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还原氧化石墨烯基磁性吸附材料的构建及其用于多糖基生物材料的纯化

吴豪明  
【摘要】:重金属、细菌内毒素等污染物普遍存在于天然动植物当中,近年来天然来源的生物材料的研究与应用发展迅速,其中存在的污染隐患应当得到重视。重金属元素对人体的毒性巨大,会直接对器官造成巨大损害,而细菌内毒素在人体中会引起败血症等严重疾病。为了多糖及生物医用材料的安全性,研究一种生物相容性好、便于分离不造成二次污染且在多糖溶液环境中吸附性能稳定的吸附材料十分必要。石墨烯作为一种优秀的吸附材料已被广泛地研究,其拥有良好的生物相容性和良好的吸附能力,但是石墨烯材料常面临难以从反应体系中分离的问题。本文引入四氧化三铁(Fe_3O_4)作为磁性来源,制备获得一类具有优秀磁响应性能的石墨烯基磁性复合材料,用于在天然多糖类溶液中污染杂质的吸附去除。首先,以Fe~(2+)作为还原剂,在氧化石墨烯(GO)还原地同时生成Fe~(3+),在氨水气氛中调节pH=10,在80℃下Fe~(2+)和Fe~(3+)在还原的氧化石墨烯(rGO)片层上沉积生成四氧化三铁(Fe_3O_4)纳米颗粒,由此制备得rGO与Fe_3O_4的磁性复合材料(rGO/Fe_3O_4),该复合材料具有优秀的饱和磁性强度和超顺磁性。然后,以氯化钙/乙醇水溶液作为凝固浴,使Fe~(2+)与GO混合液形成凝胶球,水热法还原后通过冷冻-干燥制备得到具有良好孔隙结构的rGO/Fe_3O_4气凝胶球。随后,利用透射电子显微镜(TEM)、振动磁性强度计(VSM)、X射线光电子能谱(XPS)、扫面电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)、拉曼分析(Raman)以及比表面积孔径分析(BET)等分析了rGO/Fe_3O_4复合材料的结构和性能。另外,通过大量的吸附实验考察rGO/Fe_3O_4复合材料对重金属元素和细菌内毒素的吸附性能,并评估其应用前景。实验结果表明,Fe_3O_4纳米颗粒成功地在还原氧化石墨烯片层上沉积生成,纳米颗粒分布均匀,颗粒粒径较小,使复合材料获得了十分优秀的磁响应性能,可以在数秒内完成从反应体系中分离。另外,对重金属吸附实验表明,GO与Fe Cl_2·4H_2O质量比为1:8时制备得到的rGO/Fe_3O_4(1:8)具有较好的吸附性能及磁分离性能,在不同糖类环境中大部分情况下能够保持对重金属离子良好的吸附性能。内毒素吸附实验表明,rGO/Fe_3O_4气凝胶球对细菌内毒素具有高吸附效率及高吸附容量,rGO/Fe_3O_4最大平衡吸附量为854.701 EU/mg,在表面修饰负载多粘菌素B(Polymyxin B,PB)后吸附速率提高,在不同的糖类环境中均保持良好的吸附性能。


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