碳纳米管-氧化铁纳米颗粒复合材料：一种用于生物分子分离的稳定混合模式色谱材料

摘要

碳基材料是纳米技术多个领域研究的前沿。此外，它们作为色谱固定相的作用日益受到重视。本研究探讨了一种由多壁碳纳米管（CNTs）和超顺磁性氧化铁纳米颗粒组成的材料，旨在评估其作为混合模式色谱材料的潜力。核心思路是将离子交换材料氧化铁固定在CNTs上，作为色谱过程的稳定基质，且不产生显著压降。氧化铁纳米颗粒通过共沉淀法合成并用于修饰CNTs。它们结合在氧化CNTs的管壁上，从而实现复合材料的磁性分离。该混合材料经透射电子显微镜、磁强计、X射线衍射、X射线光电子能谱和拉曼光谱表征。同时测定了其比表面积和润湿行为。研究还演示了其作为色谱材料保留氨基酸的适用性，描述了不同氨基酸在水介质包围的复杂多孔系统中的吸附与解吸行为。因此，该材料既可用作色谱基质，也可作为磁性批量吸附材料。本工作为复合材料的当前研究做出了贡献，此类材料对于开发新型工业应用或改进现有工艺性能至关重要。

引言

自1991年Iijima首次合成碳纳米管（CNTs）以来，这种纳米材料经历了无与伦比的崛起，成为最强大的纳米材料之一。CNTs的生产基于石墨烯层卷曲成管。通过不同的层构型或多层组装，可轻松调控CNTs的电学和力学性能。高弹性、稳定性、导热导电性结合高比表面积，使CNTs处于纳米技术的前沿。CNTs的应用范围涵盖电池、传感器、高性能材料、药物递送和废水处理等。许多应用基于CNTs独特的吸附性能，其具有高比表面积和明确的化学结构。Long和Yang观察到CNTs对二恶烷和氮氧化物有强吸附行为，而对二氧化硫吸附中等、对二氧化碳吸附较弱。CNTs的高疏水表面可通过范德华力结合非极性聚合物或环烃，因此可作为疏水相互作用色谱（HIC）树脂，Biesaga和Pyrzynska曾利用CNTs作为色谱树脂纯化二甲四氯除草剂。对于电化学调制色谱应用及通过电位开关控制离子交换，CNTs代表了极具前景的固定相材料。此外，CNTs作为非极性化合物提取材料的应用也已得到证实。然而，CNTs的团聚会降低提取过程效率。超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）也具有有趣的吸附性能，在废水处理和医学中有多种应用。在废水处理中，氧化铁纳米颗粒因其低成本、高比表面积和络合性能被用于重金属去除。在医学中，氧化铁可用作磁共振成像造影剂、药物递送载体或高温热疗应用。因此，混合这两种材料以结合其有益特性极具吸引力；特别是CNTs的导电性和SPIONs的超顺磁性对众多应用领域极具价值。应用包括染料和药物的磁性固相萃取。固相萃取和液相色谱对大比表面积的基本要求相似，因此我们希望测试该材料对色谱分离过程的适用性。用SPIONs修饰CNTs可增强CNTs的分散性和可回收性，归因于表面的两性特征。因此，复合材料融合了CNTs和氧化铁的混合模式功能。此外，修饰还影响材料的磁学和电学性能。再者，由于SPIONs的超顺磁性，复合材料可实现磁性分离。Ajayan和Iijima早期通过填充管内纳米颗粒混合SPIONs和CNTs。其他方法包括通过聚合物连接剂或乳化剂将SPIONs结合到CNTs上。也可通过溶剂热合成氧化铁纳米颗粒并直接连接到多壁CNTs上。目前，修饰CNTs的主流方法是先用酸羧基化CNTs，再合成或涂覆SPIONs。通常，氧化铁纳米颗粒以羧基化CNTs为成核点，可在表面共沉淀或通过Fenton反应直接合成。虽然羧基化为SPIONs在碳表面提供了结合点，但酸处理可能导致纳米管截短。自首次结合SPIONs和CNTs以来，已测试了多种应用。合成中最具挑战性的是控制氧化铁纳米颗粒的团聚，以生成均匀的复合材料。利用羧基作为氧化铁成核的天然配体进行共沉淀工艺，似乎是防止强团聚效应并创建高度修饰纳米管基材料的最佳途径。因此，我们采用成熟的氧化铁合成路线实现CNTs的连接和修饰。我们研究了不同酸处理对CNTs表面改性的影响，以改善氧化铁纳米颗粒与CNTs的结合。将磁性纳米颗粒与改性CNTs混合，并对所得材料进行全面表征。先前研究已证明此类材料适合作为有机化合物分离的提取基质。我们探讨了所得材料作为色谱树脂的用途，并研究了氨基酸作为分析物的结合行为。本工作突显了合成材料润湿行为与色谱结果的关系，其中材料用作固定相。此外，本研究强调了利用色谱描述材料表面性质的方法，并为未来利用色谱作为材料表征和理解相互作用行为的方法论提供了方向。

实验部分

材料

碳纳米管（Baytubes C 150 P）购自德国拜耳材料科学公司。氯化铁（FeCl₃·6H₂O）和氢氧化钠（NaOH）购自德国AppliChem公司。氯化亚铁（FeCl₂·4H₂O）购自德国Bernd Kraft公司。盐酸、硝酸、过氧化氢和硫酸购自Sigma-Aldrich。所有材料均开封即用。

羧基化CNTs（cCNTs）的制备

将CNTs（10 g）悬浮在浓硝酸（67%）和浓硫酸（98%）的混合液（1:3 v/v）中，室温搅拌18 h。用去离子水稀释至总体积2 L以终止反应。用定性滤纸过滤分离羧基化CNTs，洗涤至pH 7。所得cCNTs在60 °C下干燥过夜。

SPIONs在cCNTs上的共沉淀

参考Baykal等2013年的方法，对cCNTs进行磁性纳米颗粒修饰。干燥cCNTs（2 g）在800 mL去离子水中超声分散以解聚。悬浮液室温下以350 rpm搅拌，加入14 g FeCl₃·6H₂O和5.2 g FeCl₂·4H₂O。加入2 mol L⁻¹ NaOH至pH 9.5。反应30 min后停止，过滤固体。SPIONs修饰的cCNTs经Alpha 1–2 LDplus冻干机（Martin Christ公司）冻干后进一步分析。

表征方法

透射电子显微镜（TEM）

少量干燥纳米管悬浮于去离子水中，用Branson超声粉碎机解聚。悬浮液滴加于TEM铜网上，用JEOL 100 CX分析。每张图片至少统计100个颗粒进行分析。

X射线衍射（XRD）

干燥样品用Stadi P衍射仪（STOE & Cie GmbH，德国）测试，配备MoKα源（λ = 0.7093 Å），透射几何模式。数据收集范围2°–50° (2θ)。用STOE WinXPOW软件进行指数化和精修。利用⟨2 2 0⟩反射的半高全宽和位置，根据Scherrer公式确定初级颗粒直径。选取球形颗粒对应的因子0.89。

X射线光电子能谱（XPS）

用Leybold–Heraeus LHS 10 XPS系统在超高真空（UHV）下测试，配备非单色Al Kα源（1486.7 eV）。粉末样品固定在真空兼容铜箔胶带上。恒定通道能模式设为100 eV，半高全宽~1.1 eV。以冒险碳C 1s峰（284.5 eV）为基准校正能谱。C 1s、O 1s和Fe 2p区谱各重复扫描30次以减少统计噪声。所有谱图在压力低于5 × 10⁻⁸ mbar的UHV下记录。核心能级谱用高斯-洛伦兹混合函数拟合（高斯线宽0.7 eV，洛伦兹线宽0.3 eV）。

张力仪测试

用Krüss T100 MK3张力仪测量CNTs、cCNTs和cCNT-SPIONs的接触角。将2 cm高的纳米管填充床均匀压实。用正己烷测定填充床的毛细管现象。用二碘甲烷、二甲亚砜、乙二醇、甘油和去离子水测定接触角。用OWRK法（Owens Wendt Rabel和Kälble）计算自由表面能。

吸附实验

在pH 7.8的100 mM磷酸盐缓冲液中，用SPIONs、cCNTs和cCNT-SPIONs进行L-赖氨酸不同浓度的吸附等温线实验。氨基酸与吸附剂在25 °C下振荡孵育24 h。不同浓度氨基酸分别与1 g L⁻¹ cCNTs或cCNT-SPIONs、2 g L⁻¹ SPIONs孵育。上清液浓度用基于Cayot法的分析测定，该法基于TNBSA在pH 8.5下修饰氨基酸后的420 nm光度检测。

色谱实验

用直径6.6 mm的色谱柱（Omnifit）测定CNTs、cCNTs和cCNT-SPIONs的动态结合容量（DBC），柱两端可调，配25 μm PE筛板。所有样品在流动水下动态填充至6–8 cm高。色谱实验流速0.3 mL min⁻¹。用1 M NaCl溶液按修正van Deemter方程测定理论塔板高（HETP）和死时间：HETP = L·σ²/μ²；L为柱长，σ为色谱峰方差，μ为一阶峰矩。实验前在峰高10%处评估填充柱不对称因子：As = b/a；a为峰前半宽，b为峰后半宽。计算不同氨基酸（甘氨酸、L-赖氨酸、L-组氨酸、L-谷氨酸、L-半胱氨酸）的DBC时，溶液调节为10 mM、pH 6。氨基酸用二极管阵列检测器在200 nm检测。柱先用30 mL水洗涤，再加载15 mL氨基酸溶液，随后用20 mL水洗涤，再用20 mL 1 M NaCl洗脱，最后用20 mL水再生。DBC在突破峰最大值10%处测定。所有实验均三重复进行。

结果与讨论

多壁碳纳米管疏水性强，不易与极性氧化铁纳米颗粒相互作用。为使CNTs极性化以便与氧化铁相互作用，采用硝酸和硫酸混合酸处理表面。该处理产生表面缺陷和带电表面基团，作为纳米颗粒共沉淀的成核点和氧化铁纳米颗粒的结合位点。测试了多种产生缺陷位点的方法和试剂，并用拉曼光谱分析。拉曼光谱给出缺陷带（D）与石墨带（G）的积分比。G/D比值取决于激光波长，但该比值增加通常指示纳米管表面氧化程度，可用于筛选最佳CNTs表面改性方法。虽然单独硝酸处理后D:G比值极高，但混酸处理仅导致该比值轻微增加。为保证实验可重复性及色谱柱填充性能，后续实验仅使用混酸处理的CNTs，称为羧基化CNTs（cCNTs）。

在cCNTs存在下共沉淀合成的氧化铁纳米颗粒，平均尺寸比无cCNTs时合成的颗粒略大。但粒径分布更宽（5–20 nm），且颗粒附着于纳米管上。合成的复合材料主要保留氧化铁纳米颗粒特性，且修饰均匀。透射电镜可见cCNTs上均匀分布的深色氧化铁纳米颗粒，无大团聚，与文献一致。

室温磁化测试显示复合材料为超顺磁性，饱和磁化强度67 emu g⁻¹，无磁滞剩磁（<1 emu g⁻¹）。饱和磁化强度仅略低于纯氧化铁纳米颗粒，磁滞回线形状相似，表明SPIONs和cCNT-SPIONs复合材料的表层和核心组成相似。晶体学分析显示复合材料呈尖晶石结构，对应磁铁矿或maghemite，未观察到CNTs晶体结构。CNTs和cCNTs在11.8°处的信号可归属为六方石墨结构的⟨0 0 2⟩反射。cCNTs经氧化铁纳米颗粒修饰后，出现反射：⟨1 1 1⟩ 5.4°、⟨2 2 0⟩ 13.7°、⟨3 1 1⟩ 16.1°、⟨4 0 0⟩ 19.4°、⟨4 2 2⟩ 23.8°、⟨5 1 1⟩ 25.3°、⟨4 4 0⟩ 25.6°。这些反射与标准立方相Fe₃O₄（JCPDS 89-4319）面心立方结构及自备参考SPIONs一致。复合材料反射半高全宽增大，导致Scherrer晶粒尺寸减小，这可用TEM观察到的更宽粒径分布和cCNTs表面额外成核位点解释。更高成核密度通常导致更小的初级晶粒。磁化和衍射模式与聚乙烯亚胺或聚丙烯酸静电修饰等其他方法一致。石墨对应反射强度在纯材料和复合材料中相近，但氧化铁结构对应反射强度显著增强。

因此，复合材料结合了碳纳米管和磁性纳米颗粒的性质。X射线光电子能谱作为极表面敏感技术，证实了氧化铁连接在cCNTs上。Fe 2p₃/₂带峰值711 eV、Fe 2p₁/₂峰值724 eV，表明存在磁铁矿和/或maghemite。振荡卫星峰形状也支持磁铁矿而非赤铁矿。O 1s区显示cCNTs和cCNT-SPIONs均有C–O和COO⁻键，复合材料额外出现529.5 eV带，对应Fe–O键。O 1s区的碳氧键与C 1s区观察一致，后者显示不同氧化态碳物种：羧基（289 eV）、其他C–O键（286–287.5 eV）及sp²杂化碳（284.5 eV，对应CNTs骨架碳）。

ATR-IR光谱也可观察cCNTs经SPIONs修饰的情况。复合材料在550 cm⁻¹处显著带对应磁铁矿晶体T₁u振动。cCNTs上羧基对称和反对称伸缩振动分别在1325、1400 (s) 和1624 cm⁻¹ (as) 处出现。3250 cm⁻¹左右的O–H伸缩振动指示cCNTs上存在羧基。cCNT-SPIONs中C–O振动峰强度下降，Fe–O振动带显著，指示均匀包覆。氧化铁纳米颗粒对红外辐射吸收更强，故结果仅定性指示表面氧化铁增加伴随C–O振动带消失。

复合材料的zeta电位仅略高于裸SPIONs，尽管酸处理本应产生高负电荷材料。CNTs在水环境中易团聚，未能测定其zeta电位。复合材料等电点仍在中性范围（pH 7.5），裸纳米颗粒为pH 6.5。这表明cCNTs被氧化铁纳米颗粒良好包覆/修饰，支持其他表征结果。zeta电位随pH升降的两性行为在两材料中相似，也指示氧化铁为最显著表面物种。毛细管上升法润湿实验观察到类似行为。多溶剂实验得出的表面自由能及其极性/分散分量，复合材料与裸氧化铁纳米颗粒相似。毛细管用乙二醇测定裸CNTs（文献法），其他材料用表面张力极低的正己烷（18.4 mJ m⁻²）测定毛细管。裸氧化铁纳米颗粒总表面自由能55.9 mJ m⁻²，复合材料47.1 mJ m⁻²。复合材料极性分量略高。未处理CNTs显示高分散性表面自由能，而cCNTs按OWRK法呈高极性。该法可比较润湿液极性/分散分量及毛细管上升实验得出的接触角。CNTs表面自由能略高于Dresel和Teipel用Baytube CNTs毛细管上升法的结果。张力仪毛细管上升法结果是描述纳米材料表面极性和水润湿差异的有趣指标，但纳米结构表面和毛细管易产生误差。所有材料均显示高比表面积。裸氧化铁纳米颗粒110 m² g⁻¹，cCNTs 228 m² g⁻¹，复合材料131 m² g⁻¹。考虑体积比表面积时三者处于相似范围，因为cCNTs（1.46 g cm⁻¹）、cCNT-SPIONs（2.38 g cm⁻¹）和SPIONs（3.8 g cm⁻¹）密度差异显著。CNTs密度符合文献变动范围。

为将复合材料用于固相萃取和色谱过程，比较了氨基酸的静态和动态结合容量。本研究主要目标之一是验证复合材料能否用于色谱系统，使氧化铁纳米颗粒作为固定相。裸纳米颗粒因压降大和可能流失，不能单独作为色谱柱固定相，故仅能通过平衡吸附等温线比较氨基酸对裸纳米颗粒的结合行为。L-赖氨酸在cCNT-SPIONs和SPIONs上的吸附等温线行为相似。平衡结合常数（K_D）范围相近（cCNT-SPIONs 0.17 g L⁻¹，SPIONs 0.72 g L⁻¹），但最大结合容量差异大（cCNT-SPIONs 0.91 g g⁻¹，SPIONs 0.15 g g⁻¹）。亲和力和结合容量差异可用赖氨酸与负电荷cCNTs的强静电相互作用，对比两性氧化铁表面的相互作用解释。但氧化铁纳米颗粒在PBS缓冲液中通常也被磷酸根络合带负电。选L-赖氨酸因其经TNBSA法较易检测。最大载量与文献中阳离子吸附物（如亚甲蓝、苯胺）在氧化铁修饰CNTs上的结果相近。动态结合容量（反相液相色谱得出）显示cCNTs和cCNT-SPIONs差异巨大。带正电的L-赖氨酸在cCNTs上DBC较高，带负电的L-谷氨酸在cCNT-SPIONs上DBC显著更高。这与L-谷氨酸对氧化铁纳米颗粒高亲和力的文献一致。L-赖氨酸对cCNTs的高DBC可用正电荷氨基酸与负电荷羧基化纳米管的静电相互作用解释。甘氨酸对cCNT-SPIONs的DBC高于cCNTs，可能因氧化铁表面更两性。L-半胱氨酸对复合材料的高DBC与文献一致，归因于L-半胱氨酸与铁离子相互作用形成胱氨酸。L-组氨酸对所有材料显示高DBC，因静电、配位和疏水相互作用均可能。cCNT-SPIONs柱HETP值高于CNTs和cCNTs，但不对称因子与cCNTs相似，约0.7，允许突破曲线分析。所有系统孔隙率在0.78–0.94范围，与反相色谱其他固定相一致。

结论

本研究合成了结合超顺磁性氧化铁纳米颗粒和碳纳米管的复合材料。首要目标是探究复合材料表面性质，理解各初始材料对最终复合材料的贡献。此外，作为概念验证，测试此类材料用于分子分离的效果，重点考察液相色谱中氨基酸保留行为。旨在结合氧化铁纳米颗粒的表面反应性与碳纳米管的填充性能，后者作为色谱基质可产生极低压降。成功建立色谱系统，表征了正/负电荷及不带电氨基酸与复合材料的相互作用。因此，该材料可作为基于CNTs基质相互作用的良好指示剂。不仅可用于色谱系统，因描述的修饰工艺获得高饱和磁化强度，所得材料也适用于固相萃取等过程。磁性允许简单磁性分离，而碳纳米管调控宏观结构和靶分子对表面的可及性。本研究强调磁性分离与分析色谱的相似性，因可演示相似材料和吸附平衡，尽管存在多种差异。未来开发这种独特磁性材料时，其流体动力学性质似乎特别有趣，应分析如色谱中的混合模式应用。此外，复合材料的电学性质可能为进一步电化学应用铺平道路。Tabassum等综述了金属基纳米颗粒限域在碳纳米管内的多种应用，为电催化、能量转换和存储器件提供机遇。复合材料的理解与设计、表面和界面性质描述具有挑战性。尽管如此，复合材料有能力为未来所有领域的高复杂性应用打开大门。色谱某种意义上是开创性技术，适用于各类靶化合物，提供极广泛的方法和工艺解决方案组合。我们认为，本研究呈现的此类材料对于理解特定加工形式中不同性质的贡献、以及不同组成材料如何影响基于固液界面相互作用的工艺最终输出至关重要。