CN107262064A - 一种聚酰胺‑胺接枝氧化石墨烯包覆型生物小分子吸附剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚酰胺‑胺接枝氧化石墨烯包覆型生物小分子的吸附材料的制备方法，采用苯乙烯‑二乙烯基苯‑甲基丙烯酸缩水甘油酯聚合物微球作为吸附剂的基质，在基质表面包覆一层Hummer法制备的氧化石墨烯衍生化出复合基质材料，通过化学接枝法将聚酰胺‑胺树状大分子接枝到基质表面，用1，4‑丁二醇缩水甘油醚进一步修饰，制备出生物小分子吸附剂。本发明采用苯乙烯‑二乙烯基苯‑甲基丙烯酸缩水甘油酯聚合物微球作为吸附剂的基质，工艺简单、成本低、使用寿命长，粒径均匀，化学稳定性较好，能够耐受更宽的pH耐受范围。

Description

一种聚酰胺-胺接枝氧化石墨烯包覆型生物小分子吸附剂的 制备方法
技术领域
本发明涉及一种吸附剂的制备方法，具体地说，是一种聚酰胺-胺接枝氧化石墨烯包覆型生物小分子的吸附材料的制备方法。
背景技术
基于对稳定性和机械强度的要求，很多吸附材料以聚合物微球为基质。然而，大多数聚合物微球由聚苯乙烯，二乙烯基苯，丙烯酸甲酯等单体聚合而成。经过聚合反应后，表面仅有少量的活性基团残留，进一步衍生化具有一定的难度。随着碳纳米材料的发展，二维碳材料氧化石墨烯得到了越来越广泛的关注。与其它碳纳米材料相比，氧化石墨烯不仅表面具有大量活性含氧官能团，而且特有的大π电子云共轭结构。因此，是材料领域吸附材料的不二之选。目前，氧化石墨烯材料已经成功应用于有机物，金属离子等物质的吸附。然而，目前为止，无论聚合物微球还是氧化石墨烯，对与生物小分子的吸附效果均不显著。
树状大分子是19世纪八十年代开发出来的一类新型功能高分子，它可以从分子水平上控制和设计分子的大小、形状、结构和功能基团。该类分子具有完美的树形结构，结构上高度的几何对称性、独特的单分散性、大量可修饰活性基团、广阔的内部空腔和可控的分子长链赋予了该类分子特殊的性质及功能，其中包括良好的分散性、低毒性、生物相容性、优异的电学光学性能及易修饰性等。基于这些优异的性能，树状大分子已经在化学、生物、材料等多个领域得到了广泛应用。根据树状大分子大量的活性基团和独特的生物兼容性，该分子有望成为制备生物分子吸附剂的良好修饰材料。将氧化石墨烯与聚合物基质复合，再采用树状大分子对复合材料进一步修饰，有望制备出对生物小分子具有较好吸附性能的树状接枝型吸附材料。
发明内容
本发明充分发挥树状大分子对生物分子具有良好的兼容性的性能，将树状大分子接枝到包覆氧化石墨烯的聚合物基质表面，通过进一步的修饰提供了一种新型生物小分子吸附剂的制备方法，解决了氨基酸、油酸、亚油酸等生物小分子的吸附问题。本发明具体实验技术方案如下：
本发明公开了一种聚酰胺-胺接枝氧化石墨烯包覆型生物小分子吸附剂的制备方法，采用苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯聚合物微球作为吸附剂的基质，在基质表面包覆一层Hummer法制备的氧化石墨烯衍生化出复合基质材料，通过化学接枝法将聚酰胺-胺树状大分子接枝到基质表面，用1，4-丁二醇缩水甘油醚进一步修饰，制备出生物小分子吸附剂。
作为进一步地改进，本发明所述的聚合物微球交联度为55％，直径为5-8μm，表面孔径为6-9nm。
作为进一步地改进，本发明所述的氧化石墨烯衍生化出复合基质材料为根据Hummer法制备而得，在浓硫酸中高锰酸钾与石墨烯粉末经氧化反应后得到棕色带有含氧基团的石墨烯薄片，经超声作用可以从薄片中剥离出氧化石墨烯片层。
作为进一步地改进，本发明所述的聚酰胺-胺树状大分子是以乙二胺为核，通过乙二胺与丙烯酸甲酯交替的迈克尔加成和酰胺化反应制备而成。
作为进一步地改进，本发明具体实验步骤如下：
a)、分散法制备单分散聚苯乙烯微球种子
以乙醇为溶剂，苯乙烯为单体，加入聚苯乙烯吡咯烷酮稳定剂和偶氮二异丁腈引发剂，在氮气保护下通过自由基聚合生成单分散的线性聚苯乙烯微球种子；
b)、种子溶胀法制备苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球
将制备的线性聚苯乙烯种子活化后与邻苯二甲酸二丁酯混合溶胀，再加入由甲基丙烯酸缩水甘油酯单体、二乙烯基苯交联剂、过氧化苯甲酰引发剂、十二烷基磺酸钠乳化剂，聚乙烯醇稳定剂、甲苯致孔剂组成的均匀乳液溶胀后在氮气保护下发生单体聚合反应，制备得到聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯多孔微球；所得微球经甲苯索式提取除去稳定剂和乳化剂，通过对交联剂的调节，控制微球的交联度；
c)、Hummer法制备氧化石墨烯
将石墨粉和浓硫酸在冰水浴条件下充分混合后加入高锰酸钾，室温保持后加水稀释，升温反应后加入双氧水还原残留的氧化剂，将得到的棕黄色固体离心洗至中性、超声剥离、冷冻干燥后得到氧化石墨烯固体；
d)、氧化石墨烯包覆型聚合物基质的合成
通过超声溶解将氧化石墨烯和苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球均匀分散在乙醇溶剂中，加热反应，待氧化石墨烯均匀包覆后，真空烘干得到氧化石墨烯包覆型聚合物基质；
e)、聚酰胺-胺树状大分子的制备
以乙二胺为核，甲醇作为溶剂，加入丙烯酸甲酯发生迈克尔加成反应制备得到0.5代的聚酰胺-胺树状大分子，将产物用甲醇溶解后加入乙二胺单体，酰胺化反应后制备得到1.0代的聚酰胺-胺树状大分子，重复以上迈克尔加成和酰胺化反应，根据需求制备出不同代数的聚酰胺-胺树状大分子；
f)、聚酰胺-胺接枝和吸附剂的修饰
制备的整数代聚酰胺-胺树状大分子和氧化石墨烯包覆的聚合物基质在乙醇溶剂中混合均匀后，通过聚酰胺-胺树状大分子末端胺基和氧化石墨烯表面环氧官能团的反应将树状大分子接枝到基质表面，接枝后生成的产物经1，4-丁二醇二缩水甘油醚进一步功能化即可制备出油酸、亚油酸、氨基酸等生物小分子吸附剂。
作为进一步地改进，本发明选择采用不同代数的聚酰胺-胺树状大分子作为修饰材料，吸附剂的吸附能力通过选择聚酰胺-胺树状大分子的代数调控。
作为进一步地改进，本发明所制备的吸附剂对油酸、亚油酸和氨基酸等生物小分子具有不用程度的吸附力，可用于解决生物小分子的吸附问题。
本发明具以下优点：
1、本发明采用苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯聚合物微球作为吸附剂的基质，工艺简单、成本低、使用寿命长，粒径均匀，化学稳定性较好，能够耐受更宽的pH耐受范围。
2、本发明将氧化石墨烯包覆于聚合物微球表面，对聚合物微球进一步衍生化，增加了微球表面含氧环能团的含量，有效提高了接枝程度。
3、本发明采用聚酰胺-胺树状大分子作为修饰材料，由于树状大分子具有大量可修饰活性基团、广阔的内部空腔和较好的生物兼容性，保证了制备所得的吸附剂对油酸、亚油酸、氨基酸等生物小分子具有良好的吸附性能。
附图说明
图1是吸附剂的宏观照片和扫描电镜下的照片；
图2是吸附剂吸附生物分子的突越曲线。
具体实施方式
本发明公开了一种聚酰胺-胺接枝氧化石墨烯包覆型生物小分子吸附剂的制备方法，具体实验步骤如下：
a.分散法制备单分散聚苯乙烯微球种子
以95％乙醇为溶剂，苯乙烯为单体，加入聚苯乙烯吡咯烷酮稳定剂和偶氮二异丁腈引发剂，在氮气保护下通过自由基聚合生成单分散的线性聚苯乙烯微球种子。经扫描电镜观察，制备种子为直径2微米的单分散均匀微粒。
b.种子溶胀法制备苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球
将制备的线性聚苯乙烯种子活化后与邻苯二甲酸二丁酯混合溶胀，再加入由甲基丙烯酸缩水甘油酯单体、二乙烯基苯交联剂、过氧化苯甲酰引发剂、十二烷基磺酸钠乳化剂，聚乙烯醇稳定剂、甲苯致孔剂组成的均匀乳液溶胀后在氮气保护下发生单体聚合反应，制备得到聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯多孔微球。所得微球经甲苯索式提取除去稳定剂和乳化剂。通过对交联剂的调节，控制微球的交联度为55％。经扫描电镜观察，制备所得的聚合物微球为表面光滑直径5-8微米的单分散均匀多孔微球。经BET吸附脱附测试，微球表面孔径为6-9nm。
c.Hummer法制备氧化石墨烯
将石墨粉和浓硫酸在冰水浴条件下充分混合后加入高锰酸钾，室温保持30分钟后加水稀释，升温反应后加入3％双氧水还原残留的氧化剂。将得到的棕黄色固体离心洗至中性、超声剥离、冷冻干燥后得到氧化石墨烯固体。
d.氧化石墨烯包覆型聚合物基质的合成
通过超声溶解将氧化石墨烯和苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球均匀分散在乙醇溶剂中，加热反应，待氧化石墨烯均匀包覆后，真空烘干得到氧化石墨烯包覆型聚合物基质。
e.聚酰胺-胺树状大分子的制备
以乙二胺为核，甲醇作为溶剂，加入丙烯酸甲酯发生迈克尔加成反应制备得到0.5代的聚酰胺-胺树状大分子。将产物用甲醇溶解后加入乙二胺单体，酰胺化反应后制备得到1.0代的聚酰胺-胺树状大分子。重复以上迈克尔加成和酰胺化反应，可以根据需求制备出不同代数的聚酰胺-胺树状大分子。
f.聚酰胺-胺接枝和吸附剂的修饰
制备的整数代聚酰胺-胺树状大分子和氧化石墨烯包覆的聚合物基质在乙醇溶剂中混合均匀后，通过聚酰胺-胺树状大分子末端胺基和氧化石墨烯表面环氧官能团的反应将树状大分子接枝到基质表面。接枝后生成的产物经1，4-丁二醇二缩水甘油醚进一步功能化即可制备出油酸、亚油酸、氨基酸等生物小分子吸附剂。
实施例一
以95％的乙醇水溶液为基质，加入5-30mL苯乙烯单体，0.5-1g偶氮二异丁腈引发剂，0.5-4g聚乙烯吡咯烷酮稳定剂，70℃反应过夜制得粒径1～3μm单分散线性聚苯乙烯种子，将种子分散到2％的十二烷基磺酸钠溶液中备用。取2ml制备的种子和邻苯二甲酸二丁酯溶解于50ml十二烷基磺酸钠溶液中，溶胀过夜。加入超声混匀的含有苯乙烯(2-5％,v/v)、二乙烯基苯(4-10％,v/v)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(0.4-1.2％,v/v)、十二烷基磺酸钠(0.2-0.5％,m/v)、过氧化苯甲酰(0.1-0.2％,m/v)、甲苯(5-15％,v/v)和聚乙烯醇(0.5-5％,m/v)的混合溶液溶胀后加热反应得到直径为5-8μm的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球，反应温度为60-85℃，搅拌速度为100-300转，反应时间为12-48h。
本发明使用的氧化石墨烯由Hummer法制备而成。冰火水浴下向2-5g石墨粉中加入1g NaNO3和50mL浓硫酸，充分搅拌后加入6g高锰酸钾氧化剂并保持30℃反应。30min后加入92mL去离子水搅拌15min后继续加入80mL 3％的双氧水。离心洗至中心后，超声均匀分散在乙醇溶液中。向石墨烯均匀分散的乙醇溶液中加入适量聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球，升温搅拌1h后用水洗去多余氧化石墨烯得到氧化石墨烯包覆型聚合物基质。
取2mL的乙二胺溶于20mL的甲醇中，冰水浴搅拌下缓慢加入23g的丙烯酸甲酯，滴加完毕后缓慢升温至20～30℃，搅拌反应18-24h，旋蒸除去多余反应物和甲醇溶剂，得到半代的聚酰胺-胺树状大分子。取5g半代聚酰胺-胺溶解于20mL甲醇中，冰水浴搅拌下缓慢滴加15g的乙二胺，滴加完毕后慢升温至20～30℃，搅拌反应18-24h，旋蒸提纯后得到第一代聚酰胺-胺树状大分子。
以乙醇为溶剂，将制备的第一代聚酰胺-胺树状大分子与氧化石墨烯包覆的聚合物微球70℃反应，接枝到氧化石墨烯包覆微球的表面，再用1,4-丁二醇而缩水甘油醚进一步修饰后制备出对生物小分子具有吸附性能的吸附材料。用于进一步修饰的1,4-丁二醇而缩水甘油醚试剂的浓度为30％。
实施例二
以95％的乙醇水溶液为基质，加入5-30mL苯乙烯单体，0.5-1g偶氮二异丁腈引发剂，0.5-4g聚乙烯吡咯烷酮稳定剂，70℃反应过夜制得粒径1～3μm单分散线性聚苯乙烯种子，将种子分散到2％的十二烷基磺酸钠溶液中备用。取2mL制备的种子和邻苯二甲酸二丁酯溶解于50mL十二烷基磺酸钠溶液中，溶胀过夜。加入超声混匀的含有苯乙烯(2-5％,v/v)、二乙烯基苯(4-10％,v/v)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(0.4-1.2％,v/v)、十二烷基磺酸钠(0.2-0.5％,m/v)、过氧化苯甲酰(0.1-0.2％,m/v)、甲苯(5-15％,v/v)和聚乙烯醇(0.5-5％,m/v)的混合溶液溶胀后加热反应得到直径为5-8μm的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球，反应温度为60-85℃，搅拌速度为100-300转，反应时间为12-48h。
本发明使用的氧化石墨烯由Hummer法制备而成。冰火水浴下向2-5g石墨粉中加入1g NaNO3和50mL浓硫酸，充分搅拌后加入6g高锰酸钾氧化剂并保持30℃反应。30min后加入92mL去离子水搅拌15min后继续加入80mL 3％的双氧水。离心洗至中心后，超声均匀分散在乙醇溶液中。向石墨烯均匀分散的乙醇溶液中加入适量聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球，升温搅拌1h后用水洗去多余氧化石墨烯得到氧化石墨烯包覆型聚合物基质。
取2mL的乙二胺溶于20mL的甲醇中，冰水浴搅拌下缓慢加入23g的丙烯酸甲酯，滴加完毕后缓慢升温至20～30℃，搅拌反应18-24h，旋蒸除去多余反应物和甲醇溶剂，得到半代的聚酰胺-胺树状大分子。取5g半代聚酰胺-胺树状大分子溶解于20mL甲醇中，冰水浴搅拌下缓慢滴加15g的乙二胺，滴加完毕后慢升温至20～30℃，搅拌反应18-24h，旋蒸提纯后得到第一代聚酰胺-胺树状大分子。依次加入丙烯酸甲酯和乙二胺试剂重复上述两步骤，可以制备出含有更多末端胺基的第二代聚酰胺-胺树状大分子。
以乙醇为溶剂，将制备的第二代聚酰胺-胺树状大分子与氧化石墨烯包覆的聚合物微球70℃反应，接枝到氧化石墨烯包覆微球的表面，再用1,4-丁二醇而缩水甘油醚进一步修饰后制备出对生物小分子具有吸附性能的吸附材料。用于进一步修饰的1,4-丁二醇而缩水甘油醚试剂的浓度为30％。
实施例三
将制备的以树状大分子为修饰材料的氧化石墨烯包覆聚合物为基质的吸附材料通过湿法装柱装入不锈钢柱管(150mm×4.6mm i.d.)内。以Ultimate 3000液相色谱配赛默飞UVD 340U紫外检测器分别测定制备的吸附材料对油酸、亚油酸和氨基酸的吸附能力。将配制浓度为20mM的待测分子溶液作为流动相，流速为1.0mL/min.油酸亚油酸的检测波长为230nm,氨基酸的检测波长为210nm。
测试前先以1.0mL/min的流速的去离子水将色谱柱冲洗30分钟，待信号稳定后，将流动相改成待测生物小分子溶液，保持流速为1.0mL/min不变，紫外检测器测定流出液的信号。开始，流动相中的生物小分子被色谱柱内的填料吸收，流出液中不含有小分子，紫外基线平稳。当色谱柱吸收达到饱和后，生物小分子开始出现在流出液中，紫外检测器信号会出现突越。色谱填料对小分子的吸附能力可以通过一下公式计算出：
A＝VC(t-t0)
其中，V为流动相流速，C为流动相中生物小分子的浓度，t为紫外信号出现突越的实践，t0为色谱柱的死时间。
图2是吸附剂吸附生物分子的突越曲线。将制备的吸附填料装入不锈钢柱管中，以Ultimate 3000液相色谱配赛默飞UVD 340U紫外检测器，分别以待吸附生物小分子物质20mM的溶液为淋洗液，检测流出色谱柱液体的紫外信号。待色谱柱吸附达到饱和，流出液中含有生物小分子，紫外信号便会发生突越，根据流速和突越时间可以计算出吸附填料对小分子的吸附能力。
以上列举的仅是本发明的部分具体实施例，显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种聚酰胺-胺接枝氧化石墨烯包覆型生物小分子吸附剂的制备方法，其特征在于，采用苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯聚合物微球作为吸附剂的基质，在基质表面包覆一层Hummer法制备的氧化石墨烯衍生化出复合基质材料，通过化学接枝法将聚酰胺-胺树状大分子接枝到基质表面，用1，4-丁二醇缩水甘油醚进一步修饰，制备出生物小分子吸附剂。
2.根据权利要求1所述的聚酰胺-胺接枝氧化石墨烯包覆型生物小分子吸附剂的制备方法，其特征在于，具体步骤为：所述的聚合物微球交联度为55％，直径为5-8μm，表面孔径为6-9nm。
3.根据权利要求1所述的聚酰胺-胺接枝氧化石墨烯包覆型生物小分子吸附剂的制备方法，其特征在于，所述的用于衍生化出复合基质材料的氧化石墨烯为根据Hummer法制备而得，在浓硫酸中高锰酸钾与石墨烯粉末经氧化反应后得到棕色带有含氧基团的石墨烯薄片，经超声作用可以从薄片中剥离出氧化石墨烯片层。
4.根据权利要求1所述的聚酰胺-胺接枝氧化石墨烯包覆型生物小分子吸附剂的制备方法，其特征在于，所述的聚酰胺-胺树状大分子是以乙二胺为核，通过乙二胺与丙烯酸甲酯交替的迈克尔加成和酰胺化反应制备而成。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的聚酰胺-胺接枝氧化石墨烯包覆型生物小分子吸附剂的制备方法，其特征在于，具体实验步骤如下：
a)、分散法制备单分散聚苯乙烯微球种子
以乙醇为溶剂，苯乙烯为单体，加入聚苯乙烯吡咯烷酮稳定剂和偶氮二异丁腈引发剂，在氮气保护下通过自由基聚合生成单分散的线性聚苯乙烯微球种子；
b)、种子溶胀法制备苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球
将制备的线性聚苯乙烯种子活化后与邻苯二甲酸二丁酯混合溶胀，再加入由甲基丙烯酸缩水甘油酯单体、二乙烯基苯交联剂、过氧化苯甲酰引发剂、十二烷基磺酸钠乳化剂，聚乙烯醇稳定剂、甲苯致孔剂组成的均匀乳液溶胀后在氮气保护下发生单体聚合反应，制备得到聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯多孔微球；所得微球经甲苯索式提取除去稳定剂和乳化剂，通过对交联剂的调节，控制微球的交联度；
c)、Hummer法制备氧化石墨烯
将石墨粉和浓硫酸在冰水浴条件下充分混合后加入高锰酸钾，室温保持后加水稀释，升温反应后加入双氧水还原残留的氧化剂，将得到的棕黄色固体离心洗至中性、超声剥离、冷冻干燥后得到氧化石墨烯固体；
d)、氧化石墨烯包覆型聚合物基质的合成
通过超声溶解将氧化石墨烯和苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球均匀分散在乙醇溶剂中，加热反应，待氧化石墨烯均匀包覆后，真空烘干得到氧化石墨烯包覆型聚合物基质；
e)、聚酰胺-胺树状大分子的制备
以乙二胺为核，甲醇作为溶剂，加入丙烯酸甲酯发生迈克尔加成反应制备得到0.5代的聚酰胺-胺树状大分子，将产物用甲醇溶解后加入乙二胺单体，酰胺化反应后制备得到1.0代的聚酰胺-胺树状大分子，重复以上迈克尔加成和酰胺化反应，根据需求制备出不同代数的聚酰胺-胺树状大分子；
f)、聚酰胺-胺接枝和吸附剂的修饰
制备的整数代聚酰胺-胺树状大分子和氧化石墨烯包覆的聚合物基质在乙醇溶剂中混合均匀后，通过聚酰胺-胺树状大分子末端胺基和氧化石墨烯表面环氧官能团的反应将树状大分子接枝到基质表面，接枝后生成的产物经1，4-丁二醇二缩水甘油醚进一步功能化即可制备出油酸、亚油酸、氨基酸等生物小分子吸附剂。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的聚酰胺-胺接枝氧化石墨烯包覆型生物小分子吸附剂的制备方法，其特征在于，选择采用不同代数的聚酰胺-胺树状大分子作为修饰材料，吸附剂的吸附能力通过选择聚酰胺-胺树状大分子的代数调控。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的聚酰胺-胺接枝氧化石墨烯包覆型生物小分子吸附剂的制备方法，其特征在于，所制备的吸附剂对油酸、亚油酸和氨基酸等生物小分子具有不用程度的吸附力，可用于解决生物小分子的吸附问题。
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