CN112791705B - 一种具有多孔结构的dna/碳纳米管杂化水凝胶及其制备方法与应用 - Google Patents

一种具有多孔结构的dna/碳纳米管杂化水凝胶及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶及其制备方法与应用。该方法将DNA溶液、碳纳米管溶液和NaOH溶液混合均匀后，加入交联剂和引发剂，涡旋以形成均匀的混合溶液；将油相加入混合溶液中，通过连续震荡可获得具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶。该水凝胶具有便宜、安全、制备工艺简单、合成快速、容易操作且成本低的特点。选择DNA作为交联单元，引入碳纳米管，通过连续震荡制备具有多孔结构的水凝胶，提高了DNA水凝胶的机械性能和吸附能力；并具有稳定性强，生物相容性高等优点。采用连续震荡的方式，可连续生产皮克林乳液，并作为多孔结构形成的模板，有效解决了皮克林乳液稳定性差的问题。

Description

一种具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶及其制备方法 与应用
技术领域
本发明属于DNA水凝胶技术领域，涉及一种具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶及其制备方法与应用。
背景技术
以DNA为主要成分的DNA水凝胶已经成为一种新型材料，具有优异的生物相容性和生物降解性，可用于多种应用，包括药物输送、多重诊断、蛋白质表达、场效应晶体管和污染物去除等等。目前，已经报道了很多不同的方法用于DNA水凝胶的合成，如：化学交联、碱基配对、物理纠缠等等。然而，在环境应用(如痕量污染物清除)方面所需的快速传质能力仍然未得到充分的研究，传统的降低化学或物理交联密度的方法，虽然能够提高DNA水凝胶的渗透率，提高其吸附能力，但却牺牲了一定的机械性能，导致DNA水凝胶结构不稳定。
研究表明，在材料中引入多孔结构能有效地增加材料的表面积、吸附能力和传质速度。基于这些优越的特性，在DNA水凝胶的框架内创造开放空间，是增加其质量移动速率和目标吸附位点的理想方法。对于多孔材料的制造，最流行的方法之一是皮克林乳液模板合成，它使用两亲性固体颗粒而不是传统的有害表面活性剂来稳定皮克林乳液模板。模板可以进一步去除，在基质中留下大量孔隙，形成清晰的多孔结构。但对于高度稳定的皮克林乳液，需要进行大量的工作来调节固体颗粒的润湿性和分散性，比如对纳米材料进行改性，生成合适的纳米稳定剂，但这种方法增加了合成的复杂性和成本。
目前，并没有比较快速、便捷的方法，用以形成稳定的皮克林乳液，从而合成具有多孔结构的DNA水凝胶材料。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶的制备方法。
本发明的另一目的在于通过上述制备方法得到的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶。
本申请的再一目的在于提供上述具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶的应用。
具体而言，本发明在DNA水凝胶体系中，引入碳纳米管材料，使用有机溶剂正己烷为油相，并通过连续震荡的方式，使DNA溶液、碳纳米管和正己烷混合溶液形成水包油类型的皮克林乳液。在一定条件下反应形成DNA/碳纳米管杂化水凝胶，真空条件下冷冻干燥后，获得具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶。该具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶具有便宜、安全、制备工艺简单、合成快速、容易操作且成本低的特点。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
在室温条件下，将DNA溶液、碳纳米管溶液和NaOH溶液混合均匀后，加入交联剂和引发剂，涡旋以形成均匀的混合溶液；将油相加入混合溶液中，在加热条件下连续震荡后，在室温条件下一直震荡至DNA/碳纳米管杂化水凝胶形成，然后在真空条件下冷冻干燥去除油相，从而获得具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶。
优选的，所述的室温条件的温度为20～30℃；
优选的，所述的DNA选自蛙鱼精DNA、小牛胸腺DNA和大肠杆菌DNA等中的至少一种。
优选的，所述的交联剂为EGDE(乙二醇二缩水甘油醚)，其加入量与DNA溶液的体积比为(80～100)：400，进一步为100：400；
优选的，所述的引发剂为TEMED(四甲基乙二胺)，其加入量与DNA溶液的体积比为(8～10)：400，进一步为10：400；
优选的，所述的油相为正己烷、丙酮、氯仿和硅油等中的至少一种；
优选的，所述的油相的加入量与DNA溶液的体积比为(8～10)：4，进一步为10：4。
进一步的，所述的正己烷的加入量与DNA溶液的体积比为(8～10)：4，进一步为10：4；
优选的，所述的连续震荡的条件为200～300r/min，温度为40～70℃，时间为4～5h；进一步为250r/min，温度为50℃，时间为4h。
优选的，所述的DNA溶液是将DNA溶于超纯水中，DNA溶液中DNA与超纯水的比值为80～150mg：400μL；进一步为100mg：400μL。
优选的，所述的NaOH溶液是将NaOH溶于超纯水中，NaOH溶液的浓度为0.5M～1M；进一步为0.5M。
优选的，所述的碳纳米管溶液是将碳纳米管溶于超纯水中，碳纳米管溶液的浓度为40～70mg/mL；进一步为50mg/mL；
优选的，所述的DNA溶液、碳纳米管溶液和NaOH溶液的体积比为400：320：80；
优选的，所述的碳纳米管为氨基化碳纳米管；进一步为氨基化多壁碳纳米管。
优选的，所述的涡旋的时间为10s～60s，进一步为10s。
优选的，所述的超纯水为18.2mΩ·cm的超纯水。
一种具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶，通过上述制备方法制备得到。
上述具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶在去除痕量致癌物多环芳烃中的应用。
优选的，所述的多环芳烃为苯并芘。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)选择DNA作为交联单元，引入碳纳米管，通过连续震荡制备具有多孔结构的水凝胶，提高了DNA水凝胶的机械性能和吸附能力；并具有稳定性强，生物相容性高等优点。
(2)采用亲水性的碳纳米管用以形成水包油类型的皮克林乳液，提高皮克林乳液的稳定性；
(3)采用连续震荡的方式，可以连续生产皮克林乳液，进一步提高皮克林乳液的稳定程度；并作为多孔结构形成的模板，有效解决了皮克林乳液稳定性差的问题。
附图说明
图1是所采用碳纳米管的接触角测试(A))以及显微镜下所拍摄的实施例1形成皮克林乳液(B))。
图2是通过实施例1振荡方式产生皮克林乳液后，随着时间的变化其稳定性变化的图片；
图3是实施例2制备的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶和实施例3制备的无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶的对比图；
图4是实施例2制备的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶(a)和实施例3制备的无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶(b)的形貌对比图；
图5是实施例2制备的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶的孔径分布直方图；
图6是实施例2制备的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶与实施例3制备的无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶的溶胀特性曲线对比图。
图7是实施例2制备的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶与实施例3制备的无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶对于多环芳烃污染物苯并芘的吸附能力对比图。
图8是实施例2制备的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶对于不同浓度的多环芳烃污染物苯并芘的吸附曲线图(A))以及基于Langmuir模型拟合的多环芳烃污染物苯并芘的吸附等温线(B))。
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。
下列实施例中未注明具体实验条件的试验方法，通常按照常规实验条件或按照制造厂所建议的实验条件。所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为从商业途径得到的试剂和材料。
实施例中所用的材料：蛙鱼精DNA(salmon sperm DNA，编号：309-566-6；CAS号：100403-24-5)，购自Sigma-Aldrich公司。
氨基化多壁碳纳米管(编号XFM62，CAS号：1333-86-4)，购自南京先丰纳米材料科技有限公司。
一、实验部分
实施例1：皮克林乳液的形成，其包括如下制备步骤：
室温下，将100mg蛙鱼精DNA溶于400μL超纯水中，加入80μL NaOH溶液(0.5M)和320μL氨基化多壁碳纳米管溶液(50mg/mL)，混合均匀后，加入1mL正己烷，剧烈震荡以形成皮克林乳液。
实施例2：一种具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶，其包括如下制备步骤：
在室温条件下，将100mg蛙鱼精DNA溶于400μL超纯水中，加入80μL NaOH溶液(0.5M)、320μL氨基化多壁碳纳米管溶液(50mg/mL)，混合均匀后，加入100μL交联剂EGDE和10μL引发剂TEMED，再次涡旋10s以形成均匀的混合溶液。将1mL正己烷加至上述混合溶液中，在250r/min、50℃的加热条件下连续震荡4h后，在室温条件下一直震荡至DNA/碳纳米管杂化水凝胶形成，然后在真空条件下冷冻干燥去除正己烷，从而获得具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶，记为porous gel。
实施例3：一种无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶，其包括如下制备步骤：
在室温条件下，将100mg蛙鱼精DNA溶于400μL超纯水中，加入80μL NaOH溶液(0.5M)、320μL氨基化多壁碳纳米管溶液(50mg/mL)，混合均匀后，加入100μL交联剂EGDE和10μL引发剂TEMED，再次涡旋10s以形成均匀的混合溶液。在250r/min、50℃的加热条件下静置4h后，在室温条件下静置至DNA/碳纳米管杂化水凝胶形成，然后在真空条件下冷冻干燥去除正己烷，从而获得无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶，记为non-porous gel。
二、测试部分
(一)用所使用的碳纳米管做以下测试：
1、接触角测量：
通过外形图像分析方法，测量氨基化多壁碳纳米管的接触角，所得图像见图1A)。
(二)用实施例1得到的皮克林乳液做以下测试：
1、显微镜观察：
将实施例1得到的皮克林乳液置于显微镜下观察。所得图像见图1B)；
2、相机拍摄：
将实施例1得到的皮克林乳液溶液静置，其稳定性随时间变化图像见图2。
(三)用实施例2得到的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶做以下测试：
1、相机拍摄：
将实施例2得到的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶进行拍摄。图像见图3右侧；
2、扫描电镜观察：
将实施例2得到的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶切取一片，附着在导电胶上，在真空条件下喷金处理后，在扫描电子显微镜下，观察具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶的形貌。所得部分图像见图4a。
3、孔径分布直方图：
通过SEM图，绘制实施例2所得的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶的孔径分布直方图。所得图像见图5。
4、溶胀特性曲线：
将实施例2得到的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶放至超纯水中，研究其溶胀性能。所得图像见图6。
5、污染物吸附实验：
将实施例2得到的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶，用于吸附浓度为10ng/mL的多环芳烃污染物苯并芘。所得图像见图7。
6、不同浓度污染物吸附实验：
将实施例2得到的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶，用于吸附不同浓度(1ng/mL、10ng/mL、50ng/mL)的多环芳烃污染物苯并芘。所得图像见图8A)。
吸附等温线拟合：使用Langmuir吸附等温线模型对不同浓度苯并芘(BaP)被DNA吸附后的平衡进行研究。根据以下公式进行拟合：
Figure BDA0002886121430000061
其中，BaP的吸附总量记作Qe；BaP在水溶液中浓度记作Ce；BaP的最大吸附量记作Qm；KL为Langmuir吸附平衡常数，代表吸附能力。
(四)用实施例3得到的无孔DNA水凝胶做以下测试：
1、相机拍摄：
将实施例3得到的无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶进行拍摄。图像见图3左侧；
2、扫描电镜观察：
将实施例3得到的无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶切取一片，附着在导电胶上，在真空条件下喷金处理后，在扫描电子显微镜下，观察无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶的形貌。所得部分图像见图4b。
3、溶胀特性曲线：
将实施例3得到的无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶放至超纯水中，研究其溶胀性能。所得图像见图6。
4、污染物吸附实验
将实施例3得到的无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶，用于吸附浓度为10ng/mL的多环芳烃污染物苯并芘。所得图像见图7。
三、测试结果分析部分
1、从图1A)可知，氨基化多壁碳纳米管的接触角小于90°，其表面为亲水性。
2、从图1B)可知，所形成的皮克林乳液为水包油类型，油相正己烷被水相DNA/碳纳米管混合溶液包裹。
3、从图2可知，所形成的皮克林乳液极不稳定，在静置若干分钟后完全消失。
4、从图3可知，含有相同浓度的DNA和碳纳米管，具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶比无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶蓬松。
5、从图4a和图4b的扫描电镜照片对比结果可知，相对于无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶，根据本发明方法所制备的DNA/碳纳米管杂化水凝胶具有相互连接的高度的多孔结构。
6、从图5可知，实施例2所得的无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶平均孔径为27.1μm。
7、从图6的溶胀特性曲线对比可得，溶胀率在1h内明显增大，孵育3h后达到平衡。相较于无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶，本发明所制备的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶的溶胀能力从5.57g/g提高到了20.53g/g。
8、从图7的吸附量曲线可知，对于多环芳烃污染物苯并芘的吸附能力，具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶高于无孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶。
9、从图8A)可知，随着多环芳烃污染物苯并芘浓度的增加，具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶吸附容量不断增加；
10、从图8B)可知，具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶的吸附过程与Langmuir模型的单分子层吸附相一致。
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 (10)

1.一种具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
在室温条件下，将DNA溶液、碳纳米管溶液和NaOH溶液混合均匀后，加入交联剂和引发剂，涡旋以形成均匀的混合溶液；将油相加入混合溶液中，在加热条件下连续震荡后，在室温条件下一直震荡至DNA/碳纳米管杂化水凝胶形成，然后在真空条件下冷冻干燥去除油相，从而获得具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶；
所述的碳纳米管为氨基化碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述的DNA选自蛙鱼精DNA、小牛胸腺DNA和大肠杆菌DNA中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述的油相为正己烷、丙酮、氯仿和硅油中的至少一种。
4.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于：
所述的油相的加入量与DNA溶液的体积比为（8～10）：4。
5.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于：
所述的连续震荡的条件为200～300 r/min，温度为40～70℃，时间为4～5h。
6.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于：
所述的DNA溶液是将DNA溶于超纯水中，DNA溶液中DNA与超纯水的比值为80～150 mg：400 μL；
所述的NaOH溶液的浓度为0.5 M～1 M；
所述的碳纳米管溶液的浓度为40～70 mg/mL；
所述的DNA溶液、碳纳米管溶液和NaOH溶液的体积比为400：320：80。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
所述的DNA溶液中DNA与超纯水的比值为100 mg：400 μL；
所述的NaOH溶液的浓度为0.5 M；
所述的碳纳米管溶液的浓度为50 mg/mL。
8.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于：
所述的交联剂为乙二醇二缩水甘油醚EGDE，其加入量与DNA溶液的体积比为（80～100）：400；
所述的引发剂为四甲基乙二胺TEMED，其加入量与DNA溶液的体积比为（8～10）：400；
所述的涡旋的时间为10 s～60 s；
所述的室温条件的温度为20～30℃。
9.一种具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶，其特征在于：通过权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到。
10.权利要求9所述的具有多孔结构的DNA/碳纳米管杂化水凝胶在去除痕量致癌物多环芳烃中的应用。
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