專利名稱：組氨酸功能化碳納米管及其制備方法及應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及生物分子功能化的碳納米管，用于選擇性檢測復雜生物及環境體系的痕量金屬元素，屬于納米材料制備技術及生物、環境復雜體系中金屬成分的分析檢測技術領域。
背景技術：
一些特定過渡金屬超過一定濃度后對于大部分生命體都具有毒性及致病性。甚至在很低的濃度下，對于人和動物來講，都有很強毒性。并且它不具備生物降解性，易于在體內堆積，引發各種疾病和失調。

碳納米管是由單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷繞而成的無縫、中空的“微管”。根據形成條件的不同，碳納米管存在多壁碳納米管(MWNTs)和單壁碳納米管(SWNTs)兩種形式。MWNTs—般由幾層到幾十層石墨片同軸卷繞構成，層間間距為0. 34nm左右，其典型的直徑和長度分別為2 30 nm和0. I 50 y m。碳納米管因具有尺寸小、機械強度高、比表面大、電導率高、界面效應強等特點，從而使其具有特殊的機械、物理、化學性能，在工程材料、催化、吸附一分離、儲能器件電極材料等諸多領域中具有重要的應用前景。碳納米管的化學性能中最優異、最突出的就是吸附性能。由于碳納米管是由石墨層片卷曲而成的一維量子線，其每一個碳原子都暴露在表面，這種獨特的結構導致它對液體和氣體都有顯著的吸附性，在分析化學領域中的應用尤為廣泛。基于納米級的尺度和微觀結構，在制備的過程中產生不同大小和尺度的孔徑結構，再加上極高的比表面積(單壁碳納米管的理論極限表面積可達2630 m2 g'相當于單層石墨片的比表面積，接近于超級活性炭)。碳納米管納米空腔的存在使得液體能通過浸潤碳表面和毛細作用吸附于碳納米管上，并且表面張力越小，就越容易吸附和填充。這使得碳納米管具有獨特的吸附特性。雖然碳納米管在分析樣品前的預富集金屬方面做了很多應用，但是選擇性并不高。因此我們發展了高靈敏度、高選擇性預富集，可直接檢測生物、環境復雜體系中金屬成分。流動注射(FI)在線吸附分離、預富集顯示出巨大的潛力，并且在這些年成為一種最有潛力的自動樣品分析的方式。在線固相萃取微柱中，將功能化的碳納米管密實地填充于微柱中，兩端加入少量的玻璃棉，即可完成微柱的制備。流動注射在線預富集、分離與電熱原子吸收聯用已經成為通過增強信號來檢測痕量元素的有效方法，具備高樣品通量，低消耗等特點。本工作即采用此方式來實現材料性能的特定性能。

發明內容
本發明的目的是解決未修飾碳納米管富集、分離中選擇性差的問題，提供一種可以高靈敏度、高選擇性預富集并直接定量檢測生物、環境復雜體系中金屬成分的、組氨酸功能化的碳納米管的制備方法。為實現上述目的，本發明公開如下的技術內容
一種組氨酸功能化多壁碳納米管，其特征在于它是由下述成分組成0.2-2 g多壁碳納米管MWCNT表面負載62-620 mg的組氨酸(2-氨基-3咪唑基丙酸)。本發明所述組氨酸功能化碳納米管的制備方法，其特征是該方法包括如下步驟
(a)在敞開反應容器內，加入0.2-2g多壁碳納米管MWCNT，混合酸，多壁碳納米管與混合酸的質量體積比m/V為1:20，常溫超聲分散60-120 min,制得均勻分散的MWCNT黑色懸濁液；其中的混合酸指的是濃硫酸與濃硝酸按體積比為1:1-3:1加以混合； (b)取15-25mL步驟(a)制得的MWCNT黑色懸濁液于燒杯中，加熱到65_75°C，攪拌5-15 h ；
(c)向步驟(b)中加入蒸懼水稀釋,7000rpm離心5 min,棄去上清酸液；
(d)再向步驟(c)中加入蒸餾水，通過0.22Pm的聚碳酸酯膜過濾，再用蒸餾水反復洗滌過濾物至過濾液的pH=6-7 ;真空干燥，得到碳納米管甲酸MWCNT-COOH ；
(e)在100mL的三口瓶中加入步驟(d)中的MWCNT-C00H，將MWCNT-COOH分別用NHS(N-羥基琥珀酰亞胺)和EDC (I-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽)室溫下攪拌活化5 h，并反應成內酯基團，懸濁液通過PTFE膜過濾分離，并用乙醇和蒸餾水洗滌；其中 MWCNT-COOH:NHS:EDC 的重量比為 I : 10 : I I : 1: 10。(f)將步驟(e)中的活性內酯化的碳納米管與組氨酸反應，混合溶液避光攪拌2 10 h，即制得組氨酸功能化的碳納米管；其中活性內酯化的碳納米管組氨酸的重量比為1:1 1:10。其中優選(a)步所述的混合酸的體積比為3:1的濃H2SO4與濃HNO3。本發明進一步公開了組氨酸功能化碳納米管在制備作為固相萃取劑，用于過渡金屬元素V(V)的選擇性吸附方面的應用，并應用于含相應元素的樣品測定。采用本發明的組氨酸功能化碳納米管，在檢測復雜體系中的某些特定過渡金屬時，可以高靈敏度、高選擇性的準確檢測目標元素，避免其它元素的干擾。特別是組氨酸功能化的碳納米管在固相萃取測定V(V)時比未功能化的多壁碳納米管在共存離子干擾方面最多有1000倍的提升。本發明一個優選的組氨酸功能化碳納米管，它是由下述2 g多壁碳納米管MWCNT表面負載620 mg的組氨酸(2-氨基-3咪唑基丙酸)組成。本發明另一個優選的組氨酸功能化碳納米管，它是由下述0.5g多壁碳納米管MWCNT表面負載65 mg的組氨酸(2-氨基-3咪唑基丙酸)組成。本發明一個優選的組氨酸功能化碳納米管在制備
(a)在敞開反應容器內，加入0.2-2g多壁碳納米管MWCNT，混合酸，多壁碳納米管與混合酸的質量體積比m/V為1:20，常溫超聲分散60-120 min,制得均勻分散的MWCNT黑色懸濁液；其中的混合酸指的是濃硫酸與濃硝酸按體積比為3:1加以混合；
(b)取15-25mL步驟(a)制得的MWCNT黑色懸濁液于燒杯中，加熱到65_75°C，攪拌
5-15 h ；
(c)向步驟(b)中加入蒸懼水稀釋,7000rpm離心5 min,棄去上清酸液；
(d)再向步驟(c)中加入蒸餾水，通過0.22um的聚碳酸酯膜過濾，再用蒸餾水反復洗滌過濾物至過濾液的pH=6-7 ;真空干燥，得到碳納米管甲酸MWCNT-C00H ；
(e)在100mL的三口瓶中加入步驟(d)中的MWCNT-C00H，將MWCNT-C00H分別用NHS(N-羥基琥珀酰亞胺)和EDC (I-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽)室溫下攪拌活化5 h，并反應成內酯基團，懸濁液通過PTFE膜過濾分離，并用乙醇和蒸餾水洗滌；其中 MWCNT-COOH:NHS:EDC 的重量比為 I : 5 : I I : I : 5。
(f)將步驟(e)中的活性內酯化的碳納米管與組氨酸反應，混合溶液避光攪拌2 10 h.，即制得組氨酸功能化的碳納米管；其中活性內酯化的碳納米管組氨酸的重量比為 1:1 1:10。本發明制備的組氨酸功能化碳納米管的優點和積極效果
通過本發明的方法制備的碳納米管可以達到多功能修飾性及可修飾物高負載量的特性，發展了一種簡單、快速、經濟、高靈敏和高選擇性的檢測復雜體系的痕量金屬元素的方法。該方法在檢測復雜體系中的某些特定過渡金屬時，可以高靈敏度、高選擇性的準確檢測，避免其它元素的干擾。
具體實施例方式下面結合實施例說明本發明，這里所述實施例的方案，不限制本發明，本領域的專業人員按照本發明的精神可以對其進行改進和變化，所述的這些改進和變化都應視為在本 發明的范圍內，本發明的范圍和實質由權利要求來限定。碳納米管MWCNT有市售，本發明所用到的其他各種試劑均有市售。實施例I
組氨酸功能化碳納米管(0.8 g多壁碳納米管MWCNT表面負載200 mg的組氨酸)
(a)在敞開反應容器內，加入Ig碳納米管MWCNT和20mL體積比為3:1的濃H2SO4與濃HNO3,常溫超聲分散90 min,制得均勻分散的黑色懸濁液；
(b)MWCNT-COOH的制備取20 mL (a)步制得的MWCNT黑色懸濁液于燒杯中，加熱至70°C左右，7h ；
(c)加入蒸懼水稀釋,7000rpm離心5分鐘,棄去上清酸液。反復3次。(d)再加入蒸餾水，通過0.22 的聚碳酸酯膜過濾。再用蒸餾水反復洗滌過濾物至濾液為中性(pH= 7)。真空干燥，得到碳納米管甲酸MWCNT-COOH。(e)制備組氨酸功能化的碳納米管，100 mL的三口瓶中加入(d)步中的回收產品MWCNT-COOH,將MWCNT-C00H分別用NHS和EDC室溫下攪拌活化5 h，并反應成內酯基團，懸濁液通過PTFE膜過濾分離，并用乙醇和蒸餾水洗滌；其中MWCNT-COOH:NHS:EDC的重量比為 I : 4 : I ;
(f)將(e)步中的活性內酯化的碳納米管與組氨酸反應，混合溶液避光攪拌2 h，即制得組氨酸功能化的碳納米管；其中碳納米管組氨酸的重量比為1:1。實施例2
組氨酸功能化碳納米管(I. I g多壁碳納米管MWCNT表面負載310 mg的組氨酸)
(a)在敞開反應容器內，加入1.5 g碳納米管MWCNT和30 mL體積比為1:1的濃H2SO4與濃HNO3,常溫超聲分散120 min,制得均勻分散的MWCNT黑色懸濁液；
(b)MWCNT-C00H的制備取20 mL (a)步制得的MWCNT黑色懸濁液于燒杯中，加熱至65°C 左右，14h ；
(c)加入蒸懼水稀釋,7000rpm離心5 min,棄去上清酸液。反復3次。(d)再加入蒸餾水，通過0.22 的聚碳酸酯膜過濾。再用蒸餾水反復洗滌過濾物至濾液為中性。真空干燥，得到MWCNT-C00H。(e)制備組氨酸功能化的碳納米管，100 mL的三口瓶中加入(d)步中的回收產品MWCNT-COOH,將MWCNT-COOH分別用NHS和EDC室溫下攪拌活化5 h，并反應成內酯基團，懸濁液通過PTFE膜過濾分離，并用乙醇和蒸餾水洗滌；其中MWCNT-COOH:NHS:EDC的重量比為 I : I: 7 ;
(f)將(e)步中的活性內酯化的碳納米管與組氨酸反應，混合溶液避光攪拌8 h.，即制得組氨酸功能化的碳納米管；其中碳納米管組氨酸的重量比為1:5。
實施例3
組氨酸功能化碳納米管(I. 8 g多壁碳納米管MWCNT表面負載540 mg的組氨酸)
(a)在敞開反應容器內，加入0.5 g碳納米管MWCNT和10 mL體積比為2:1的濃H2SO4與濃HNO3,常溫超聲分散120 min,制得均勻分散的MWCNT黑色懸濁液；
(b)MWCNT-C00H的制備取15 mL (a)步制得的MWCNT黑色懸濁液于燒杯中，加熱至65°C左右，9h ；
(c)加入蒸懼水稀釋,7000rpm離心5 min,棄去上清酸液。反復3次。(d)再加入蒸餾水，通過0.22 的聚碳酸酯膜過濾。再用蒸餾水反復洗滌過濾物至濾液為中性。真空干燥，得到MWCNT-C00H。(e)制備組氨酸功能化的碳納米管，IOOmL的三口瓶中加入(d)步中的回收產品MWCNT-C00H,將MWCNT-C00H分別用NHS和EDC室溫下攪拌活化5 h，并反應成內酯基團，懸濁液通過PTFE膜過濾分離，并用乙醇和蒸餾水洗滌；其中MWCNT-COOH:NHS:EDC的重量比為 I : I: I ;
(f)將(e)步中的活性內酯化的碳納米管與組氨酸反應，混合溶液避光攪拌6 h.，即制得組氨酸功能化的碳納米管；其中碳納米管組氨酸的重量比為1:8。實施例4
組氨酸功能化碳納米管(I g多壁碳納米管MWCNT表面負載290 mg的組氨酸)
(a)在敞開反應容器內，加入2g多壁碳納米管MWCNT，混合酸；多壁碳納米管與混合酸的質量體積比m/V為1:20，常溫超聲分散120 min,制得均勻分散的MWCNT黑色懸濁液；其中的混合酸指的是濃硫酸與濃硝酸按體積比為3:1加以混合；
(b)取25mL步驟(a)制得的MWCNT黑色懸濁液于燒杯中，加熱到75°C，攪拌15 h ；
(c)向步驟(b)中加入蒸懼水稀釋,7000rpm離心5 min,棄去上清酸液；
(d)再向步驟(c)中加入蒸餾水，通過0.22Pm的聚碳酸酯膜過濾，再用蒸餾水反復洗滌過濾物至過濾液的pH=6 ;真空干燥，得到碳納米管甲酸MWCNT-C00H ；
(e)在100mL的三口瓶中加入步驟(d)中的MWCNT-C00H，將MWCNT-C00H分別用NHS(N-羥基琥珀酰亞胺)和EDC (I-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽)室溫下攪拌活化5 h，并反應成內酯基團，懸濁液通過PTFE膜過濾分離，并用乙醇和蒸餾水洗滌；其中 MWCNT-COOH:NHS:EDC 的重量比為 I :2:1;
(f)將步驟(e)中的活性內酯化的碳納米管與組氨酸反應，混合溶液避光攪拌10h，即制得組氨酸功能化的碳納米管；其中活性內酯化的碳納米管組氨酸的重量比為I : 4。實施例5
組氨酸功能化碳納米管(0.4 g多壁碳納米管MWCNT表面負載120 mg的組氨酸)
(a)在敞開反應容器內，加入0.5 g碳納米管MWCNT和10 mL體積比為2:1的濃H2SO4與濃HNO3,常溫超聲分散120 min,制得均勻分散的MWCNT黑色懸濁液；(b)MWCNT-COOH的制備取15 mL (a)步制得的MWCNT黑色懸濁液于燒杯中，加熱至65°C左右，9h ；
(c)加入蒸懼水稀釋,7000rpm離心5 min,棄去上清酸液。反復3次。(d)再加入蒸餾水，通過0.22 的聚碳酸酯膜過濾。再用蒸餾水反復洗滌過濾物至濾液為中性。真空干燥，得到MWCNT-COOH。(e)制備組氨酸功能化的碳納米管，IOOmL的三口瓶中加入(d)步中的回收產品MWCNT-COOH,將MWCNT-C00H分別用NHS和EDC室溫下攪拌活化5 h，并反應成內酯基團，懸濁液通過PTFE膜過濾分離，并用乙醇和蒸餾水洗滌；其中MWCNT-COOH:NHS:EDC的重量比為 I : 7: I ;
(f)將(e)步中的活性內酯化的碳納米管與組氨酸反應，混合溶液避光攪拌6 h，即制得組氨酸功能化的碳納米管；其中碳納米管組氨酸的重量比為1:3。實施例6
(a)微柱填充的組氨酸功能化的碳納米管25 mg。(b)在線石墨爐電熱原子吸收聯用測定V(V)中，相對于未修飾的碳納米管，在與其他金屬離子共存的抗干擾方面最多有1000倍的提升。(c)在60s的上樣富集，流速為5. OmL mirT1的過程中，吸附V(V)富集倍數為35倍。(d)樣品通量為28 h'測定的檢出限(3 O )為9 ng L'連續重復11次測定400 ng I/1 V(V)的精密度(RSD)為 1.5%。實施例7
為了說明組氨酸功能化的碳納米管在線固相萃取V(V)的選擇性，選取有代表性的堿金屬離子K+、Na+,堿土金屬離子Mg2+、Ca2+,典型的過渡金屬離子Cu2+、Mn2+、Ni2+、Cr3+、Mo70 242_和Al3+，對組氨酸功能化的碳納米管在線固相萃取I ng L—1 V(V)的影響。在富集I ng L-1 V (V)時直至加入 300 mg L-1 K+、200 mg I/1 Na+、Mg2+、Ca2+, 5 mgL 1Mn2+、Cu2+，20 mg L1 Cr3+、100 mg L1 Ni 2+、30 mg L1 Al3+、100 mg L1 Mo7O242 均沒有明顯的干擾。與之相對比，當未功能化的多壁碳納米管預富集I ng L—1 V(V)時加入K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Cu2+、Cr3+、Ni2+、Al3+、Mo7O242-的濃度分別為 0. 3、0. 2、0. 016、0.018、
0.1、0.1、0.14、0.8、1.5、I mg L'組氨酸功能化的碳納米管在固相萃取測定V (V) 時比未功能化的多壁碳納米管在共存離子干擾方面最多有1000倍的提升。
權利要求
1.一種組氨酸功能化多壁碳納米管，其特征在于它是由0.2-2 g多壁碳納米管MWCNT表面負載62-620 mg的組氨酸組成。
2.權利要求I所述組氨酸功能化碳納米管的制備方法，其特征是該方法包括如下步驟 (a)在敞開反應容器內，加入0.2-2g多壁碳納米管MWCNT，混合酸；多壁碳納米管與混合酸的質量體積比m/V為1:20，常溫超聲分散60-120 min,制得均勻分散的MWCNT黑色懸濁液；其中的混合酸指的是濃硫酸與濃硝酸按體積比為1:1-3:1加以混合； (b)取15-25mL步驟(a)制得的MWCNT黑色懸濁液于燒杯中，加熱到65_75°C，攪拌5-15 h ； (c)向步驟(b)中加入蒸懼水稀釋,7000rpm離心5 min,棄去上清酸液； (d)再向步驟(c)中加入蒸餾水，通過0.22um的聚碳酸酯膜過濾，再用蒸餾水反復洗滌過濾物至過濾液的pH=6-7 ;真空干燥，得到碳納米管甲酸MWCNT-COOH ； (e)在100mL的三口瓶中加入步驟(d)中的MWCNT-COOH，將MWCNT-COOH分別用NHS(N-羥基琥珀酰亞胺)和EDC (I-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽)室溫下攪拌活化5 h，并反應成內酯基團，懸濁液通過PTFE膜過濾分離，并用乙醇和蒸餾水洗滌；其中 MWCNT-COOH:NHS:EDC 的重量比為 I : 10 : I I : 1: 10 ; (f)將步驟(e)中的活性內酯化的碳納米管與組氨酸反應，混合溶液避光攪拌2-10h，即制得組氨酸功能化的碳納米管；其中活性內酯化的碳納米管組氨酸的重量比為1:1 1:10。
3.權利要求I所述的方法，其中步驟(a)所述的混合酸的體積比為31的濃H2SO4與濃 HNO3。
4.權利要求I所述組氨酸功能化碳納米管在制備作為固相萃取劑，用于過渡金屬元素V(V)的選擇性吸附方面的應用。
全文摘要
本發明公開了一種組氨酸功能化的碳納米管及其制備方法與應用。首先制備羧基化的碳納米管，進一步反應得到活性內酯化的碳納米管。將由組氨酸與活化的碳納米管反應制得組氨酸功能化的碳納米管。利用碳納米管的可多功能修飾性及其納米材料的高負載特性，發展了一種適于復雜體系中痕量金屬元素高靈敏度和高選擇性的檢測的簡單、快速、經濟的方法。該方法在檢測復雜體系中的某些特定過渡金屬時，可以高靈敏度、高選擇性的準確檢測目標元素，避免其它元素的干擾。
文檔編號B01J20/20GK102642825SQ20121010926
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月16日 優先權日2012年4月16日
發明者劉越, 李琰 申請人:天津師范大學