CN108299652B - 一种具有高手性选择性的石墨烯纳米材料及其制备与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高手性选择性的石墨烯纳米材料及其制备与应用，该材料包括了石墨烯、温敏组分和磁性组分等。本发明的材料具有高的手性选择性、温敏性、磁响应性，在对氨基酸对映体的手性拆分中具有操作简单、拆分效率高、材料回收方便、操作过程对环境友好的效果，且具有良好的工业化应用前景。

Description

一种具有高手性选择性的石墨烯纳米材料及其制备与应用

技术领域

本发明属于石墨烯纳米材料技术领域，涉及一种石墨烯纳米材料，具体涉及一种具有高手性选择性的石墨烯纳米材料及其制备与应用。

背景技术

较多活性成分或生命物质在实际使用时，只有其中具有特定手性结构的一部分能被人体直接利用。如作为生命有机体重要组成部分的氨基酸，实际上存在D型和L型两种不同的构型，这两种不同构型氨基酸对应体往往具有显著不同的作用。L型氨基酸对人体具有活性或有益，而D型氨基酸则不具有活性甚至对人体会产生严重负面作用；另一方面，D型氨基酸也具有一些重要功能，比如参与调节荷尔蒙的分泌、神经信号传递、人体的衰老等生理过程。此外，D型氨基酸在人体内的出现或含量增加也预示了一些疾病的出现，比如精神分裂症等。因此，对氨基酸对映体进行有效拆分具有重要的科学意义和实践价值。

现有的氨基酸对映体拆分方法包括直接拆分法和间接拆分法，间接拆分法如色谱法、电泳法，它们虽然具有高的手性选择性，但往往成本较高、且操作复杂；直接拆分法如膜分离法、结晶法等，处理量又很有限。

部分现有技术进一步研究了将某些磁性纳米材料用作氨基酸对映体直接拆分的可能性，例如将大环抗生素体考拉宁、牛血清白蛋白或人血清白蛋白等对二氧化硅包覆Fe₃O₄磁性纳米粒子进行功能化修饰，制得一系列手性磁性纳米选择剂，但使用这些手性选择剂对氨基酸对映体进行拆分时通常操作较复杂，环境友好性差，最重要的是在对氨基酸对映体进行拆分后难以快速、简便地实现对映体分子的解析及手性选择剂的再生。

为解决上述技术问题，发明人在其研究中开发了具有温敏性的手性磁性Fe₃O₄纳米复合粒子，实现了对氨基酸对映体拆分时操作简单、对环境友好，且在拆分后可快速、简便实现对映体分子的解析及手性选择剂的有效再生，但在进一步的应用中发现，这些新材料的处理量较小，对于规模化或工业化的应用具有一定限制。

发明内容

本发明的目的在于提出一种同时具有高手性选择性、温敏性、磁响应性，处理量大、在手性拆分后可快速、简单地实现对映体分子的解析及材料再生的石墨烯纳米材料，该材料可应用于氨基酸对映体的手性识别和拆分，其在对氨基酸对映体的拆分中操作简单、拆分效率高、回收方便、对环境也很友好。

本发明首先提出了如下的技术方案：

一种具有高手性选择性的石墨烯纳米材料,所述石墨烯纳米材料以磁性氧化石墨烯为基体，并在所述基体表面接枝有聚合物链聚(NIPAM-co-GMA)-CD；所述基体的比表面积为300-500m²/g；所述聚合物链中聚(NIPAM-co-GMA)链段的接枝量为700～900mg/g，β-CD的接枝量为200～400mg/g；所述磁性氧化石墨烯包括氧化石墨烯及其表面固载的Fe₃O₄磁性纳米颗粒；优选地，所述Fe₃O₄磁性纳米颗粒的平均粒径为80～100nm；优选地，所述聚合物链中聚(NIPAM-co-GMA)链段的接枝量为826.5mg/g，β-CD的接枝量为327.8mg/g。

上述方案中所述聚(NIPAM-co-GMA)-CD指的是聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-甲基丙烯酸缩水甘油酯)-环糊精。

一种具有高手性选择性的石墨烯纳米材料的制备方法，其包括以下步骤：

(1)通过氧化石墨烯与铁化合物的反应制备磁性氧化石墨烯；

(2)通过盐酸多巴胺与2-溴异丁酰溴反应所得的产物修饰磁性氧化石墨烯，制得磁性氧化石墨烯大引发剂；

(3)向磁性氧化石墨烯大引发剂中加入功能性第一反应物，含环氧基团第二反应物，催化剂，配体，反应后得到环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯；

(4)将所述环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯与氨基功能化β-环糊精反应，即制得所述具有高手性选择性的石墨烯纳米材料。

在一种具体实施方式中所述功能性第一反应物为N-异丙基丙烯酰胺，所述第二反应物为甲基丙烯酸缩水甘油酯。

本发明中，氧化石墨烯可通过市售产品获得，也可通过现有技术制得，如通过文献Preparation of graphitic oxide,JACS,1958,80,1339；或文献An improved Hummersmethod for eco-friendly synthesis of graphene oxide.Carbon,2013,64,225而制得。

本发明的步骤(1)搅拌速率越高，加入的苯乙烯磺酸-马来酸酐共聚物在溶剂中的溶解性越好，反应后制得的磁性氧化石墨烯表面的Fe₃O₄颗粒越均匀。搅拌速率可选择如1000～1200rpm。

本发明的步骤(4)反应时间越长，在磁性氧化石墨烯表面接枝聚合物刷上引入的β-CD一般越多。

在步骤(1)中选用或制备的氧化石墨烯氧化度越高，其表面的含氧官能团，如-OH，-COOH等会越多，可为其进一步功能化修饰提供更多的反应活性位点，便于接枝更多高分子聚合物刷，提高石墨烯手性选择剂的拆分性能，并且提高其在水溶液中的分散性。

在本发明一种具体实施方式中，氧化石墨烯采用如下方式制备：将石墨粉、NaNO₃在强酸条件下混合，于冰水浴中使用强氧化剂进行氧化，所述强酸进一步选自浓硫酸或浓硝酸，所述强氧化剂进一步选自KClO₃或KMnO₄。

在一种具体的实施方式中，氧化石墨烯采用如下的方式制备：

将1份石墨粉、1份NaNO₃及浓H₂SO₄在冰水浴条件下搅拌均匀，其后缓慢加入6份KMnO₄，维持冰水浴条件搅拌0.5h，其后移去冰水浴，将混合液放入40℃油浴中继续反应1.5h，其后缓慢加入去离子水，升温至90℃继续反应0.5h，反应结束后，向混合液中再次加入去离子水，趁热滴入H₂O₂，至无气泡产生为止，将混合液趁热抽滤，滤饼使用稀HCl和去离子水离心洗涤至上清液为中性，产物冷冻干燥，即得到所述氧化石墨烯。

在一种具体实施方式中，所述步骤(1)包括以下过程：将氧化石墨烯与铁化合物在第一溶剂中混合均匀，其后加入乙酸钠及苯乙烯磺酸-马来酸酐共聚物，在15～35℃下搅拌0.5h后，再于198～220℃下反应6～20h，其后冷却、用乙醇和去离子水交替洗涤，即得到所述磁性氧化石墨烯；所述铁化合物选自硫酸铁、氯化铁或它们溶剂合物中的一种或多种；所述溶剂合物进一步地可选自水合物；所述第一溶剂进一步选自乙二醇；

优选地，所述氧化石墨烯、铁化合物、乙酸钠与苯乙烯磺酸-马来酸酐共聚物的配比为0.1:1:3:1。

优选地，所述氧化石墨烯在第一溶剂中的浓度为0.2wt％。

在一种具体实施方式中，所述步骤(2)包括以下过程：将盐酸多巴胺、催化剂、2-溴异丁酰溴在有机溶剂中溶解，在惰性氛围中下于室温反应3～12h，其后加入所述磁性氧化石墨烯及Tris-HCl缓冲液，于室温下反应3～24h，反应结束后对产物进行磁分离、洗涤，即得到磁性氧化石墨烯大引发剂，所述催化剂选自四甲基乙二胺(TMEDA)、1,1,4,7,7-五甲基二亚乙基三胺(PMDTA)、1,1,4,7,10,10-六甲基三亚乙基四胺(HMTETA)和三(N,N-二甲基氨基乙基)胺(Me₆-TREN)中的一种或多种。

优选地，所述盐酸多巴胺、催化剂、2-溴异丁酰溴、磁性氧化石墨烯的配比为0.4:0.3:0.48:0.15。

优选地，所述盐酸多巴胺在有机溶剂中的浓度为2wt％。

优选地，所述Tris-HCl缓冲液与有机溶剂的体积比为50:20。

优选地，所述有机溶剂为DMF。

在一种具体实施方式中，所述步骤(3)包括以下过程：将所述磁性氧化石墨烯大引发剂与N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸缩水甘油酯、CuBr、2,2-联吡啶加入到甲醇/去离子水中混合均匀，紧接着进行冻融脱气处理，其后在惰性氛围下于60～75℃下反应12～48h，其后将产物冷却、磁分离、洗涤、冷冻干燥，即得到所述环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯。

优选地，所述磁性氧化石墨烯大引发剂、N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸缩水甘油酯、CuBr与2,2-联吡啶的配比为0.08:1.73:1.08:0.06:0.18。

优选地，所述磁性氧化石墨烯大引发剂在甲醇/去离子水中的浓度为0.4wt％。

在一种具体实施方式中，所述步骤(4)包括以下过程：将所述环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯与乙二胺修饰β-环糊精在DMF中超声分散均匀，其后在60～75℃下反应12～48h，其后将产物磁分离、洗涤、冷冻干燥，即得到所述具有高手性选择性的石墨烯纳米材料。

优选地，所述环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯与乙二胺修饰β-环糊精的配比为0.08:0.75。

优选地，所述环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯在DMF中的浓度为0.4wt％本发明中，所述“惰性氛围”，是指采用氮气保护的方式。另外，所述除氧气，是采用充入氮气的方式。所述室温，是指温度在20～40℃。

在一种具体实施方式中，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将0.1份所述氧化石墨烯在乙二醇/去离子混合溶剂中超声分散均匀，其后加入1份FeCl₃·6H₂O，继续剧烈搅拌2h，紧接着再加入3份NaAc和1份苯乙烯磺酸-马来酸酐共聚物(PSSMA)搅拌0.5h后于200℃下密封反应10h，其后冷却至室温，将产品用去离子水洗涤，即得到所述磁性氧化石墨烯；

(2)将0.4份盐酸多巴胺在氮气氛围中加入到10体积份DMF，紧接着加入0.3体积份三乙胺，搅拌均匀后滴入溶解有0.26体积份2-溴异丁酰溴的DMF溶液，室温下搅拌反应3h，其后加入0.15份所述磁性氧化石墨烯和50体积份Tris-HCl缓冲溶液，于室温下反应12h，反应结束后将产物进行磁分离，依次使用DMF、乙醇和水洗涤，即得到所述修饰后的磁性氧化石墨烯大引发剂；

(3)取所述修饰后的磁性氧化石墨烯大引发剂，加入到甲醇/去离子水混合溶剂中超声分散，其后加入1.73份N-异丙基丙烯酰胺和1体积份甲基丙烯酸缩水甘油酯，搅拌下通氮除氧10分钟，其后再加入0.06份CuBr和0.18份2,2-联吡啶，剧烈搅拌条件下继续通氮除氧，然后进行冻融脱气处理，其后在60℃氮气氛围下反应12h，反应结束后待产物冷却至室温后进行磁分离，用乙醇和去离子水进行多次洗涤，其后冷冻干燥，即得到所述环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯；

(4)将0.08份所述环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯和0.75份乙二胺修饰β-环糊精加入到无水DMF，而后进行超声分散，其后在60℃下搅拌反应36h，反应结束后对产物进行磁分离，依次使用DMF、无水乙醇和去离子水洗涤，冷冻干燥，即得到所述具有高手性选择性的石墨烯纳米材料。

该实施方式中所涉及的文字表述“份”，除“体积份”外，均是指质量份，其只为了体现同一步骤内的质量比例关系，如步骤(1)中所述1份石墨粉、1份NaNO₃可认为表示石墨粉与NaNO₃的质量比为1:1，由此也可说明，不同步骤间的“份”数关系并不必然具有质量比例的限定，如步骤(2)中所述0.1份氧化石墨烯，其是在步骤(2)内独立的质量表示，而不必与步骤(1)所述1份石墨粉具有一定的质量比例，即步骤(2)中所述的0.1份氧化石墨烯的质量不必是步骤(1)中所述的1份石墨粉的0.1:1倍。

在该实施方式中，同一步骤内的“份”(即质量份)与“体积份”具有同一单位量级下的比例关系，如步骤(3)所述0.4份盐酸多巴胺，10体积份DMF和0.3体积份三乙胺在数值上具有0.4:10:0.3的关系，所述数值均是指同一量级下的数值，如g对应mL，kg对应L后的数值比较。

本发明进一步提出了一种具有高手性选择性的石墨烯纳米材料，其可根据上述任一种技术方案或其具体实施方式制备得到。

在一个具体实施例中可以观察到，本发明制备过程中，在氧化石墨烯片层上固载有大量粒径约为80～100nm的Fe₃O₄磁性纳米颗粒，其后当更多功能聚合物链接枝到磁性氧化石墨烯表面后，在氧化石墨烯片层上可观察到浅灰色的有机物层，随着不同接枝过程的进行，氧化石墨烯片层的厚度逐渐增加，片层颜色也不断变深，说明接枝上的有机物含量在制备过程中不断增加，在一个具体的实施例中根据热重数据，其制得的磁性氧化石墨烯纳米材料中含环氧基温敏共聚物聚(NIPAM-co-GMA)接枝量为826.5mg/g；环糊精的接枝量为327.8mg/g。

本发明进一步提出了上述具有高手性选择性的石墨烯纳米材料在氨基酸对映体手性拆分中的应用。由于该材料具有良好的回收性能，因此可以重复应用。

在一个具体的应用例中，将该石墨烯纳米材料加入到氨基酸对映体溶液中，在溶液温度低于该材料表面接枝聚合物分子链的低临界溶液温度(LCST)时，接枝的分子链呈现亲水伸展的状态，此时材料上的β-CD与溶液中客体分子的结合常数较大，通过分子识别作用选择性地包结特定构型氨基酸对映体(如L型)，而将其他构型的对映体(如D型)残留于溶液中，实现不同手性分子的拆分；其后通过外加磁场作用，可将该负载有特定构型氨基酸对映体分子的材料从溶液中分离出，实现不同手性分子的分离等；在分离之后，可将该负载有特定构型氨基酸对映体分子的材料在溶液中升温，至溶液温度高于该材料表面接枝聚合物分子链的LCST时，接枝的分子链呈现疏水收缩的状态，此时材料上的β-CD与客体分子的结合常数大大降低，可将负载的特定构型氨基酸对映体分子自动地解析到溶液中，实现其分离，并可通过再次外加磁场作用实现该石墨烯材料与氨基酸对映体的分离，实现该材料的回收再利用。

在一个具体的应用例中，该石墨烯纳米材料可在5h内实现对特定构型氨基酸对映体的快速拆分。

本发明的制备方法中，在磁性石墨烯表面接枝的功能性聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-甲基丙烯酸缩水甘油酯)(聚(NIPAM-co-GMA)高分子链，在共聚物接枝链中，PNIPAM链段可根据外界环境温度的变化而自身构相发生可逆性变化，具有优异的温度响应特性和较快的响应速度。

本发明的制备方法将氧化石墨烯作为基材，其比表面积巨大，且富含含氧官能团，片层上含有羟基和环氧基，而边缘则存在羧基和羰基，极易与有机物通过静电、氢键或π-π堆叠等作用而结合，因此具有很大的吸附处理处理能力。

但氧化石墨烯表面自身不含手性识别位点，无法直接用作手性选择剂。本发明的制备方法利用氧化石墨烯所具有的巨大比表面积，在其表面接枝高密度功能性聚合物链，同时固载一定量Fe₃O₄磁性纳米粒子，使其同时具有高的手性选择性性、温敏性、磁响应性等多种功能，且性能间协同增效，相互配合，形成了纳米材料。

本发明的制备方法中形成的聚多巴胺层在氧化石墨烯基材上可固定反应活性位点，可在不同基材表面(如不同的基材表面形态，基材类型等)下形成良好的涂层，实现对表面功能性聚合物链的最大化接枝。

本发明的制备方法中使用聚多巴胺涂层为中间桥梁，在氧化石墨烯表面引入大量可发生原子转移自由基聚合的卤素Br原子，从而在氧化石墨烯表面接枝大量功能性聚合物链，极大地提高了材料的手性选择性，克服了实际应用时的缺陷。

本发明的制备方法在氧化石墨烯基材上引入具有磁靶向功能的Fe₃O₄纳米粒子，为在外加磁场作用下可方便地将手性拆分后的材料从氨基酸对映体溶液中分离出来，实现材料的回收再利用，极大地降低了其使用成本。

本发明的制备方法在材料上引入PNIPAM链段作为温度响应的激励器，可通过简单改变对映体溶液的温度实现氨基酸对映体的拆分，以及石墨烯手性选择剂材料的再生。不仅操作简单，而且还有效防止了常规拆分法需使用大量有机溶剂或无机盐溶液给环境带来的污染，大大提高了效率。

本发明的制备方法中将β-环糊精(β-CD)引入到了PNIPAM分子链上，形成的PNIPAM-β-CD聚合物结构不仅具有良好的温敏性、分子识别特性，而且PNIPAM分子链的温敏相变能力等对聚合物链上β-CD与客体分子(如某一构型氨基酸对映体分子)的结合具有显著影响，如环境温度低于PNIPAM分子链的低临界溶液温度(LCST)时，其呈现亲水伸展的状态，此时材料上的β-CD对客体分子的结合常数增大，而当环境温度高于PNIPAM分子链的LCST时，其呈现疏水收缩的状态，此时材料上的β-CD对客体分子的结合常数大大降低。

本发明的制备方法不需要使用特殊的仪器设备和昂贵的实验试剂，适合在简单的工艺条件下进行推广应用，易于实现工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1制备过程中得到的材料的扫描电镜和透射电镜图；

图2为本发明实施例1制备过程中得到的材料的FT-IR谱图；

图3为本发明实施例1制备过程中得到的材料的热重分析图；

图4为本发明实施例1制备过程中得到的材料的磁化曲线图；

图5为本发明实施例1制备得到的材料对DL-Trp的直接拆分效果图；

图6为本发明实施例1制备得到的材料用于DL-Trp拆分的循环利用性能图；

图7为本发明的具有高手性选择性石墨烯纳米材料的应用示意图。

具体实施方式

实施例1

一、通过以下过程制备具有高手性选择性的石墨烯纳米材料：

(1)氧化石墨烯(GO)的制备：在500mL烧杯中依次加入1g石墨粉、1gNaNO₃和50mL浓H₂SO₄，在冰水浴条件下搅拌均匀，在搅拌下缓慢加入6gKMnO₄(30min内加完)，继续在冰水浴中搅拌0.5h，其后移去冰水浴，将混合液放入40℃油浴中继续反应1.5h，然后缓慢加入100mL去离子水，升温至90℃继续反应0.5h，待反应结束后，向混合液中再次加入100mL去离子水，趁热逐滴滴加H₂O₂至无气泡产生为止，此时溶液由棕色变成金黄色，将反应液趁热抽滤，滤饼分别用稀HCl和去离子水离心洗涤至上清液为中性，产物冷冻干燥备用；

(2)磁性氧化石墨烯(MGO)的制备：称取100mg制得的氧化石墨烯于100mL三口烧瓶中，加入48mL乙二醇和2mL去离子水，超声并剧烈搅拌1.5h使氧化石墨烯均匀分散，随后加入1.0gFeCl₃·6H₂O，继续剧烈搅拌2h，其后加入3.0g NaAc和1.0g PSSMA(Mw＝20,000；n(SS):n(MA)＝3:1)，搅拌0.5h后将反应液转移到100mL聚四氟乙烯内衬反应釜中，于200℃下反应10h，待反应冷却至室温后将产品用去离子水洗涤4～5次，最后分散于30mL去离子水中备用；

(3)聚多巴胺修饰磁性氧化石墨烯大引发剂(MGO@PDA-Br)的制备：称取0.4g盐酸多巴胺于100mL干燥的三口烧瓶中，先通入氮气10min除氧，再加入10mLDMF和0.3mLTEA，搅拌均匀后逐滴滴加10mL溶解有0.26mLBiBB的DMF溶液，室温下搅拌反应3h，其后加入150mg上述MGO材料和50mL Tris-HCl缓冲溶液(pH＝8.5-8.8)，室温下反应12h，反应结束后对产品进行磁分离，依次使用DMF、乙醇和水洗涤4～5次，最后分散在20mL去离子水中备用；

(4)环氧基功能化温敏磁性氧化石墨烯(MGO@PNG)的制备：量取10mL上述MGO@PDA-Br材料分散液于50mL反应瓶中，磁分离移去上清液，加入10mL甲醇和10mL去离子水，超声分散30min，其后加入1.73gNIPAM和1mL GMA，搅拌下通入氮气除氧30min，随后再加入0.06gCuBr和0.18gBpy，剧烈搅拌条件下继续通氮气除氧30min，其后进行冻融脱气操作三次后在60℃、氮气保护下反应12h，待产物冷却至室温后磁分离，用乙醇和去离子水分别洗涤4～5次，其后冷冻干燥备用；

(5)β-CD修饰的温敏磁性氧化石墨烯(MGO@PNG-CD)的制备：称取80mg上述MGO@PNG样品和0.75gEDA-β-CD(Mw＝1177)于50mL三口烧瓶中，加入25mL无水DMF超声分散30min，其后在60℃下搅拌反应36h，反应结束后对产物磁分离，依次用DMF、无水乙醇和去离子水洗涤4～5次，冷冻干燥，即得到所述手性选择性的石墨烯纳米材料；其中所用EDA-β-CD为

二、对该磁性石墨烯纳米材料(MGO@PNG-CD)通过以下过程验证其拆分性能：

称取100mgMGO@PNG-CD样品加入到15mL一定浓度的DL-Trp对映体溶液中(浓度分别选取0.25、0.50和1.00mM)，在恒温水浴下振荡(温度选取为25℃和55℃)，每隔一段时间对样品溶液进行磁分离取上清液，利用高效液相色谱法(HPLC)进行拆分性能测试；

其中：

HPLC的测试条件为：柱温40℃，检测波长278nm，流动相为手性配体溶液/甲醇的混合溶液(v/v＝95:5)，流速为1.0mL/min；

所述手性配体溶液的配置方法为：称量0.75g无水硫酸铜和0.99g L-苯丙氨酸于1L的容量瓶中，加去离子水溶解并定容至1L即可。

测样时，每个样品测试三次求其平均值，根据公式(1)计算对映体过量值(enantiomeric excess，e.e.(％))来分析其拆分效果，

式中，A_D和A_L分别表示使用HPLC测出D-Trp和L-Trp的相应出峰面积。

三、通过以下测试考察该石墨烯纳米材料的重复利用性能：测试过程与上述验证其拆分性能的测试过程相同，并于每次拆分测试后，用大量甲醇和去离子水对使用后的MGO@PNG-CD进行超声洗涤，除去吸附于材料表面的Trp分子，然后用于下一循环DL-Trp的拆分。

对实施例1得到的石墨烯材料及其制备过程中产生的中间材料进行形貌、性能方面的检测，结果显示：

如附图1所示，在GO片层上固载有大量粒径约为80-100nm的Fe₃O₄纳米颗粒(a，e)；当功能聚合物链接枝到MGO表面后，在GO片层上可持续观察到浅灰色的有机物物层，GO片层逐渐变厚，这说明MGO表面已接枝上了大量功能行有机物链。从TEM的结果还可看出，接枝功能聚合物链后，GO片层颜色变深，说明其实现了表面被一定厚度有机物所覆盖(g，h)。

对上述GO、MGO、MGO@PDA-Br、MGO@PNG和MGO@PNG-CD样品进行FT-IR测试，结果如附图2所示：

其中曲线a的1063cm^-1为GO表面环氧基C-O-C的伸缩振动，1410cm^-1为酚羟基上C-OH的伸缩振动特征峰，1633cm^-1为苯环上C＝C的伸缩振动，1739cm^-1处为-COOH的C＝O伸缩振动特征峰；

曲线b中565cm^-1处为MGO上Fe-O的伸缩振动特征峰，1174cm^-1为PSSMA上SO₃ ^-的反对称伸缩振动吸收峰，1406cm^-1和1570cm^-1处为PSSMA上-COO^-的C＝O的对称伸缩振动和反对称伸缩振动特征峰，1641cm^-1是苯环上C＝C的伸缩振动，同时也能观察到MGO上的C＝O特征峰(1714cm^-1)和环氧基特征峰(1053cm^-1)比GO的弱，表明GO在反应过程中发生了部分还原，上述结果说明，Fe₃O₄纳米粒子已成功固载到GO上；

曲线c的1641cm^-1处的特征峰归属于MGO@Br上BiBB分子中C＝O伸缩振动；

曲线d的1730cm^-1和906cm^-1处分别属于MGO@PNG上PGMA中C＝O的伸缩振动和环氧基的特征峰，1660cm^-1和1570cm^-1处分别为PNIPAM中C＝O伸缩振动和N-H变形振动特征峰，上述结果表明，功能聚合物链已成功接枝在MGO表面；

曲线e的1034cm^-1和1155cm^-1处可观察MGO@PNG-CD上β-CD的C-O-C吸收特征峰和C-C/C-O伸缩振动特征峰，同时909cm^-1处的环氧基特征峰消失，上述结果表明，β-CD已成功引入到MGO表面的聚合物链上。

对上述样品MGO、MGO@PDA-Br、MGO@PNG和MGO@PNG-CD进行热重分析，结果如附图3所示，进一步的热重分析接枝计算结果如下表所示：

从图3和上表可以看出，在40～800℃范围内，MGO的失重率为27.3％，这是由于磁性石墨烯表面未还原的含氧官能团(-COOH、-OH和C-O-C等)以及接枝的PSSMA分子的分解所致。经进一步修饰后，MGO@PDA-Br的失重率比氧化石墨烯增加了7.12％，这是由于MGO表面接枝的PDA-Br分子在高温下发生分解所致，经SI-ATRP聚合反应及β-CD修饰后，制得的MGO@PNG和MGO@PNG-CD的失重率分别为88.62％和92.35％，失重率明显增加，这是因为GO表面接枝的聚合物链的分解所致，说明这两个样品上均接枝了大量聚合物。

对样品MGO、MGO@PDA-Br、MGO@PNG和MGO@PNG-CD的元素进行分析，结果如下表所示：

从上表可以看出，随着反应的进行，C、H含量明显增加，分别从18.09％增加到32.62％和从1.442％增加到4.489％，表明反应上的有机物逐渐增加，这与热重分析结果一致。

对样品MGO、MGO@PDA-Br、MGO@PNG和MGO@PNG-CD在室温下进行磁性能测试，如附图4所示，样品的饱和磁化强度值分别为50.8、49.1、9.4、5.6emu/g，图中a’为MGO@PNG-CD在水溶液中的分散行为，b’为MGO@PNG-CD在外磁场下的分离行为，可以看出在MGO表面接枝聚合物链后其饱和磁强度值有所下降，但仍具有良好的磁性，在外加磁场的作用下5分钟内便实现了分离。

MGO@PNG-CD、MGO@PNG样品对DL-Trp的手性拆分效果通过对映体过盈量值(e.e.％)进行评价，e.e.％值越大，说明其拆分效果越好，如附图5所示：

其中，a是25℃和55℃下MGO@PNG-CD和MGO@PNG对DL-Trp的直接拆分性能，b是25℃和55℃下氨基酸的浓度对MGO@PNG-CD的拆分性能的影响。从图中可看出，温度对MGO@PNG-CD的拆分性能有重要影响，在溶液温度(拆分温度)为25℃，此时溶液温度低于磁性石墨烯表面聚合物接枝链的LCST、DL-Trp浓度为0.25mM时，e.e.％值随时间的增加而逐渐增大，在5h时，e.e.％值便达到了100％，即实现了DL-Trp完全拆分。这是因为当溶液温度低于聚合物接枝链的LCST时，聚合物接枝链呈亲水伸展的状态，分子链上大量β-CD分子能选择性地识别对映体溶液中的L-Trp，并与之形成包合物而出现了较高e.e.％值，当拆分温度为55℃时，e.e.％值随时间的增加并未出现明显变化，最大值仅为3.98％，这是因为在此温度下，接枝的聚合链处于收缩蜷曲的状态，此时β-CD分子与L-Trp分子间结合常数很小，石墨烯手性选择对DL-Trp的不具有拆分能力；而对于聚合物接枝链中不含β-CD的MGO@PNG样品，其在25℃和55℃时最大e.e.％值仅为11.36％和4.82％。对DL-Trp也几乎没有拆分能力。

另外，从b)中可以看出，MGO@PNG-CD的手性拆分能力与氨基酸对映体溶液的浓度有关系，当其浓度较低时(0.25mM)，5h便能完全的拆分；而当起浓度升至0.5mM时，DL-Trp的完全拆分的时间逐渐增加，需要16h；而当DL-Trp的浓度进一步增大至1.0mM时，DL-Trp的完全拆分时间进一步增加，需要28h。

另外，本实施方案获得的石墨烯纳米手性选择剂材料MGO@PNG-CD具有良好的循环再利用性，如图6所示，其使用6次后仍然具有良好的手性拆分性能。

本实施例得到的MGO@PNG-CD对氨基酸对映体的温度响应手性拆分应用如附图7所示：

图7说明：当环境温度低于MGO表面聚合物接枝链的LCST时，氨基酸对映体溶液中的聚合物接枝链处于亲水伸展的状态(图7b)，β-CD与对映体客体分子的结合常数较大，此时某一构型氨基酸对映体分子(如L型)进入β-CD的空腔与之形成包结物，而另一构型与β-CD结合常数较小的对映体分子(D型)则留在了对映体溶液中(图7c)，利用外加磁场的作用就能将负载一种对映体分子的磁性石墨烯与另一种对映体分子的分离(图7d)。在环境温度高于聚合物接枝链的LCST时，聚合物链处于疏水收缩状态(图7d)，β-CD与客体分子间由于空间位阻作用，结合常数变小，此时负载在石墨烯片层上的对映体分子会自动解析到溶液中(图7e)，通过外加磁场便能实现氨基酸对映体与石墨烯手性选择剂的有效分离及其回收再利用(图7e)。

实施例2

通过以下过程制备具有高手性选择性的石墨烯纳米材料：

(1)氧化石墨烯(GO)的制备：在500mL烧杯中依次加入1g石墨粉、1gNaNO₃和50mL浓H₂SO₄，在冰水浴条件下搅拌均匀，在搅拌下缓慢加入6gKMnO₄(30min内加完)，继续在冰水浴中搅拌0.5h，其后移去冰水浴，将混合液放入40℃油浴中继续反应1.5h，然后缓慢加入100mL去离子水，升温至90℃继续反应0.5h，待反应结束后，向混合液中再次加入100mL去离子水，趁热逐滴滴加H₂O₂至无气泡产生为止，此时溶液由棕色变成金黄色，将反应液趁热抽滤，滤饼分别用稀HCl和去离子水离心洗涤至上清液为中性，产物冷冻干燥备用；

(2)磁性氧化石墨烯(MGO)的制备：称取100mg制得的氧化石墨烯于100mL三口烧瓶中，加入48mL乙二醇和2mL去离子水，超声并剧烈搅拌1.5h使氧化石墨烯均匀分散，随后加入1.0gFeCl₃·6H₂O，继续剧烈搅拌2h，其后加入3.0g NaAc和1.0g PSSMA(Mw＝20,000；n(SS):n(MA)＝3:1)，在15℃下搅拌0.5h后将反应液转移到100mL聚四氟乙烯内衬反应釜中，再于198℃下反应20h，待反应冷却至室温后将产品用去离子水洗涤4～5次，最后分散于30mL去离子水中备用；

(3)聚多巴胺修饰磁性氧化石墨烯大引发剂(MGO@PDA-Br)的制备：称取0.4g盐酸多巴胺于100mL干燥的三口烧瓶中，先通入氮气10min除氧，再加入10mLDMF和0.3mL四甲基乙二胺(TMEDA)，搅拌均匀后逐滴滴加10mL溶解有0.26mLBiBB的DMF溶液，室温下搅拌反应3h，其后加入150mg上述MGO材料和50mL Tris-HCl缓冲溶液(pH＝8.5-8.8)，室温下反应3h，反应结束后对产品进行磁分离，依次使用DMF、乙醇和水洗涤4～5次，最后分散在20mL去离子水中备用；

(4)环氧基功能化的温敏磁性氧化石墨烯(MGO@PNG)的制备：量取10mL上述MGO@PDA-Br材料分散液于50mL反应瓶中，磁分离移去上清液，加入10mL甲醇和10mL去离子水，超声分散30min，其后加入1.73gNIPAM和1mL GMA，搅拌下通入氮气除氧30min，随后再加入0.06g CuBr和0.18gBpy，剧烈搅拌条件下继续通氮气除氧30min，其后进行冻融脱气操作三次后在60℃下反应48h，待产物冷却至室温后磁分离，用乙醇和去离子水分别洗涤4～5次，其后冷冻干燥备用；

(5)β-CD修饰的温敏磁性氧化石墨烯(MGO@PNG-CD)的制备：称取80mg上述MGO@PNG样品和0.75gEDA-β-CD(Mw＝1177)于50mL三口烧瓶中，加入25mL无水DMF超声分散30min，其后在60℃下搅拌反应48h，反应结束后对产物磁分离，依次用DMF、无水乙醇和去离子水洗涤4～5次，冷冻干燥，即得到所述手性选择性的石墨烯纳米材料；其中所用EDA-β-CD为

实施例3

通过以下过程制备具有高手性选择性的石墨烯纳米材料：

(1)氧化石墨烯(GO)的制备：在500mL烧杯中依次加入1g石墨粉、1gNaNO₃和50mL浓H₂SO₄，在冰水浴条件下搅拌均匀，在搅拌下缓慢加入6gKMnO₄(30min内加完)，继续在冰水浴中搅拌0.5h，其后移去冰水浴，将混合液放入40℃油浴中继续反应1.5h，然后缓慢加入100mL去离子水，升温至90℃继续反应0.5h，待反应结束后，向混合液中再次加入100mL去离子水，趁热逐滴滴加H₂O₂至无气泡产生为止，此时溶液由棕色变成金黄色，将反应液趁热抽滤，滤饼分别用稀HCl和去离子水离心洗涤至上清液为中性，产物冷冻干燥备用；

(2)磁性氧化石墨烯(MGO)的制备：称取100mg制得的氧化石墨烯于100mL三口烧瓶中，加入48mL乙二醇和2mL去离子水，超声并剧烈搅拌1.5h使氧化石墨烯均匀分散，随后加入1.0gFe₂SO₄，继续剧烈搅拌2h，其后加入3.0g NaAc和1.0g PSSMA(Mw＝20,000；n(SS):n(MA)＝3:1)，在35℃下搅拌0.5h后将反应液转移到100mL聚四氟乙烯内衬反应釜中，再于220℃下反应6h，待反应冷却至室温后将产品用去离子水洗涤4～5次，最后分散于30mL去离子水中备用；

(3)聚多巴胺修饰磁性氧化石墨烯大引发剂(MGO@PDA-Br)的制备：称取0.4g盐酸多巴胺于100mL干燥的三口烧瓶中，先通入氮气10min除氧，再加入10mLDMF和0.3mL催化剂，催化剂为1,1,4,7,7-五甲基二亚乙基三胺(PMDTA)、1,1,4,7,10,10-六甲基三亚乙基四胺(HMTETA)或三(N,N-二甲基氨基乙基)胺(Me6-TREN)，搅拌均匀后逐滴滴加10mL溶解有0.26mLBiBB的DMF溶液，室温下搅拌反应12h，其后加入150mg上述MGO材料和50mL Tris-HCl缓冲溶液(pH＝8.5-8.8)，室温下反应24h，反应结束后对产品进行磁分离，依次使用DMF、乙醇和水洗涤4～5次，最后分散在20mL去离子水中备用；

(4)环氧基功能化的温敏磁性氧化石墨烯(MGO@PNG)的制备：量取10mL上述MGO@PDA-Br材料分散液于50mL反应瓶中，磁分离移去上清液，加入10mL甲醇和10mL去离子水，超声分散30min，其后加入1.73gNIPAM和1mL GMA，搅拌下通入氮气除氧30min，随后再加入0.06g CuBr和0.18gBpy，剧烈搅拌条件下继续通氮气除氧30min，其后进行冻融脱气操作三次后在75℃下反应12h，待产物冷却至室温后磁分离，用乙醇和去离子水分别洗涤4～5次，其后冷冻干燥备用；

(5)β-CD修饰的温敏磁性氧化石墨烯(MGO@PNG-CD)的制备：称取80mg上述MGO@PNG样品和0.75gEDA-β-CD(Mw＝1177)于50mL三口烧瓶中，加入25mL无水DMF超声分散30min，其后在75℃下搅拌反应12h，反应结束后对产物磁分离，依次用DMF、无水乙醇和去离子水洗涤4～5次，冷冻干燥，即得到所述高手性选择性的石墨烯纳米材料；其中所用EDA-β-CD为

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (26)

1.一种具有高手性选择性的石墨烯纳米材料，其特征在于，所述石墨烯纳米材料以磁性氧化石墨烯为基体，并在所述基体表面接枝有聚合物链聚(NIPAM-co-GMA)-CD；所述基体的比表面积为 300~500m²/g；所述聚合物链中聚(NIPAM-co-GMA)链段的接枝量为 700~900mg/g，β-CD的接枝量为200~400mg/g；所述磁性氧化石墨烯包括氧化石墨烯及其表面固载的Fe₃O₄磁性纳米颗粒；

所述石墨烯纳米材料的制备方法包括以下步骤：

（1）通过氧化石墨烯与铁化合物的反应制备磁性氧化石墨烯；

（2）通过聚多巴胺与2-溴异丁酰溴反应所得产物，修饰所述磁性氧化石墨烯，制得磁性氧化石墨烯大分子引发剂；

（3）向所述磁性氧化石墨烯大分子引发剂中加入功能性第一反应单体、含环氧基团第二反应物、催化剂、配体，反应后制得环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯；

（4）将所述环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯与氨基功能化β-环糊精反应，即制得具有高手性选择性的石墨烯纳米材料。

2.根据权利要求1所述的具有高手性选择性的石墨烯纳米材料，其特征在于：所述Fe₃O₄磁性纳米颗粒的平均粒径为80~100nm。

3.根据权利要求1所述的具有高手性选择性的石墨烯纳米材料，其特征在于：所述聚合物链中聚(NIPAM-co-GMA)链段的接枝量为826.5mg/g，β-CD的接枝量为 327.8mg/g。

4.权利要求1~3任一项所述具有高手性选择性的石墨烯纳米材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）通过氧化石墨烯与铁化合物的反应制备磁性氧化石墨烯；

（2）通过聚多巴胺与2-溴异丁酰溴反应所得产物，修饰所述磁性氧化石墨烯，制得磁性氧化石墨烯大分子引发剂；

（3）向所述磁性氧化石墨烯大分子引发剂中加入功能性第一反应单体、含环氧基团第二反应物、催化剂、配体，反应后制得环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯；

（4）将所述环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯与氨基功能化β-环糊精反应，即制得具有高手性选择性的石墨烯纳米材料。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述功能性第一反应单体为N-异丙基丙烯酰胺，所述含环氧基团第二反应物为甲基丙烯酸缩水甘油酯。

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）包括以下过程：将氧化石墨烯与铁化合物在第一溶剂中混合均匀，其后加入乙酸钠及苯乙烯磺酸-马来酸酐共聚物，在15~35℃下搅拌0.5h后，再于198~220℃下反应6~20h，其后冷却、用乙醇和去离子水交替洗涤，即得到所述磁性氧化石墨烯。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯、铁化合物、乙酸钠与苯乙烯磺酸-马来酸酐共聚物的质量配比为 0.1:1:3:1。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯在第一溶剂中的浓度为0.2wt%。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述铁化合物选自硫酸铁、氯化铁或它们的溶剂合物中的一种或多种。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述溶剂合物进一步地选自水合物。

11.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述第一溶剂进一步选自乙二醇。

12.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）包括以下过程：将盐酸多巴胺、催化剂、2-溴异丁酰溴在有机溶剂中溶解，在惰性氛围中于室温下反应3~12h，其后加入所述磁性氧化石墨烯及 Tris-HCl 缓冲液，于室温下反应 3~24h，反应结束后对产物进行磁分离、洗涤，即得到磁性氧化石墨烯大分子引发剂。

13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于：所述盐酸多巴胺、催化剂、2-溴异丁酰溴、磁性氧化石墨烯的质量配比为 0.4:0.3:0.48:0.15。

14.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于：所述盐酸多巴胺在有机溶剂中的浓度为2wt%。

15.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于：所述Tris-HCl 缓冲液与有机溶剂的体积比为50:20。

16.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于：所述催化剂选自四甲基乙二胺（TMEDA）、1,1,4,7,7-五甲基二亚乙基三胺（PMDTA）、1,1,4,7,10,10-六甲基三亚乙基四胺（HMTETA）和三（N,N-二甲基氨基乙基）胺（Me ₆ -TREN）中的一种或多种。

17.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为 DMF。

18.根据权利要求4、5、7~11任一项所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）包括以下过程：将所述磁性氧化石墨烯大分子引发剂与 N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸缩水甘油酯、CuBr、2,2-联吡啶加入到甲醇/去离子水中混合均匀，紧接着进行冻融脱气处理，其后在惰性氛围下于60~75℃下反应12~48h，其后将产物冷却、磁分离、洗涤、冷冻干燥，即得到所述环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯。

19.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于：所述磁性氧化石墨烯大分子引发剂、N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸缩水甘油酯、CuBr 与2,2-联吡啶的质量配比为 0.08:1.73:1.08:0.06:0.18。

20.根据权利要求19所述的制备方法，其特征在于：所述磁性氧化石墨烯大分子引发剂在甲醇/去离子水中的浓度为 0.4wt%。

21.根据权利要求4、5、7~11、19~20任一项所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）包括以下过程：将所述环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯与乙二胺修饰β-环糊精在DMF中分散均匀，其后在60~75℃下反应 12~48h，其后将产物磁分离、洗涤、冷冻干燥，即得到所述具有高手性选择性的石墨烯纳米材料。

22.根据权利要求21所述的制备方法，其特征在于：所述环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯与乙二胺修饰β-环糊精的质量配比为0.08:0.75。

23.根据权利要求21所述的制备方法，其特征在于：所述环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯在 DMF 中的浓度为 0.4wt%。

24.根据权利要求4、5、7~11、19~20、22、23任一项所述的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将0.1份所述氧化石墨烯在乙二醇/去离子混合溶剂中超声分散均匀，其后加入1份FeCl₃·6H₂O，继续剧烈搅拌2h，紧接着再加入3份NaAc 和1份苯乙烯磺酸-马来酸酐共聚物（PSSMA）搅拌0.5h后于200℃下密封反应10h，其后冷却至室温，将产品用去离子水洗涤，即得到所述磁性氧化石墨烯；

（2）将 0.4 份盐酸多巴胺在氮气氛围中加入到10体积份 DMF，紧接着加入0.3体积份三乙胺，搅拌均匀后滴入溶解有0.26体积份2-溴异丁酰溴的DMF溶液，室温下搅拌反应3h，其后加入0.15份所述磁性氧化石墨烯和50体积份Tris-HCl缓冲溶液，于室温下反应12h，反应结束后将产物磁分离，依次使用DMF、乙醇和水洗涤，即得到所述修饰后的磁性氧化石墨烯大分子引发剂；

（3）取所述修饰后的磁性氧化石墨烯大分子引发剂，加入甲醇/去离子水混合溶剂中超声分散，其后加入 1.73 份 N-异丙基丙烯酰胺和1体积份甲基丙烯酸缩水甘油酯，搅拌下通氮除氧 10 分钟，其后再加入0.06份CuBr和0.18份2,2-联吡啶，剧烈搅拌条件下继续通氮除氧，然后进行冻融脱气处理，其后在60℃氮气氛围下反应 12h，反应结束后待产物冷却至室温后进行磁分离，用乙醇和去离子水进行多次洗涤，其后冷冻干燥，即得到所述环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯；

（4）将0.08份所述环氧基修饰的温敏磁性氧化石墨烯和0.75份乙二胺修饰β-环糊精加入到无水 DMF 中，而后进行超声分散，其后在60℃下搅拌反应 36h，反应结束后对产物进行磁分离，依次使用DMF、无水乙醇和去离子水洗涤，冷冻干燥，即得到所述具有高手性选择性的石墨烯纳米材料。

25.根据权利要求24所述的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯通过如下方法进行制备：将石墨、NaNO₃在强酸条件下混合，于冰水浴中，使用强氧化剂进行氧化，所述强酸进一步选自浓硫酸或浓硝酸，所述强氧化剂进一步选自KClO₃或KMnO₄。

26.权利要求1~3任一项所述具有高手性选择性的石墨烯纳米材料在氨基酸对映体手性拆分中的应用。

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