组氨酸功能化碳纳米管及其制备方法及应用

摘要

本发明公开了一种组氨酸功能化的碳纳米管及其制备方法与应用。首先制备羧基化的碳纳米管，进一步反应得到活性内酯化的碳纳米管。将由组氨酸与活化的碳纳米管反应制得组氨酸功能化的碳纳米管。利用碳纳米管的可多功能修饰性及其纳米材料的高负载特性，发展了一种适于复杂体系中痕量金属元素高灵敏度和高选择性的检测的简单、快速、经济的方法。该方法在检测复杂体系中的某些特定过渡金属时，可以高灵敏度、高选择性的准确检测目标元素，避免其它元素的干扰。

权利要求

1.一种组氨酸功能化多壁碳纳米管的制备方法，其特征在于它是按如下的步骤进行：(a) 在敞开反应容器内，加入0.2-2g 多壁碳纳米管MWCNT，混合酸；多壁碳纳米管与混合酸的质量体积比m/V为1:20，常温超声分散60-120 min，制得均匀分散的MWCNT黑色悬浊液；其中的混合酸指的是：浓硫酸与浓硝酸按体积比为1:1-3:1加以混合；

(b)取15-25 mL步骤 (a)制得的MWCNT黑色悬浊液于烧杯中，加热到65-75℃，搅拌

5-15 h；

(c) 向步骤(b)中加入蒸馏水稀释，7000 rpm离心5 min，弃去上清酸液；

(d) 再向步骤(c)中加入蒸馏水，通过0.22 μm 的聚碳酸酯膜过滤，再用蒸馏水反复洗涤过滤物至过滤液的pH=6-7；真空干燥，得到碳纳米管甲酸MWCNT-COOH；

(e) 在100 mL 的三口瓶中加入步骤（d）中的MWCNT-COOH，将MWCNT-COOH分别用N-羟基琥珀酰亚胺NHS和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐EDC，室温下搅拌活化

5 h，并反应成内酯基团，悬浊液通过PTFE膜过滤分离, 并用乙醇和蒸馏水洗涤，得到活性内酯化的碳纳米管；其中MWCNT-COOH:NHS:EDC的重量比为1 : 10 : 1 ~ 1 : 1: 10 ；

(f) 将步骤(e)中的活性内酯化的碳纳米管与组氨酸反应，混合溶液避光搅拌2 -10 h，即制得组氨酸功能化的碳纳米管；其中活性内酯化的碳纳米管：组氨酸的重量比为1:1 ~ 1:10；所述的组氨酸功能化的碳纳米管，它是由0.2-2 g 多壁碳纳米管MWCNT表面负载

62-620 mg的组氨酸组成。

2.权利要求1所述的制备方法，其特征在于(a)步所述的混合酸是体积比为3：1 的浓H2SO4与浓HNO3。

说明书

组氨酸功能化碳纳米管及其制备方法及应用

技术领域

[0001] 本发明涉及生物分子功能化的碳纳米管，用于选择性检测复杂生物及环境体系的痕量金属元素，属于纳米材料制备技术及生物、环境复杂体系中金属成分的分析检测技术领域。

背景技术

[0002] 一些特定过渡金属超过一定浓度后对于大部分生命体都具有毒性及致病性。甚至在很低的浓度下，对于人和动物来讲，都有很强毒性。并且它不具备生物降解性，易于在体内堆积，引发各种疾病和失调。

[0003] 碳纳米管是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”。根据形成条件的不同,碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTs) 和单壁碳纳米管(SWNTs) 两种形式。MWNTs一般由几层到几十层石墨片同轴卷绕构成，层间间距为 0. 34 nm 左右，其典型的直径和长度分别为2～30 nm 和0. 1～50μm。碳纳米管因具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等特点，从而使其具有特殊的机械、物理、化学性能，在工程材料、催化、吸附—分离、储能器件电极材料等诸多领域中具有重要的应用前景。碳纳米管的化学性能中最优异、最突出的就是吸附性能。由于碳纳米管是由石墨层片卷曲而成的一维量子线，其每一个碳原子都暴露在表面，这种独特的结构导致它对液体和气体都有显著的吸附性，在分析化学领域中的应用尤为广泛。基于纳米级的尺度和微观结构，在制备的过程中产生不同大小和尺度的孔径结构，再加上极高的比表面积(单壁2 -1
碳纳米管的理论极限表面积可达2630 m g ，相当于单层石墨片的比表面积，接近于超级活性炭)。碳纳米管纳米空腔的存在使得液体能通过浸润碳表面和毛细作用吸附于碳纳米管上，并且表面张力越小，就越容易吸附和填充。这使得碳纳米管具有独特的吸附特性。虽然碳纳米管在分析样品前的预富集金属方面做了很多应用，但是选择性并不高。因此我们发展了高灵敏度、高选择性预富集，可直接检测生物、环境复杂体系中金属成分。

[0004] 流动注射（FI）在线吸附分离、预富集显示出巨大的潜力，并且在这些年成为一种最有潜力的自动样品分析的方式。在线固相萃取微柱中，将功能化的碳纳米管密实地填充于微柱中，两端加入少量的玻璃棉，即可完成微柱的制备。流动注射在线预富集、分离与电热原子吸收联用已经成为通过增强信号来检测痕量元素的有效方法，具备高样品通量，低消耗等特点。本工作即采用此方式来实现材料性能的特定性能。

发明内容

[0005] 本发明的目的是解决未修饰碳纳米管富集、分离中选择性差的问题，提供一种可以高灵敏度、高选择性预富集并直接定量检测生物、环境复杂体系中金属成分的、组氨酸功能化的碳纳米管的制备方法。

[0006] 为实现上述目的，本发明公开如下的技术内容：

[0007] 一种组氨酸功能化多壁碳纳米管，其特征在于它是由下述成分组成：

[0008] 0.2-2 g 多壁碳纳米管MWCNT表面负载62-620 mg的组氨酸（2-氨基-3咪唑基丙酸）。

[0009] 本发明所述组氨酸功能化碳纳米管的制备方法，其特征是该方法包括如下步骤：

[0010] (a) 在敞开反应容器内，加入0.2-2 g 多壁碳纳米管MWCNT，混合酸，多壁碳纳米管与混合酸的质量体积比m/V为1:20，常温超声分散60-120 min，制得均匀分散的MWCNT黑色悬浊液；其中的混合酸指的是：浓硫酸与浓硝酸按体积比为1:1-3:1加以混合；

[0011] (b)取15-25 mL步骤 (a)制得的MWCNT黑色悬浊液于烧杯中，加热到65-75℃，搅拌5-15 h；

[0012] (c) 向步骤(b)中加入蒸馏水稀释，7000 rpm离心5 min，弃去上清酸液；

[0013] (d) 再向步骤(c)中加入蒸馏水，通过0.22 μm 的聚碳酸酯膜过滤，再用蒸馏水反复洗涤过滤物至过滤液的pH=6-7；真空干燥，得到碳纳米管甲酸MWCNT-COOH；

[0014] (e) 在100 mL 的三口瓶中加入步骤（d）中的MWCNT-COOH，将MWCNT-COOH分别用NHS（N-羟基琥珀酰亚胺）和EDC（1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐）室温下搅拌活化5 h，并反应成内酯基团，悬浊液通过PTFE膜过滤分离, 并用乙醇和蒸馏水洗涤；其中MWCNT-COOH:NHS:EDC的重量比为1 : 10 : 1 ~ 1 : 1: 10 。

[0015] (f) 将步骤(e)中的活性内酯化的碳纳米管与组氨酸反应，混合溶液避光搅拌2 ~ 10 h，即制得组氨酸功能化的碳纳米管；其中活性内酯化的碳纳米管：组氨酸的重量比为1:1 ~ 1:10。其中优选(a)步所述的混合酸的体积比为3:1 的浓H2SO4与浓HNO3。

[0016] 本发明进一步公开了组氨酸功能化碳纳米管在制备作为固相萃取剂，用于过渡金属元素V(V)的选择性吸附方面的应用，并应用于含相应元素的样品测定。采用本发明的组氨酸功能化碳纳米管，在检测复杂体系中的某些特定过渡金属时，可以高灵敏度、高选择性的准确检测目标元素，避免其它元素的干扰。特别是组氨酸功能化的碳纳米管在固相萃取测定V(V)时比未功能化的多壁碳纳米管在共存离子干扰方面最多有1000倍的提升。

[0017] 本发明一个优选的组氨酸功能化碳纳米管，它是由下述2 g 多壁碳纳米管MWCNT表面负载620 mg的组氨酸（2-氨基-3咪唑基丙酸）组成。

[0018] 本发明另一个优选的组氨酸功能化碳纳米管，它是由下述0.5g 多壁碳纳米管MWCNT表面负载65 mg的组氨酸（2-氨基-3咪唑基丙酸）组成。

[0019] 本发明一个优选的组氨酸功能化碳纳米管在制备：

[0020] (a) 在敞开反应容器内，加入0.2-2 g 多壁碳纳米管MWCNT，混合酸，多壁碳纳米管与混合酸的质量体积比m/V为1:20，常温超声分散60-120 min，制得均匀分散的MWCNT黑色悬浊液；其中的混合酸指的是：浓硫酸与浓硝酸按体积比为3:1加以混合；

[0021] (b)取15-25 mL步骤 (a)制得的MWCNT黑色悬浊液于烧杯中，加热到65-75℃，搅拌5-15 h；

[0022] (c) 向步骤(b)中加入蒸馏水稀释，7000 rpm离心5 min，弃去上清酸液；

[0023] (d) 再向步骤(c)中加入蒸馏水，通过0.22 μm 的聚碳酸酯膜过滤，再用蒸馏水反复洗涤过滤物至过滤液的pH=6-7；真空干燥，得到碳纳米管甲酸MWCNT-COOH；

[0024] (e) 在100 mL 的三口瓶中加入步骤（d）中的MWCNT-COOH，将MWCNT-COOH分别用NHS（N-羟基琥珀酰亚胺）和EDC（1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐）室温下搅拌活化5 h，并反应成内酯基团，悬浊液通过PTFE膜过滤分离, 并用乙醇和蒸馏水洗涤；其中MWCNT-COOH:NHS:EDC的重量比为1 : 5 : 1 ~ 1 : 1 : 5 。

[0025] (f) 将步骤(e)中的活性内酯化的碳纳米管与组氨酸反应，混合溶液避光搅拌2 ~ 10 h.，即制得组氨酸功能化的碳纳米管；其中活性内酯化的碳纳米管：组氨酸的重量比为1:1 ~ 1:10。

[0026] 本发明制备的组氨酸功能化碳纳米管的优点和积极效果：

[0027] 通过本发明的方法制备的碳纳米管可以达到多功能修饰性及可修饰物高负载量的特性，发展了一种简单、快速、经济、高灵敏和高选择性的检测复杂体系的痕量金属元素的方法。该方法在检测复杂体系中的某些特定过渡金属时，可以高灵敏度、高选择性的准确检测，避免其它元素的干扰。

具体实施方式

[0028] 下面结合实施例说明本发明，这里所述实施例的方案，不限制本发明，本领域的专业人员按照本发明的精神可以对其进行改进和变化，所述的这些改进和变化都应视为在本发明的范围内，本发明的范围和实质由权利要求来限定。碳纳米管MWCNT有市售，本发明所用到的其他各种试剂均有市售。

[0029] 实施例1

[0030] 组氨酸功能化碳纳米管（0.8 g 多壁碳纳米管MWCNT表面负载200 mg的组氨酸）[0031] (a) 在敞开反应容器内，加入1g 碳纳米管MWCNT和20mL体积比为3:1 的浓H2SO4与浓HNO3，常温超声分散90 min，制得均匀分散的黑色悬浊液；

[0032] (b) MWCNT-COOH的制备：取20 mL (a)步制得的MWCNT黑色悬浊液于烧杯中，加热至70℃左右，7h；

[0033] (c) 加入蒸馏水稀释，7000 rpm离心5分钟，弃去上清酸液。反复3次。

[0034] (d) 再加入蒸馏水，通过0.22μm 的聚碳酸酯膜过滤。再用蒸馏水反复洗涤过滤物至滤液为中性（pH= 7）。真空干燥，得到碳纳米管甲酸MWCNT-COOH。

[0035] (e) 制备组氨酸功能化的碳纳米管，100 mL 的三口瓶中加入（d）步中的回收产品MWCNT-COOH，将MWCNT-COOH分别用NHS和EDC室温下搅拌活化5 h，并反应成内酯基团，悬浊液通过PTFE膜过滤分离, 并用乙醇和蒸馏水洗涤；其中MWCNT-COOH:NHS:EDC的重量比为1 : 4 : 1；

[0036] (f) 将(e)步中的活性内酯化的碳纳米管与组氨酸反应，混合溶液避光搅拌2 h，即制得组氨酸功能化的碳纳米管；其中碳纳米管：组氨酸的重量比为1:1。

[0037] 实施例2

[0038] 组氨酸功能化碳纳米管（1.1 g 多壁碳纳米管MWCNT表面负载310 mg的组氨酸）[0039] (a) 在敞开反应容器内，加入1.5 g 碳纳米管MWCNT 和30 mL体积比为1:1 的浓H2SO4与浓HNO3，常温超声分散120 min，制得均匀分散的MWCNT黑色悬浊液；

[0040] (b) MWCNT-COOH的制备：取20 mL (a)步制得的MWCNT黑色悬浊液于烧杯中，加热至65℃左右，14h；

[0041] (c) 加入蒸馏水稀释，7000 rpm离心5 min，弃去上清酸液。反复3次。

[0042] (d) 再加入蒸馏水，通过0.22μm 的聚碳酸酯膜过滤。再用蒸馏水反复洗涤过滤物至滤液为中性。真空干燥，得到MWCNT-COOH。

[0043] (e) 制备组氨酸功能化的碳纳米管，100 mL 的三口瓶中加入（d）步中的回收产品MWCNT-COOH，将MWCNT-COOH分别用NHS和EDC室温下搅拌活化5 h，并反应成内酯基团，悬浊液通过PTFE膜过滤分离, 并用乙醇和蒸馏水洗涤；其中MWCNT-COOH:NHS:EDC的重量比为1 : 1: 7；

[0044] (f) 将(e)步中的活性内酯化的碳纳米管与组氨酸反应，混合溶液避光搅拌8 h.，即制得组氨酸功能化的碳纳米管；其中碳纳米管：组氨酸的重量比为1:5。

[0045] 实施例3

[0046] 组氨酸功能化碳纳米管（1.8 g 多壁碳纳米管MWCNT表面负载540 mg的组氨酸）[0047] (a) 在敞开反应容器内，加入0.5 g 碳纳米管MWCNT 和10 mL体积比为2:1 的浓H2SO4与浓HNO3，常温超声分散120 min，制得均匀分散的MWCNT黑色悬浊液；

[0048] (b) MWCNT-COOH的制备：取15 mL (a)步制得的MWCNT黑色悬浊液于烧杯中，加热至65℃左右，9h；

[0049] (c) 加入蒸馏水稀释，7000 rpm离心5 min，弃去上清酸液。反复3次。

[0050] (d) 再加入蒸馏水，通过0.22μm 的聚碳酸酯膜过滤。再用蒸馏水反复洗涤过滤物至滤液为中性。真空干燥，得到MWCNT-COOH。

[0051] (e) 制备组氨酸功能化的碳纳米管，100mL 的三口瓶中加入（d）步中的回收产品MWCNT-COOH，将MWCNT-COOH分别用NHS和EDC室温下搅拌活化5 h，并反应成内酯基团，悬浊液通过PTFE膜过滤分离, 并用乙醇和蒸馏水洗涤；其中MWCNT-COOH:NHS:EDC的重量比为1 : 1: 1；

[0052] (f) 将(e)步中的活性内酯化的碳纳米管与组氨酸反应，混合溶液避光搅拌6 h.，即制得组氨酸功能化的碳纳米管；其中碳纳米管：组氨酸的重量比为1:8。

[0053] 实施例4

[0054] 组氨酸功能化碳纳米管（1 g 多壁碳纳米管MWCNT表面负载290 mg的组氨酸）[0055] (a) 在敞开反应容器内，加入2 g 多壁碳纳米管MWCNT，混合酸；多壁碳纳米管与混合酸的质量体积比m/V为1:20，常温超声分散120 min，制得均匀分散的MWCNT黑色悬浊液；其中的混合酸指的是：浓硫酸与浓硝酸按体积比为3:1加以混合；

[0056] (b)取25 mL步骤 (a)制得的MWCNT黑色悬浊液于烧杯中，加热到75℃，搅拌15 h；

[0057] (c) 向步骤(b)中加入蒸馏水稀释，7000 rpm离心5 min，弃去上清酸液；

[0058] (d) 再向步骤(c)中加入蒸馏水，通过0.22 μm 的聚碳酸酯膜过滤，再用蒸馏水反复洗涤过滤物至过滤液的pH=6；真空干燥，得到碳纳米管甲酸MWCNT-COOH；

[0059] (e) 在100 mL 的三口瓶中加入步骤（d）中的MWCNT-COOH，将MWCNT-COOH分别用NHS（N-羟基琥珀酰亚胺）和EDC（1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐）室温下搅拌活化5 h，并反应成内酯基团，悬浊液通过PTFE膜过滤分离, 并用乙醇和蒸馏水洗涤；其中MWCNT-COOH:NHS:EDC的重量比为1 : 2 : 1；

[0060] (f) 将步骤(e)中的活性内酯化的碳纳米管与组氨酸反应，混合溶液避光搅拌10 h，即制得组氨酸功能化的碳纳米管；其中活性内酯化的碳纳米管：组氨酸的重量比为1 :4。

[0061] 实施例5