γ-氨基丁酸修饰氧化石墨烯的合成及其应用

鲁莉华， 王 辉， 赵艳芳

（青岛农业大学化学与药学院，山东青岛 266109）

0 引 言

仪器分析实验对于我校化学、化工和制药类专业学生是一门独立的必修课程，其目的是使学生掌握并理解各种仪器分析检测的基本原理和操作方法，它是一门应用很广泛的实践性课程［1-3］。在以往的教学中，大部分实验都是简单的操作性实验，学生按部就班地做实验，最后得到一堆枯燥的数据，这大大降低了学生的学习兴趣，导致他们不能完全掌握仪器分析实验的关键知识点。为了提高仪器分析实验的教学效率，增强学生的学习兴趣，推动学生的创新意识和解决问题的能力，将教师科研内容与仪器分析实验教学相融合，为仪器分析实验教学设计了一例研究型综合实验［4］。实验选择氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）为原料，首先对GO进行修饰改性，使其具备识别Cu2＋的能力。然后对改性后的GO进行结构和光物理性质表征。最后用合成的改性GO检测水溶液中的Cu2＋。教师在整个实验过程中，扮演领路人的角色，所有实验的推进与操作都由学生自主完成。本实验注重学科的交叉与融合，极大地激发了学生的学习与探究的主观能动性。该实验不仅让学生们融会贯通了文献检索、有机化学、材料化学、分析化学和仪器分析实验，而且培养了他们的研究素养、合作意识和创新能力。

1 实验依据

Cu2＋是有机体中一种元素，它与人类的身体健康紧密相连。高浓度的Cu2＋能引起器官组织的严重损伤，导致各类疾病，比如肝硬化腹水和神经退行性病变［5-6］。此外，在工业中，过度使用或滥用Cu2＋会产生严重的环境污染问题［7］。GO的表面含有很多含氧基团，比如羧基、羟基和环氧基，这些基团很容易引起局域电子空穴对的非辐射复合，所以GO的荧光发射效率非常低［8-9］。如果通过改性修饰的方法抑制GO的非辐射复合，它就会变成一个具有较强发射的荧光体。由于GO的表面特性和较高的光稳定性使得荧光GO在生物体中的应用前景广阔。氨基酸作为有机体最基本的单元，拥有优越的生物相容性，它们经常被用作修饰剂来改善目标物的生物相容性。γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）是一类天然氨基酸，广泛存在于动植物体内［10-11］。据报道，GABA对Cu2＋具有很强的配位作用，能形成COO－-Cu2＋-COO-型的配合物［12］。据此推断，可以用GABA修饰改性的GO来选择性地采用荧光法来检测Cu2＋。本实验的主要设计内容包括：GABA改性修饰GO，改性后GO的结构及光谱表征，改性GO检测水溶液中的Cu2＋。

2 实验原料及设备

2.1 实验原料

氧化石墨烯（GO，苏州碳丰石墨烯）；γ-氨基丁酸（GABA，98%，北京百灵威）；N，N-二甲基甲酰胺（DMF，化学纯，阿拉丁试剂）；无水四氢呋喃（化学纯，阿拉丁试剂）；氯化亚砜（化学纯，阿拉丁试剂）；磷酸缓冲液（PBS，0.01 mol／L，pH＝7.4，阿拉丁试剂）；通过稀释标准储备液（0.2 mol／L NaH2PO4，0.2 mol／L Na2HPO4）而获得；去离子水。

2.2 实验设备

紫外-可见吸收光谱仪（U-3900-VIS，Hitachi，日本，扫描范围200～700 nm）；红外光谱仪（Perkin-Elmer Paragon 1000，英国，扫描范围4 000～399 cm－1）；透射电子显微镜（HT7700，Hitachi，日本）；纳米粒度电位仪（Zetasizer Nano ZS90，Malvern，英国）；荧光光谱仪（Hitachi F-7000，Tokyo，日本）；pH计（Sartorius AG，德国）。

3 综合实验设计

3.1 文献调研与实验预习

学生查阅文献了解GO和GABA的化学性质。在数据库中查阅酰胺反应的不同条件，并确定一个最简单经济的合成方法。查阅文献并自行总结GABA修饰的GO检测Cu2＋的机理。学生提前进入仪器分析实验室学习紫外-可见吸收光谱仪、红外光谱仪、纳米粒度电位仪、荧光光谱仪和pH计等仪器的使用。

3.2 实验内容

(1)GO的改性修饰。GO表面带有大量羧基，而GABA含有伯胺，所以可以通过酰胺反应来实现GO的共价修饰［13］。通过查资料和核算经济成本，采取的合成路径如图1所示。先将10 mg GO粉末和0.5 mL DMF加入到10 mL二氯亚砜中，将混合物在三口烧瓶中回流4 h。然后将反应液离心，获得固体的酰氯化GO，用无水四氢呋喃清洗几次后备用。接着，将40 mg的GABA和5 mL的无水四氢呋喃加入先前制备的酰氯化GO中，在60℃回流24 h。反应完毕后，减压蒸发掉溶剂，接着用去离子水清洗并离心除去未反应的GABA。最后，将12 mL去离子水加入到离心残留物中，经过离心和真空干燥，获得了粉末状的GABA修饰的GO，将其命名为GO-GABA。用去离子水将该粉末配制成浓度为1 mg／mL的储备液备用。

图1 用GABA共价修饰GO的化学合成路线

(2)GO-GABA的结构表征和光谱特性。首先用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）进行GO-GABA的形貌表征。在TEM图中，GO和GO-GABA都呈现出透明的纳米片状，表明GABA共价修饰GO并没有破坏GO原有的纳米结构（图2（a）、（b））。在图2（b）中可以观察到GO-GABA表面的褶皱和光滑的边缘，表明合成的GO-GABA拥有良好的延展性。接着，测试了GO、GO-GABA和GOGABA／Cu2＋在pH＝7时的ζ电位。数据表明，所有样品表面都带负电，电位范围为－5～－8 mV（图2（c））。GO-GABA的电位比GO低，是因为经过GABA的共价修饰后，GO表面上带有更多的—COOH的原因。加入Cu2＋后，GO-GABA／Cu2＋的电位明显增大，表明Cu2＋和GO-GABA之间发生了配位。此外，GO的红外光谱在1 645 cm－1处显示出典型的C＝O峰。而GO-GABA在1 653 cm－1处出现了酰胺键C（O）-NH的典型峰以及1 728 cm－1处的来自于GABA的羧基峰（图2（d））。同时，1 100 cm－1处GO-GABA的环氧键彻底消失，一个新的峰出现在1 200 cm－1，此峰属于GO-GABA表面上C—N—C键的对称振动，证明GO表面的环氧基团通过修饰GABA发生了氨化开环反应［14］。在吸收光谱中，GO在228和301 nm处有2个典型的峰。当将GABA共价修饰到GO后，这2个典型的吸收峰消失了，取而代之的是278和320 nm处的2个新峰，进一步证明了GO的表面上已经成功修饰了GABA（图3（a））。在360 nm激发时，GO基本没有荧光，但是GO-GABA在445 nm有着强烈的荧光（图3（b））。显然，GO-GABA的荧光来自于GABA的改性修饰。

图2 GO-GABA的结构表征

图3 GO和GABA-GO的光谱特性

(3)GO-GABA荧光法检测Cu2＋。在石英比色皿中加入一定浓度的GO-GABA和一定量的Cu2＋或其他金属离子，并用PBS缓冲液填充至500μL，反应一定时间后，对溶液进行荧光发射光谱测试。波长范围380～600 nm，激发波长为360 nm。在优化实验或选择性实验中，用相对荧光强度，即未加Cu2＋体系的荧光强度（F0）减去加入Cu2＋后体系的荧光强度（F）来表示荧光强度的变化值（F0－F）。

为了获得最佳的检测效果，首先优化了GO-GABA在缓冲溶液中检测Cu2＋的实验条件，比如pH、反应时间和GO-GABA的浓度。如图4（a）所示，pH对Cu2＋的检测影响较大，检测Cu2＋的最佳pH是7.4。然后，研究了Cu2＋与GO-GABA在不同的反应时间（5，10，20，30，40，50，60 min）下的荧光变化。结果表明，在1～10 min内荧光是增强的，在10～60 min内荧光是降低的（图4（b））。所以，最佳反应时间应该是10 min。最后，研究不同浓度的GO-GABA对Cu2＋检测的影响，发现6 μg／mL是GO-GABA的最佳浓度（图4（c））。

图4 不同实验条件下Cu2＋测体系的荧光变化

(4)选择性实验。实验前用去离子水配备好浓度为10 mmol／L的各类金属离子（Na＋、K＋、Cu2＋、Fe3＋、Mg2＋、Zn2＋、Ca2＋、Zr4＋、Ba2＋、Co2＋、Al3＋、Ce3＋、La3＋、Y2＋、Fe2＋和Mn2＋）的储备液。这些金属离子用于验证GO-GABA对Cu2＋检测的选择性和抗干扰能力。图5表明，在选择性实验中，只有Cu2＋能淬灭GO-GABA的选择性，而其他金属离子不能明显淬灭GO-GABA的荧光。在干扰实验中，其他离子和Cu2＋的混合液均能有效淬灭GO-GABA的荧光，并且其他离子的存在并不影响Cu2＋对GO-GABA荧光的淬灭程度，说明GO-GABA的抗干扰能力很强。

在确定了GO-GABA对Cu2＋的选择性后，在最佳条件下进行了Cu2＋的滴定分析实验。图6表明，随着Cu2＋浓度增加至5 mmol／L时，GO-GABA溶液的荧光不断降低。通过数据分析发现，当Cu2＋的浓度范围在0～1 000 mmol／L时，GO-GABA的荧光强度与Cu2＋的浓度之间呈现出优越的线性关系（见图7）。根据该线性关系，可以估算出Cu2＋的检测限为15 mmol／L，表明合成的GO-GABA对Cu2＋的检测很灵敏［15］。

图5 GABA-GO检测Cu2＋的选择性和干扰性实验

图6 GABA-GO检测Cu2＋的荧光变化

图7 GABA-GO的荧光强度与Cu2＋浓度的线性关系

3.3 撰写实验报告和实验小结

实验报告要求学生重点突出对各类检测图谱的解析和对Cu2＋检测的数据分析。要求学生进一步查阅文献，将本次实验获得的检测结果与已经报道的Cu2＋检测文献进行对比，并对比分析不同检测方法的优缺点。实验结果准确，实验报告书写思路清晰，数据分析到位的同学都可以拿到高分。

4 结 语

本研究型综合实验将多门专业课程有机结合起来，尤其是对仪器分析实验教学中常用的设备进行了串糖葫芦式的创新教学。整个实验内容的设计逻辑性强，推动着学生们不断地去主动探索。学生们在进行完这个项目后，都显示出了极大的学习热情，有很多同学咨询代课教师，问还有没有更有挑战性的实验项目。这说明将科研项目中比较成熟的实验内容融合到实验教学中去是非常有必要的。学生们做这样一个项目，他们所掌握的专业知识和获得的各种能力会成倍增长。在以后的教学中，将逐步提高此类研究型综合实验在整个实验教学中的占比，鼓励教师将自己的科研与学生的实验教学紧密结合，做到教学相长。

·名人名言·

学习知识要善于思考，思考，再思考，我就是靠这个方法成为科学家的。

——爱因斯坦