墨烯的生产制备过程中需要加入分离工序，以获取具有特定结构参数的石墨烯。随着石墨烯产业化进程的加快，关于石墨烯及其衍生物分离方法的研究与开发势在必行。

目前针对石墨烯及其衍生物尺寸分离的研究报道比较少，主要有离心分离法(常规离心分离法，密度梯度超离心分离法)、pH调节分离法、毛细管电泳法、普通电泳分离法(参见中国发明专利，其申请号为201110103670.2)等。其中离心分离受限于离心分离设备，特别对于密度梯度超离心分离法还需制备分离介质层，会引入杂质，对分离样品造成污染，而不能达到绿色大规模制备的要求。pH调节分离法则需要通过控制体系的pH值来达到分离的效果，操作繁琐，同样无法实现大规模制备分离。毛细管电泳法是以毛细管(几十微米)为分离通道，以高压电源(30kV左右)为驱动力来实现分离，其微米级的分离通道显然不适于高通量制备型的分离。对于普通电泳分离法而言，样品的分离和收集在同一容器内，且分离后的样品都存放在同一个分离槽内，会造成分离样品存在交叉污染的可能，其分离的精确性和连续性受到了极大的限制。

自由流电泳是一种具有可连续分离，无固体支持介质和分离条件温和等优势的半制备型分离技术。目前广泛应用于生物大分子的分离纯化和制备。石墨烯及其衍生物在尺寸上与生物分子十分接近，考虑到带电氧化石墨烯片层与生物分子在电场中的运动行为的相似性，运用自由流电泳技术达到氧化石墨烯的制备型分离是一种新的思路方法。然而目前生物领域所使用的自由流电泳装置，其分离产量约0.1g/h(Rachel R.Peterson，David E.Cliffel，Continuous Free-Flow Electrophoresis ofWater-Soluble Monolayer-Protected Clusters，Anal.Chem.2005，77，4348-4353)，虽能达到生物领域的要求，但尚无法达到石墨烯领域的高通量规模化制备型分离的要求。要完成有关石墨烯的分离研究，需要对现行的自由流电泳装置进行改进。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够获得横向尺寸分布较窄的氧化石墨烯片层的高通量、连续化的氧化石墨烯分离方法及装置。

本发明的具体作用原理如下：氧化石墨烯水溶液由于其表面的官能团(羧基)水解电离而呈现负电。不同尺寸的氧化石墨烯片层带电量不同，其在电场中的电泳迁移率也就不同，且氧化石墨烯片层尺寸越小，电泳迁移率越大。外加电场方向与样品流动方向垂直，电泳迁移率不同的样品在电场的作用下与液流方向形成不同的偏转角，在分离室末端的不同出口位置流出，从而达到尺寸分离的目的。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高通量、连续化的氧化石墨烯分离方法，包括以下步骤：

(1)氧化石墨烯的制备：将氧化石墨与去离子水按一定的质量比进行称量配比，并充分搅拌后，得到不同质量浓度的棕色氧化石墨分散液。将其放入超声清洗机中超声剥离30min～150min，从而制得氧化石墨烯水溶液。

(2)缓冲液的制备：配制pH＝11的氢氧化钠溶液作为缓冲液。

(3)自由流电泳分离过程：排去自由流电泳装置中的气体，氧化石墨烯水溶液和缓冲液分别通过恒流泵输送，并经稳流处理后，按照一定的流速平稳的进入电泳分离室，在电泳分离室内进行电泳分离，分离后的氧化石墨烯样品连续不断的从电泳分离室的不同出口流出，进入相应的收集容器内。

在自由流电泳分离方法中，电泳分离室外加电场的方向与氧化石墨烯水溶液或缓冲液流动方向垂直。

所述的氧化石墨烯水溶液的浓度为0～4mg/ml，但不包括0；所述的缓冲液为pH＝11的氢氧化钠溶液。

所述的氧化石墨烯水溶液或缓冲液在电泳分离室内的流速优选为10～20ml/min；电泳分离室内的电压设置在500～1000V。

一种高通量、连续化的氧化石墨烯分离装置，该装置包括电泳分离室、电泳仪、样品罐、缓冲液罐、恒流泵、稳流件及收集容器，所述的电泳分离室包括分离腔和位于分离腔两侧的电极室，电极材料位于两个电极室内，并通过导线与电泳仪连接，所述的样品罐与电泳分离室之间通过管路连接恒流泵与稳流件，所述的缓冲液罐与电泳分离室之间通过管路连接恒流泵与稳流件，所述的分离腔下端开设有一排出口，所述的收集容器相互独立，分别位于分离腔下端的出口下方。

为消除电泳过程中电极室产生的气泡对分离腔的影响，所述的分离腔与电极室之间通过醋酸纤维膜隔开。分离腔由两块平行的有机玻璃板组成，可以根据分离要求，通过物理计算分析，使用不同尺寸、不同体积的分离腔，使用不同的分离电压。

由于恒流泵输送的流体固有的压力-流速脉冲会对分离效果产生严重的干扰。因此在恒流泵后方设置稳流件，通过稳流件可以消除恒流泵产生的压力-流速脉冲，从而实现稳定均匀的流体环境。所述的稳流件为设置在分离腔上方的连续自动升降的缓冲平台。通过连续调整平台的高度，使流体在重力场的作用下以一种自然的状态流入分离室，这套稳流装置在达到稳流目的的同时还可通过利用重力场的作用来调整流速。

所述的出口设有6～12个。所述的电极材料为铂丝。

所述的电泳仪使用的电泳仪电源电压范围0～1000V。电泳仪电源根据电泳技术原理设计的高压电源，高电压可以增加样品的分离距离，保证在高通量分离情况下仍然具有较好的分离效果。电泳仪电源为全电脑操作控制，负载能力强，控制精度高，工作稳定可靠，具有过载、变载、短路、开路、超限、外壳漏电等保护功能，使用安全。

所述的分离装置还包括观测平台，观测平台是由置于分离腔下面的光源和可以三维移动的摄像机组成。底部的光源可为拍摄时提供所需要的背景亮度，以便更好地拍摄记录实验过程。摄像机与电脑连接，可以实时监测电泳分离的实验过程，记录分离实验的图像数据。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本装置可以实现高通量、连续化分离氧化石墨烯，且能够获得尺寸分布较窄的样品，达到尺寸分离的目的。

(2)自由流电泳分离方法对氧化石墨烯样品的分离和收集具有连续性和同步性，可达到制备型分离的效果。

(3)本方法采用的试剂为去离子水和氢氧化钠溶液，成本低廉、原料易得，且无需表面活性剂等，避免引入其他杂质，不会改变氧化石墨烯的官能团等结构，分离后的氧化石墨烯产品无需提纯可直接使用。

本发明可用于高通量、连续化分离氧化石墨烯，也可以应用于改性后带电的石墨烯，以及其他的带电纳米材料；本发明通过对现有的自由流电泳装置进行改进，使其具备更高通量的分离特点；本发明将生物医药领域的分离技术成功改进应用到纳米材料领域，扩展了自由流电泳分离技术应用领域，并成功解决了目前石墨烯纳米材料分离困难、分离低效等问题。

附图说明

图1为本发明的分离装置的结构示意图；

图2为实施例1的分离过程中氧化石墨烯样品流体宽度变化图；

图3为实施例1的分离前后氧化石墨烯样品原子力显微镜照片；

图4为实施例1的分离前后氧化石墨烯样品横向尺寸分布统计图；

图5为实施例1的分离前后氧化石墨烯样品的红外光谱图；

图6为实施例2的分离后氧化石墨烯样品横向尺寸分布统计图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

以下实施例中，使用高通量、连续化的氧化石墨烯分离装置，如图1所示，该装置包括电泳分离室、电泳仪1、样品罐5、缓冲液罐4、恒流泵3、稳流件2及收集容器9，电泳分离室包括分离腔7和位于分离腔7两侧的电极室6，电极材料(铂丝)位于两个电极室6内，并通过导线与电泳仪1连接，样品罐5与电泳分离室之间通过管路连接恒流泵3与稳流件2，缓冲液罐4与电泳分离室之间通过管路连接恒流泵3与稳流件2，分离腔7下端开设有一排6～12个出口8，收集容器9相互独立，分别位于分离腔7下端的出口8下方。

为消除电泳过程中电极室6产生的气泡对分离腔7的影响，分离腔7与电极室6之间通过醋酸纤维膜隔开。分离腔7由两块平行的有机玻璃板组成，可以根据分离要求，通过物理计算分析，使用不同尺寸、不同体积的分离腔7，使用不同的分离电压。

使用的恒流泵购自保定兰格，型号分别为BT100-1L-DG4和WT600-2J。由于恒流泵3输送的流体固有的压力-流速脉冲会对分离效果产生严重的干扰。因此在恒流泵3后方设置稳流件2，通过稳流件2可以消除恒流泵3产生的压力-流速脉冲，从而实现稳定均匀的流体环境。稳流件2为设置在分离腔7上方的连续自动升降的缓冲平台。通过连续调整平台的高度，使流体在重力场的作用下以一种自然的状态流入分离室，这套稳流装置在达到稳流目的的同时还可通过利用重力场的作用来调整流速。

所用电泳仪电源购自北京六一厂，型号为DYY-11。电源电压范围0～1000V。电泳仪1电源根据电泳技术原理设计的高压电源，高电压可以增加样品的分离距离，保证在高通量分离情况下仍然具有较好的分离效果。电泳仪1电源为全电脑操作控制，负载能力强，控制精度高，工作稳定可靠，具有过载、变载、短路、开路、超限、外壳漏电等保护功能，使用安全。

分离装置还包括观测平台，观测平台是由置于分离腔7下面的光源和可以三维移动的摄像机组成。底部的光源可为拍摄时提供所需要的背景亮度，以便更好地拍摄记录实验过程。摄像机与电脑连接，可以实时监测电泳分离的实验过程，记录分离实验的图像数据。

实施例1

以15ml/min的流速分离1mg/ml的氧化石墨烯

(1)氧化石墨烯水溶液的制备：称取3g的氧化石墨(50微米)，加入3L去离子水，充分搅拌混合均匀，然后放入超声清洗机中超声剥离2小时，制备出浓度为1mg/ml的氧化石墨烯水溶液(标记为样品1)。

(2)缓冲液的制备：称取0.4g的氢氧化钠，加入10L去离子水，充分搅拌混合均匀，制备出pH＝11的氢氧化钠溶液。

(3)自由流电泳分离过程：开启恒流泵将氧化石墨烯和缓冲液不断运输至稳流装置，调整稳流平台高度，控制流速为15ml/min，使流体平稳的流过分离室，当将各通道内和分离室内的气体完全排除后，打开联机摄像机，打开电泳仪电源，设置电压为1000V，开始进行电泳分离，同时用摄像机时时观测记录分离过程中流体宽度变化，如图2所示。图2说明在施加电场后，样品流体宽度变化，这是不同尺寸氧化石墨烯片层在电场中的电泳迁移率不同而造成的。此外分离后的氧化石墨烯样品连续不断的从分离室的不同出口流出，进入相应的收集容器内。

(4)取样：选取靠近阴极出口的其中一个收集容器内的样品，标记为2号样品；选取靠近阳极出口的其中一个收集容器内的样品，标记为3号样品。

(5)分离结果分析：使用原子力显微镜对分离前后的氧化石墨烯样品进行表征，如图3所示。使用图像处理软件Image-Pro Plus对原子力显微镜图像进行分析处理，结合数学统计学方法统计分离前后氧化石墨烯的横向尺寸分布情况，如图4所示。任意抽取分离后的氧化石墨烯样品，对其进行红外光谱分析，对比分析分离前后氧化石墨烯样品官能团的变化情况。图3或图4中的1、2、3分别指的是1号样品、2号样品和3号样品。结合图3和图4可以看出，在分离前氧化石墨烯样品1的横向尺寸分布较广，集中分布在100nm到1600nm。经过自由流电泳分离后的氧化石墨烯样品其尺寸分布明显变窄，且靠近阳极的样品3的尺寸集中分布于100nm到550nm，平均尺寸在300nm左右，而靠近阴极的样品2的尺寸集中分布于250nm到900nm，平均尺寸在500nm左右。上述统计结果表明自由流电泳可以有效缩小氧化石墨烯横向尺寸分布范围，达到尺寸分离的效果，同时也验证了小尺寸的氧化石墨烯片层的电泳迁移率较大。图5表明分离前后氧化石墨烯含有的官能团基本完全相同，且吸收峰的强度也基本相同。因此自由流电泳分离中采用的强电场不会对氧化石墨烯样品的官能团产生影响。

实施例2

以15ml/min的流速分离2mg/ml的氧化石墨烯

(1)氧化石墨烯水溶液的制备：称取6g的氧化石墨(50微米)，加入3L去离子水，充分搅拌混合均匀，然后放入超声清洗机中超声剥离2小时，制备出浓度为2mg/ml的氧化石墨烯水溶液。

(2)缓冲液的制备：称取0.4g的氢氧化钠，加入10L去离子水，充分搅拌混合均匀，制备出pH＝11的氢氧化钠溶液。

(3)自由流电泳分离过程：开启恒流泵将氧化石墨烯和缓冲液不断运输至稳流装置，调整稳流平台高度，控制流速为15ml/min，使流体平稳的流过分离室，当将各通道内和分离室内的气体完全排除后，打开联机摄像机，打开电泳仪电源，设置电压为1000V，开始进行电泳分离。分离后的氧化石墨烯样品连续不断的从分离室的不同出口流出，进入相应的收集容器内。

(4)取样：选取靠近阴极出口的其中一个收集容器内的样品，标记为1号样品；选取靠近阳极出口的其中一个收集容器内的样品，标记为2号样品。

(5)分离结果分析。使用图像处理软件Image-Pro Plus对原子力显微镜图像进行分析处理，结合数学统计学方法统计分离前后氧化石墨烯的横向尺寸分布情况，如图6所示。靠近阴极的样品1的尺寸分布范围是250nm到1000nm，且集中分布于400nm到650nm；靠近阳极的样品2的尺寸分布范围是50nm到800nm，集中分布于100nm到450nm。上述统计结果表明自由流电泳可以有效缩小氧化石墨烯横向尺寸分布范围，达到尺寸分离的效果，同时也验证了小尺寸的氧化石墨烯片层的电泳迁移率较大。

实施例3

以10ml/min的流速分离4mg/ml的氧化石墨烯

(1)制备出浓度为4mg/ml的氧化石墨烯水溶液。

(2)制备出pH＝11的氢氧化钠溶液作为缓冲溶液。

(3)自由流电泳分离过程：开启恒流泵将氧化石墨烯和缓冲液不断运输至稳流装置，调整稳流平台高度，控制流速为10ml/min，使流体平稳的流过分离室，当将各通道内和分离室内的气体完全排除后，打开联机摄像机，打开电泳仪电源，设置电压为500V，开始进行电泳分离。分离后的氧化石墨烯样品连续不断的从分离室的不同出口流出，进入相应的收集容器内。

对收集容器内样品进行取样分析，表明自由流电泳可以有效缩小氧化石墨烯横向尺寸分布范围，达到尺寸分离的效果，同时也验证了小尺寸的氧化石墨烯片层的电泳迁移率较大。

实施例4

以20ml/min的流速分离1mg/ml的氧化石墨烯

(1)制备出浓度为1mg/ml的氧化石墨烯水溶液。

(2)制备出pH＝11的氢氧化钠溶液作为缓冲溶液。

(3)自由流电泳分离过程：开启恒流泵将氧化石墨烯和缓冲液不断运输至稳流装置，调整稳流平台高度，控制流速为20ml/min，使流体平稳的流过分离室，当将各通道内和分离室内的气体完全排除后，打开联机摄像机，打开电泳仪电源，设置电压为1000V，开始进行电泳分离。分离后的氧化石墨烯样品连续不断的从分离室的不同出口流出，进入相应的收集容器内。

对收集容器内样品进行取样分析，表明自由流电泳可以有效缩小氧化石墨烯横向尺寸分布范围，达到尺寸分离的效果，同时也验证了小尺寸的氧化石墨烯片层的电泳迁移率较大。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高通量、连续化的氧化石墨烯分离方法，其特征在于，采用自由流电泳分离方法进行分离，具体为：氧化石墨烯水溶液和缓冲液分别通过恒流泵输送，并经稳流处理后，按照一定的流速平稳的进入电泳分离室，在电泳分离室内进行电泳分离，分离后的氧化石墨烯样品连续不断的从电泳分离室的不同出口流出，进入相应的收集容器内。

2.根据权利要求1所述的一种高通量、连续化的氧化石墨烯分离方法，其特征在于，在自由流电泳分离方法中，电泳分离室外加电场的方向与氧化石墨烯水溶液或缓冲液流动方向垂直。

3.根据权利要求1所述的一种高通量、连续化的氧化石墨烯分离方法，其特征在于，所述的氧化石墨烯水溶液的浓度为0～4mg/ml，但不包括0；所述的缓冲液为pH＝11的氢氧化钠溶液。

4.根据权利要求1所述的一种高通量、连续化的氧化石墨烯分离方法，其特征在于，所述的氧化石墨烯水溶液或缓冲液在电泳分离室内的流速为10～20ml/min；电泳分离室内的电压设置在500～1000V。

5.一种高通量、连续化的氧化石墨烯分离装置，其特征在于，该装置包括电泳分离室、电泳仪、样品罐、缓冲液罐、恒流泵、稳流件及收集容器，所述的电泳分离室包括分离腔和位于分离腔两侧的电极室，电极材料位于两个电极室内，并通过导线与电泳仪连接，所述的样品罐与电泳分离室之间通过管路连接恒流泵与稳流件，所述的缓冲液罐与电泳分离室之间通过管路连接恒流泵与稳流件，所述的分离腔下端开设有一排出口，所述的收集容器相互独立，分别位于分离腔下端的出口下方。

6.根据权利要求5所述的一种高通量、连续化的氧化石墨烯分离装置，其特征在于，所述的分离腔与电极室之间通过醋酸纤维膜隔开。

7.根据权利要求5所述的一种高通量、连续化的氧化石墨烯分离装置，其特征在于，所述的稳流件为设置在分离腔上方的连续自动升降的缓冲平台。

8.根据权利要求5所述的一种高通量、连续化的氧化石墨烯分离装置，其特征在于，所述的出口设有6～12个。

9.根据权利要求5所述的一种高通量、连续化的氧化石墨烯分离装置，其特征在于，所述的电极材料为铂丝。