功能化石墨烯复合材料与蛋白质分离纯化

发布时间：2018-03-13 14:08

本文选题：石墨烯　切入点：功能化　出处：《东北大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：石墨烯是一种新型二维碳纳米材料,其具有独特而优异的物理化学性质,故引起了科学界及工程界的广泛关注。石墨烯巨大的比表面积使其成为一种潜在的固相吸附材料。为了实现复杂基体样品中蛋白质的高选择性分离纯化,本文制备了一系列功能化石墨烯复合材料,研究了其在蛋白质选择性分离纯化中的应用,建立了满足不同类型的复杂基体样品(全血,鸡蛋清和细胞裂解液)中目标蛋白质的高选择性分离纯化方法。第一章简要综述了石墨烯的研究历史,结构性质及其合成方法。概述了石墨烯的表面功能化,石墨烯复合材料的制备,以及石墨烯及其复合材料在样品预处理等领域中的应用进展。第二章制备了一种新型功能化石墨烯复合材料。通过共价功能化的方式,氧化石墨烯(GO)表面依次经过环氧氯丙烷(ECH),亚氨基二乙酸(IDA)和1-苯硼酸(1-PBA)修饰后,再进一步螫合镍金属离子得到复合材料。复合材料由FT-IR, XRD, SEM, TGA和ICP-MS等手段进行表征。结果证明上述有机分子成功修饰在石墨烯表面,得到了GO-PBA-IDA-Ni复合材料,且螯合固定的Ni2+含量为3.01×10-3 mol g-1。该复合材料对溶菌酶(Lys)表现良好的选择性吸附性能。在实际操作中,采用抽滤的方式将复合材料沉积在混合纤维膜(孔径为1.2μm)表面形成一层均匀的GO-IDA-PBA-Ni膜,厚度约为1.0μm。然后将GO-PBA-IDA-Ni复合膜固定在一个圆形的膜分离器上,并与顺序注射系统联用实现在线选择性分离溶菌酶。当500 μL溶液中25 0μg mL-1 Lys以5 gLs-1的载入速度流经复合膜后,Lys的吸附效率可达96%。金属亲和作用力和静电作用力是控制蛋白质吸附行为的主要驱动力。吸附在膜表面的Lys可采用含有1.0 mol L-1 NaCl和20 mmol L-1咪唑的硼酸缓冲液(pH 10)洗脱,回收率可达90%。复合膜的实际应用能力经选择性分离纯化鸡蛋清中的Lys予以验证,SDS-PAGE凝胶电泳结果表明本方法可以实现复杂基体中Lys的选择性分离,且得到的Lys具有很高的纯度。第三章采用一步水热还原法制备了镍纳米粒子修饰的石墨烯(GP-Ni)杂化材料。在聚苯乙烯磺酸钠(PSS)的存在下,氧化石墨烯和镍阳离子同时被水合肼还原形成杂化材料。实验采用XRD, TEM, SEM, XPS,拉曼及FT-IR光谱对GP-Ni杂化材料进行表征,结果证明石墨烯表面形成了多分散的镍纳米粒子,其平均尺寸为83 nm。GP-Ni杂化材料具有铁磁性,在10000奥斯特(Oe)下其饱和磁化强度为31.1 emu g-1。GP-Ni在水溶液中表现良好的稳定性和对外加磁场的快速响应性能。这些特性使GP-Ni作为一种新型磁性吸附材料用于复杂基体样品(细胞裂解液)中六组氨酸标签重组蛋白的分离纯化。目标蛋白分子通过聚组氨酸基团与镍纳米粒子之间特殊的金属亲和作用力吸附在GP-Ni杂化材料表面,SDS-PAGE凝胶电泳分析表明本方法可以实现细胞裂解液中六组氨酸标签Smt A蛋白的高选择性分离。与商品化的NTA-Ni2+分离柱相比,GP-Ni杂化材料对六组氨酸标签重组蛋白表现更优异的分离纯化性能。第四章采用了一种室温下简单且大规模合成的方法制备了氧化石墨烯-La(BTC)(H2O)6 (H3BTC=1,3,5-均苯三甲酸)金属有机骨架复合材料(LaMOF-GOn,n=1-6,分别对应于GO百分比为1%,2%,3%,4%,5%和10%)。复合材料通过ATR-FTIR光谱,SEM, XRD, TGA和N2吸附-解吸等温曲线等进行表征。GO的存在显著地改变了复合材料的表面形貌,从细长的矩形棒状结构转变为不规则的厚块,而且复合材料的比表面积从14.8 cm2 g-1 (LaMOFs)增加至26.6 cm2 g-1 (LaMOF-G03)。但与此同时La(BTC)(H2O)6的晶体结构得到了保持。作为一种新型的固相萃取剂,LaMOF-GO复合材料对蛋白质表现优异的吸附性能。蛋白质与复合材料之间强烈的疏水相互作用,特别是二者之间的π-π相互作用是控制蛋白质吸附的主要驱动力。当使用LaMOF-GO3复合材料为吸附剂时,在含有0.05 mol L-1 NaCl的4 mM B-R缓冲液(pH 8)中可以实现血红蛋白(Hb)的选择性分离。吸附在材料表面的Hb可以利用pH 10的1 mM B-R缓冲液进行有效洗脱,回收率可达63%。LaMOF-GO3复合材料的实际应用经人全血中Hb的选择性分离予以验证,SDS-PAGE凝胶电泳结果表明本方法可以实现复杂基体样品中Hb的选择性分离,而且得到的Hb具有较高的纯度。第五章制备了聚合离子液体(PIL)修饰的还原氧化石墨烯(rGO)。在水合肼还原过程中,聚(1-乙烯基-3-乙基咪唑溴代盐)(P(ViEtIm+Br-))修饰在还原氧化石墨烯纳米片表面,形成了PIL-rGOo所得PIL-rGO复合物进一步通过静电作用自组装在Si02纳米粒子的表面。PIL-rGO@SiO2纳米杂化材料对酸性蛋白质表现很高的选择性吸附。以卵清蛋白(Ova)作为酸性蛋白模型进行研究,Ova与纳米杂化材料之间强烈的静电吸引力和π-π相互作用是控制蛋白质吸附的主要驱动力。在pH 5的4 mM B-R缓冲液中,150 mg L-1的Ova在材料表面的吸附效率可达95%。与文献中用于Ova吸附的其他吸附剂相比,PIL-rGO@SiO2纳米杂化材料对Ova具有超高的吸附容量,最大吸附容量为917.4 mg g-1。吸附在纳米杂化材料表面的Ova可以用0.4%(w/v) SDS溶液有效洗脱,回收率可达70%。PIL-rGO@SiO2纳米杂化材料的实际应用经复杂基体样品(鸡蛋清)中Ova的选择性分离和去除进行验证。第六章总结了本论文的有关研究内容,并展望了功能化石墨烯类材料的进一步发展及其应用。
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【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33

【参考文献】