γ-氨基丁酸修飾氧化石墨烯的合成及其應用

魯莉華， 王 輝， 趙艷芳

（青島農業大學化學與藥學院，山東青島 266109）

0 引 言

儀器分析實驗對于我校化學、化工和制藥類專業學生是一門獨立的必修課程，其目的是使學生掌握并理解各種儀器分析檢測的基本原理和操作方法，它是一門應用很廣泛的實踐性課程［1-3］。在以往的教學中，大部分實驗都是簡單的操作性實驗，學生按部就班地做實驗，最后得到一堆枯燥的數據，這大大降低了學生的學習興趣，導致他們不能完全掌握儀器分析實驗的關鍵知識點。為了提高儀器分析實驗的教學效率，增強學生的學習興趣，推動學生的創新意識和解決問題的能力，將教師科研內容與儀器分析實驗教學相融合，為儀器分析實驗教學設計了一例研究型綜合實驗［4］。實驗選擇氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）為原料，首先對GO進行修飾改性，使其具備識別Cu2＋的能力。然后對改性后的GO進行結構和光物理性質表征。最后用合成的改性GO檢測水溶液中的Cu2＋。教師在整個實驗過程中，扮演領路人的角色，所有實驗的推進與操作都由學生自主完成。本實驗注重學科的交叉與融合，極大地激發了學生的學習與探究的主觀能動性。該實驗不僅讓學生們融會貫通了文獻檢索、有機化學、材料化學、分析化學和儀器分析實驗，而且培養了他們的研究素養、合作意識和創新能力。

1 實驗依據

Cu2＋是有機體中一種元素，它與人類的身體健康緊密相連。高濃度的Cu2＋能引起器官組織的嚴重損傷，導致各類疾病，比如肝硬化腹水和神經退行性病變［5-6］。此外，在工業中，過度使用或濫用Cu2＋會產生嚴重的環境污染問題［7］。GO的表面含有很多含氧基團，比如羧基、羥基和環氧基，這些基團很容易引起局域電子空穴對的非輻射復合，所以GO的熒光發射效率非常低［8-9］。如果通過改性修飾的方法抑制GO的非輻射復合，它就會變成一個具有較強發射的熒光體。由于GO的表面特性和較高的光穩定性使得熒光GO在生物體中的應用前景廣闊。氨基酸作為有機體最基本的單元，擁有優越的生物相容性，它們經常被用作修飾劑來改善目標物的生物相容性。γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）是一類天然氨基酸，廣泛存在于動植物體內［10-11］。據報道，GABA對Cu2＋具有很強的配位作用，能形成COO－-Cu2＋-COO-型的配合物［12］。據此推斷，可以用GABA修飾改性的GO來選擇性地采用熒光法來檢測Cu2＋。本實驗的主要設計內容包括：GABA改性修飾GO，改性后GO的結構及光譜表征，改性GO檢測水溶液中的Cu2＋。

2 實驗原料及設備

2.1 實驗原料

氧化石墨烯（GO，蘇州碳豐石墨烯）；γ-氨基丁酸（GABA，98%，北京百靈威）；N，N-二甲基甲酰胺（DMF，化學純，阿拉丁試劑）；無水四氫呋喃（化學純，阿拉丁試劑）；氯化亞砜（化學純，阿拉丁試劑）；磷酸緩沖液（PBS，0.01 mol／L，pH＝7.4，阿拉丁試劑）；通過稀釋標準儲備液（0.2 mol／L NaH2PO4，0.2 mol／L Na2HPO4）而獲得；去離子水。

2.2 實驗設備

紫外-可見吸收光譜儀（U-3900-VIS，Hitachi，日本，掃描范圍200～700 nm）；紅外光譜儀（Perkin-Elmer Paragon 1000，英國，掃描范圍4 000～399 cm－1）；透射電子顯微鏡（HT7700，Hitachi，日本）；納米粒度電位儀（Zetasizer Nano ZS90，Malvern，英國）；熒光光譜儀（Hitachi F-7000，Tokyo，日本）；pH計（Sartorius AG，德國）。

3 綜合實驗設計

3.1 文獻調研與實驗預習

學生查閱文獻了解GO和GABA的化學性質。在數據庫中查閱酰胺反應的不同條件，并確定一個最簡單經濟的合成方法。查閱文獻并自行總結GABA修飾的GO檢測Cu2＋的機理。學生提前進入儀器分析實驗室學習紫外-可見吸收光譜儀、紅外光譜儀、納米粒度電位儀、熒光光譜儀和pH計等儀器的使用。

3.2 實驗內容

(1)GO的改性修飾。GO表面帶有大量羧基，而GABA含有伯胺，所以可以通過酰胺反應來實現GO的共價修飾［13］。通過查資料和核算經濟成本，采取的合成路徑如圖1所示。先將10 mg GO粉末和0.5 mL DMF加入到10 mL二氯亞砜中，將混合物在三口燒瓶中回流4 h。然后將反應液離心，獲得固體的酰氯化GO，用無水四氫呋喃清洗幾次后備用。接著，將40 mg的GABA和5 mL的無水四氫呋喃加入先前制備的酰氯化GO中，在60℃回流24 h。反應完畢后，減壓蒸發掉溶劑，接著用去離子水清洗并離心除去未反應的GABA。最后，將12 mL去離子水加入到離心殘留物中，經過離心和真空干燥，獲得了粉末狀的GABA修飾的GO，將其命名為GO-GABA。用去離子水將該粉末配制成濃度為1 mg／mL的儲備液備用。

圖1 用GABA共價修飾GO的化學合成路線

(2)GO-GABA的結構表征和光譜特性。首先用透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy，TEM）進行GO-GABA的形貌表征。在TEM圖中，GO和GO-GABA都呈現出透明的納米片狀，表明GABA共價修飾GO并沒有破壞GO原有的納米結構（圖2（a）、（b））。在圖2（b）中可以觀察到GO-GABA表面的褶皺和光滑的邊緣，表明合成的GO-GABA擁有良好的延展性。接著，測試了GO、GO-GABA和GOGABA／Cu2＋在pH＝7時的ζ電位。數據表明，所有樣品表面都帶負電，電位范圍為－5～－8 mV（圖2（c））。GO-GABA的電位比GO低，是因為經過GABA的共價修飾后，GO表面上帶有更多的—COOH的原因。加入Cu2＋后，GO-GABA／Cu2＋的電位明顯增大，表明Cu2＋和GO-GABA之間發生了配位。此外，GO的紅外光譜在1 645 cm－1處顯示出典型的C＝O峰。而GO-GABA在1 653 cm－1處出現了酰胺鍵C（O）-NH的典型峰以及1 728 cm－1處的來自于GABA的羧基峰（圖2（d））。同時，1 100 cm－1處GO-GABA的環氧鍵徹底消失，一個新的峰出現在1 200 cm－1，此峰屬于GO-GABA表面上C—N—C鍵的對稱振動，證明GO表面的環氧基團通過修飾GABA發生了氨化開環反應［14］。在吸收光譜中，GO在228和301 nm處有2個典型的峰。當將GABA共價修飾到GO后，這2個典型的吸收峰消失了，取而代之的是278和320 nm處的2個新峰，進一步證明了GO的表面上已經成功修飾了GABA（圖3（a））。在360 nm激發時，GO基本沒有熒光，但是GO-GABA在445 nm有著強烈的熒光（圖3（b））。顯然，GO-GABA的熒光來自于GABA的改性修飾。

圖2 GO-GABA的結構表征

圖3 GO和GABA-GO的光譜特性

(3)GO-GABA熒光法檢測Cu2＋。在石英比色皿中加入一定濃度的GO-GABA和一定量的Cu2＋或其他金屬離子，并用PBS緩沖液填充至500μL，反應一定時間后，對溶液進行熒光發射光譜測試。波長范圍380～600 nm，激發波長為360 nm。在優化實驗或選擇性實驗中，用相對熒光強度，即未加Cu2＋體系的熒光強度（F0）減去加入Cu2＋后體系的熒光強度（F）來表示熒光強度的變化值（F0－F）。

為了獲得最佳的檢測效果，首先優化了GO-GABA在緩沖溶液中檢測Cu2＋的實驗條件，比如pH、反應時間和GO-GABA的濃度。如圖4（a）所示，pH對Cu2＋的檢測影響較大，檢測Cu2＋的最佳pH是7.4。然后，研究了Cu2＋與GO-GABA在不同的反應時間（5，10，20，30，40，50，60 min）下的熒光變化。結果表明，在1～10 min內熒光是增強的，在10～60 min內熒光是降低的（圖4（b））。所以，最佳反應時間應該是10 min。最后，研究不同濃度的GO-GABA對Cu2＋檢測的影響，發現6 μg／mL是GO-GABA的最佳濃度（圖4（c））。

圖4 不同實驗條件下Cu2＋測體系的熒光變化

(4)選擇性實驗。實驗前用去離子水配備好濃度為10 mmol／L的各類金屬離子（Na＋、K＋、Cu2＋、Fe3＋、Mg2＋、Zn2＋、Ca2＋、Zr4＋、Ba2＋、Co2＋、Al3＋、Ce3＋、La3＋、Y2＋、Fe2＋和Mn2＋）的儲備液。這些金屬離子用于驗證GO-GABA對Cu2＋檢測的選擇性和抗干擾能力。圖5表明，在選擇性實驗中，只有Cu2＋能淬滅GO-GABA的選擇性，而其他金屬離子不能明顯淬滅GO-GABA的熒光。在干擾實驗中，其他離子和Cu2＋的混合液均能有效淬滅GO-GABA的熒光，并且其他離子的存在并不影響Cu2＋對GO-GABA熒光的淬滅程度，說明GO-GABA的抗干擾能力很強。

在確定了GO-GABA對Cu2＋的選擇性后，在最佳條件下進行了Cu2＋的滴定分析實驗。圖6表明，隨著Cu2＋濃度增加至5 mmol／L時，GO-GABA溶液的熒光不斷降低。通過數據分析發現，當Cu2＋的濃度范圍在0～1 000 mmol／L時，GO-GABA的熒光強度與Cu2＋的濃度之間呈現出優越的線性關系（見圖7）。根據該線性關系，可以估算出Cu2＋的檢測限為15 mmol／L，表明合成的GO-GABA對Cu2＋的檢測很靈敏［15］。

圖5 GABA-GO檢測Cu2＋的選擇性和干擾性實驗

圖6 GABA-GO檢測Cu2＋的熒光變化

圖7 GABA-GO的熒光強度與Cu2＋濃度的線性關系

3.3 撰寫實驗報告和實驗小結

實驗報告要求學生重點突出對各類檢測圖譜的解析和對Cu2＋檢測的數據分析。要求學生進一步查閱文獻，將本次實驗獲得的檢測結果與已經報道的Cu2＋檢測文獻進行對比，并對比分析不同檢測方法的優缺點。實驗結果準確，實驗報告書寫思路清晰，數據分析到位的同學都可以拿到高分。

4 結 語

本研究型綜合實驗將多門專業課程有機結合起來，尤其是對儀器分析實驗教學中常用的設備進行了串糖葫蘆式的創新教學。整個實驗內容的設計邏輯性強，推動著學生們不斷地去主動探索。學生們在進行完這個項目后，都顯示出了極大的學習熱情，有很多同學咨詢代課教師，問還有沒有更有挑戰性的實驗項目。這說明將科研項目中比較成熟的實驗內容融合到實驗教學中去是非常有必要的。學生們做這樣一個項目，他們所掌握的專業知識和獲得的各種能力會成倍增長。在以后的教學中，將逐步提高此類研究型綜合實驗在整個實驗教學中的占比，鼓勵教師將自己的科研與學生的實驗教學緊密結合，做到教學相長。

·名人名言·

學習知識要善于思考，思考，再思考，我就是靠這個方法成為科學家的。

——愛因斯坦