NaCl對(duì)瓊脂糖凝膠電泳法分離單壁碳納米管的影響

溫曉南 張 靜 顧文秀 金赫華 李紅波 李清文,*

(1江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院,江蘇無(wú)錫 214122; 2中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所,江蘇蘇州 215125)

NaCl對(duì)瓊脂糖凝膠電泳法分離單壁碳納米管的影響

溫曉南1,2張 靜1,2顧文秀1,*金赫華2李紅波2李清文2,*

(1江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院,江蘇無(wú)錫 214122;2中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所,江蘇蘇州 215125)

如何獲得單一導(dǎo)電屬性的單壁碳納米管(SWCNT),使其在各領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用,引起了科研人員越來(lái)越多的關(guān)注.瓊脂糖凝膠電泳(AGE)法以其簡(jiǎn)便,低成本,可規(guī)?；葍?yōu)點(diǎn)在分離金屬型(m-)和半導(dǎo)體型(s-)單壁碳納米管的諸多分離方法中體現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).本文利用紫外-可見(jiàn)-近紅外(UV-Vis-NIR)吸收光譜分析手段,系統(tǒng)研究了NaCl的添加對(duì)AGE法分離SWCNT的影響.研究發(fā)現(xiàn)NaCl的添加對(duì)SWCNT的分離有一定的影響:當(dāng)NaCl添加量低于70 mmol·L-1時(shí),可以提高分離后體系中s-SWCNT的相對(duì)含量;當(dāng)NaCl添加量高于70 mmol·L-1時(shí),隨著添加量的增加,NaCl的加入開(kāi)始抑制m-SWCNT和s-SWCNT的有效分離;當(dāng)NaCl添加量達(dá)到160 mmol·L-1時(shí)體系分離效率明顯降低.我們推測(cè)這種影響主要是由鹽的添加改變了分散劑在m-SWCNT和s-SWCNT表面的吸附結(jié)構(gòu)引起的.

單壁碳納米管; 瓊脂糖凝膠電泳; 紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜; 分離;NaCl

1993年,NEC基礎(chǔ)研究所的Iijima[1]與IBM公司的 Bethune[2]等人同時(shí)報(bào)道發(fā)現(xiàn)了單壁碳納米管(SWCNT),使得碳納米管的研究取得新突破. SWCNT以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu),特殊的電學(xué)性質(zhì)和超強(qiáng)的力學(xué)性能,在光電子器件[3],復(fù)合材料[4],儲(chǔ)氫材料[5],化學(xué)和生物傳感器[6-7]等方面顯示出良好的應(yīng)用前景.然而,現(xiàn)有的制備方法生產(chǎn)出的SWCNT均為各種手性和管徑的金屬型(m-)和半導(dǎo)體型(s-)碳納米管的混合物,這極大地限制了SWCNT在光電器件等領(lǐng)域的應(yīng)用.因此,近幾年來(lái),m-和s-SWCNT的分離已成為此領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一.科研人員利用等離子體化學(xué)氣相沉積法[8],電泳法[9],超高速離心法[10-13]等多種手段實(shí)現(xiàn)了m-SWCNT和s-SWCNT的分離.

瓊脂糖凝膠電泳(AGE)技術(shù)廣泛用于生物中DNA[14]的分離,由于由離子型表面活性劑分散的SWCNT與DNA在尺寸、結(jié)構(gòu)性質(zhì)等方面有許多相似之處,Tanaka研究組[15]創(chuàng)造性地將其用于 m-SWCNT和s-SWCNT的有效分離.此法簡(jiǎn)便快速,成本低,在可規(guī)?；?、可連續(xù)性分離方面具有一定的優(yōu)勢(shì).他們的研究結(jié)果表明,AGE技術(shù)對(duì)SWCNT的分離非常依賴于分散劑的種類以及凝膠體系的選擇.其中由十二烷基硫酸鈉(SDS)分散的SWCNT表現(xiàn)出最好的分離結(jié)果.他們推測(cè)由SDS分散的s-和m-SWCNT與瓊脂糖凝膠間的作用力存在很大差異:s-SWCNT表面吸附了較少的SDS分子從而與瓊脂糖之間具有較大的親和力,而m-SWCNT吸附的SDS分子相對(duì)較多,與瓊脂糖的作用力相對(duì)較弱.因而在電場(chǎng)力作用下,表面帶有大量負(fù)電荷的m-SWCNT很容易擺脫瓊脂糖凝膠的束縛而發(fā)生遷移,s-SWCNT則與瓊脂糖牢固結(jié)合不易移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)m-和s-SWCNT的分離.

但是AGE法分離m-和s-SWCNT也存在分離純度不高以及難以手性分離等缺點(diǎn).如上所述,可以看出表面活性劑在SWCNT表面上的吸附性質(zhì)對(duì)AGE分離m-和s-SWCNT具有很重要的作用.因此,我們推測(cè)通過(guò)調(diào)制SDS在SWCNT表面上吸附性質(zhì)可以提高AGE法分離SWCNT的分離純度.以往的研究顯示:無(wú)機(jī)鹽類對(duì)表面活性劑溶液的體系相態(tài)、表面張力及流變等性質(zhì)有著很重要的影響,比如調(diào)節(jié)無(wú)機(jī)鹽的濃度會(huì)影響膠束的形成過(guò)程及膠束形態(tài),從而改變?nèi)芤后w系的臨界膠束濃度(cmc)[16-17].因此,通過(guò)UV-Vis-NIR光譜表征,我們重點(diǎn)考察了常見(jiàn)無(wú)機(jī)鹽類NaCl的添加對(duì)AGE法分離m-和s-SWCNT的影響.此項(xiàng)研究對(duì)提高此法的分離效率以及探索其分離機(jī)制具有積極意義.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

純化后的Hipco單壁碳納米管(美國(guó)Carbon Nanotechnologies公司);十二烷基硫酸鈉(SDS,純度≥99%,美國(guó)Sigma-Aldrich公司);NaCl(含量≥99.5%),三(羥甲基)氨基甲烷(Tris,含量≥99.0%)及硼酸(H3BO3,含量≥99.5%),均為國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品;瓊脂糖(Agarose粉末,日本Nacalai公司);所有溶液均用二次去離子水配制.

超聲波細(xì)胞破碎儀(XL-2000,美國(guó)Misonix公司),凝膠電泳設(shè)備(AE-6540,日本Atto公司),多功能臺(tái)式高速離心機(jī)(Allegra X-22R,美國(guó)BECKMAN COULTER有限公司),紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)(Lambda 950,美國(guó)PerkinElmer公司).Zeta電位分析儀(ZetaPALS/90plus,美國(guó)Brookhaven儀器公司)

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 SWCNT分散液的制備

準(zhǔn)確稱取1.2 mg SWCNT置于玻璃瓶中,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)為1%SDS水溶液4 mL配成0.3 mg· mL-1SWCNT溶液,超聲功率40 W條件下超聲2 h后,在14757 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心4 h,吸取離心上層清液作為SWCNT分離前的分散原液待用.

1.2.2 瓊脂糖凝膠電泳前期準(zhǔn)備

在室溫下用50 mmol·L-1的三(羥甲基)氨基甲烷和48.5 mmol·L-1硼酸配制成×10 TB緩沖溶液,然后用×1 TB緩沖液,質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%SDS水溶液和0.4%瓊脂糖混合加熱融化配制成瓊脂糖溶液,注入電泳玻璃管經(jīng)冷卻固化后作為電泳分離柱.

1.2.3 瓊脂糖凝膠電泳

吸取SWCNT分散原液300 μL,添加已配制的2 mol·L-1NaCl溶液使各樣品中NaCl濃度分別為0,40、70、100、130和160 mmol·L-1.搖晃樣品,靜置1 h.將各樣品與加熱融化的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%瓊脂糖水溶液等體積混合,在熱熔狀態(tài)下快速注入到玻璃管作為樣品柱.靜置30 min,待樣品重新結(jié)成凝膠狀后,取出樣品置于電泳分離柱上方,與電泳分離柱中0.4%的瓊脂糖(已凝固)對(duì)接,在電泳槽上安裝并添加電泳液(×1 TB緩沖溶液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的SDS),在恒定50 V電壓條件下電泳40 min.

1.2.4 吸收光譜測(cè)定

吸取SDS-SWCNT分散原液,NaCl-SWCNTSDS電泳前原液和電泳后上、下層凝膠各100 μL,用900 μL質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的SDS水溶液稀釋,加熱融化凝膠制成測(cè)試樣品.以1%SDS溶液為空白樣品,測(cè)量波長(zhǎng)400-1300 nm范圍內(nèi)的吸收光譜.

1.2.5 Zeta電位測(cè)定

預(yù)熱zeta電位儀15 min,取SDS-SWCNT分散原液,各NaCl添加濃度下的分離前原液各2 mL放入樣品池,浸沒(méi)電極,即可測(cè)得zeta電位值.

2 結(jié)果與討論

2.1 瓊脂糖凝膠電泳分離SWCNT

圖1是用于本實(shí)驗(yàn)的瓊脂糖凝膠電泳裝置及電泳分離SWCNT前后的照片.從圖中可以看出,在電場(chǎng)力的作用下,40 min后,一部分SWCNT保留在初始凝膠中,一部分則從初始樣品柱凝膠中向下(正極)移動(dòng),最終分成顏色不同的上下兩段凝膠.在下面的研究工作中我們對(duì)分離后的上、下層凝膠進(jìn)行吸收光譜測(cè)試(見(jiàn)圖2),確定上層凝膠中富集了s-SWCNT,下層凝膠中富集了m-SWCNT,表明AGE法能夠成功分離SWCNT.

2.2 吸收光譜

吸收光譜常被用于SWCNT的定性以及定量分析[18-19].我們用M和S分別表示m-SWCNT和s-SWCNT的特征吸收帶.對(duì)于Hipco SWCNT,其吸收光譜在440-670 nm(在504、556和597 nm處的吸收)的波長(zhǎng)范圍是m-SWCNT的第一帶隙電子躍遷光譜帶(M11),670-870 nm(在653、737和810 nm處的吸收)則對(duì)應(yīng)s-SWCNT的第二帶隙電子躍遷譜帶(S22),870-1600 nm則是s-SWCNT的第一帶隙電子躍遷譜帶(S11)[20-21].我們分別測(cè)定了SWCNT的原始分散液及其分離后上下層凝膠的吸收光譜,如圖2所示.與分離前原始分散液相比,上層凝膠的M11金屬峰強(qiáng)度略有減弱,S22和S11的半導(dǎo)體峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng);下層凝膠則正好相反,M11金屬峰強(qiáng)度顯著增加,而S22和S11的強(qiáng)度相對(duì)減弱.這說(shuō)明,電泳分離后上層凝膠中的s-SWCNT所占比例明顯增加,而下層凝膠中m-SWCNT的含量也相對(duì)提高,由此可以確定m-SWCNT和s-SWCNT實(shí)現(xiàn)了一定程度的分離.

通過(guò)對(duì)M11和S22吸收帶中所含吸收峰的積分面積來(lái)估算m-SWCNT和s-SWCNT分離后分別在上、下層凝膠中的相對(duì)含量[22].計(jì)算過(guò)程中對(duì)各吸收光譜結(jié)果均采用相同的分峰方法,并考慮了可能對(duì)結(jié)果造成影響的基線選取誤差.這樣由圖2計(jì)算得出Hipco原始分散液中m-SWCNT和s-SWCNT的相對(duì)含量分別為(19.56±0.21)%和(79.44±0.26)%,經(jīng)AGE分離后下層凝膠中的m-SWCNT含量提高到約(53.11±0.23)%,上層凝膠中s-SWCNT含量則達(dá)到(88.87±0.17)%.UV-Vis-NIR光譜測(cè)試結(jié)果表明,在電場(chǎng)的作用下,m-SWCNT能夠脫離瓊脂糖束縛而向下(正極)移動(dòng),最終實(shí)現(xiàn)與s-SWCNT的分離.

2.3 NaCl-SDS-SWCNT體系的瓊脂糖凝膠電泳

我們考察了在SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,NaCl濃度分別為 40、70、100、130和 160 mmol·L-1時(shí)的SWCNT凝膠電泳情況.如圖3所示,無(wú)論NaCl的添加量是40還是160 mmol·L-1,初始凝膠中的部分SWCNT均能在電場(chǎng)力的作用下向正極遷移,并且不同NaCl添加量下SWCNT的遷移速率存在明顯的差異.隨著NaCl添加量的增加,SWCNT的遷移速率逐漸變慢.在電泳實(shí)驗(yàn)中,帶電顆粒在電場(chǎng)中的遷移速率主要受兩個(gè)因素的影響:一是顆粒本身的電荷密度,電荷密度越高,遷移速率越快.二是顆粒的尺寸,尺寸越大,遷移速率越慢.對(duì)于瓊脂糖凝膠體系來(lái)說(shuō),Strano等人[23-24]認(rèn)為顆粒的移動(dòng)速度與粒子的帶電量和尺寸效應(yīng)密切相關(guān).在他們的實(shí)驗(yàn)中由膽酸鈉(sodium cholate)分散的SWCNT,經(jīng)過(guò)不同超聲時(shí)間后電泳移動(dòng)速度是不同的.他們認(rèn)為不同的碳管長(zhǎng)度分布是造成這一現(xiàn)象的主要原因.我們的分離體系是建立在同一超聲時(shí)間下的SWCNT分散液,碳管長(zhǎng)度效應(yīng)對(duì)遷移速率的影響可以忽略.所以圖3中所表現(xiàn)出的電泳遷移速率的差異可能是由于SWCNT表面吸附的SDS所帶電荷不同引起的.

表1 不同NaCl添加量下的zeta電位值Table 1 Zeta potential values with different additions of NaCl

在膠體科學(xué)中,Zeta電勢(shì)的大小反映了膠粒的帶電程度.Zeta電勢(shì)越高,表明膠粒的帶電量越多.因此,為了證實(shí)電泳遷移速度與膠粒帶電量有關(guān),我們對(duì)不同NaCl添加量下(0,40,70,100,130,160 mmol·L-1)的SWCNT原始分散液進(jìn)行了zeta電位測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表1.

由表1可以看出,當(dāng)NaCl被引入體系后,其與表面活性劑具有相同的Na+,介質(zhì)中反離子濃度增大,將壓縮擴(kuò)散層使其變薄,把更多的Na+擠進(jìn)滑動(dòng)面以內(nèi),使zeta電位在數(shù)值上變小,顆粒帶電量降低.隨著NaCl添加量的不斷增加,碳納米管表面聚集的SDS分子越來(lái)越多,導(dǎo)致碳管表面的SDS膠束的數(shù)量不斷增加,體積不斷增大[25-26],這樣其zeta電位又略有增加.因此,在膠束尺寸增大以及表面電荷降低的雙重作用下,碳管的遷移速率逐漸變慢.

2.4 NaCl-SDS-SWCNT體系的UV-Vis-NIR光譜分析

為了進(jìn)一步分析NaCl的添加量對(duì)SDS-SWCNT體系分離的影響,對(duì)電泳分離前后的凝膠樣品進(jìn)行了UV-Vis-NIR測(cè)試分析.圖4(a)和4(b)分別為NaCl添加濃度為40、70、100、130和160 mmol·L-1時(shí)上、下層凝膠的吸收光譜圖.從圖中可以看出,與分離前原始分散液相比,上層凝膠在M11吸收帶相應(yīng)金屬峰強(qiáng)度降低,S22和S11吸收帶的相應(yīng)半導(dǎo)體峰的強(qiáng)度增加.下層凝膠情況則與之相反.這表明在本實(shí)驗(yàn)所采用的NaCl添加濃度范圍內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SWCNT的分離.

對(duì)于上層凝膠中的s-SWCNT來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)其吸收光譜中S22和M11積分面積的計(jì)算,得到了不同NaCl添加量(0-160 mmol·L-1)下s-SWCNT的相對(duì)含量分別為(88.87±0.17)%、(90.74±0.23)%、(92.45± 0.13)%、(88.78±0.22)%、(85.55±0.18)%和(81.44± 0.26)%.我們以s-SWCNT的相對(duì)含量為因變量, NaCl的添加濃度為自變量,繪制兩者的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖5).如圖5所示,NaCl添加量在70 mmol·L-1以前,隨著NaCl的增加,體系中s-SWCNT的含量呈上升趨勢(shì),當(dāng)添加至70 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最高;繼續(xù)增加NaCl添加量,s-SWCNT的含量開(kāi)始逐漸下降;當(dāng)NaCl濃度達(dá)到160 mmol·L-1時(shí),分離后s-SWCNT的所占比例下降到81.44%.

Niyogi等[27]在研究基于超高速梯度密度離心法分離SWCNT的工作中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象,在添加一定量的鹽時(shí)可以提高碳納米管的分離效率.他們認(rèn)為:具有高的極化率m-SWCNT表面更容易吸附SDS分子,而s-SWCNT極化率低使其表面吸附SDS分子相對(duì)困難,并且鹽的添加在一定程度上擴(kuò)大了SDS在m-和s-SWCNT上的堆積密度的差異,從而導(dǎo)致了在一定程度上的分離效率的提高.因此,我們推測(cè):在AGE法分離m-和s-SWCNT的體系中SDS在m-和s-SWCNT表面吸附性質(zhì)的差異是其分離的的關(guān)鍵因素.在NaCl的添加量相對(duì)較少時(shí),NaCl的加入可能增大m-SWCNT和s-SWCNT表面SDS分子堆積密度的差異,從而促進(jìn)體系分離.隨著NaCl添加濃度繼續(xù)增大,大量游離的SDS分子繼續(xù)向碳納米管表面聚集,s-SWCNT和m-SWCNT的表面上都吸附了更多的SDS分子,它們之間的堆積密度差異越來(lái)越小,分離效率急劇下降.

3 結(jié) 論

本文研究了NaCl的添加對(duì)AGE法分離SWCNT的影響.研究結(jié)果顯示:不同的NaCl添加量會(huì)對(duì)m-SWCNT的電泳遷移速率產(chǎn)生影響,并使分離后s-SWCNT的相對(duì)含量呈現(xiàn)規(guī)律性變化.當(dāng)NaCl添加量低于70 mmol·L-1時(shí)對(duì)m-SWCNT和s-SWCNT的分離有一定的促進(jìn)作用,在70 mmol· L-1時(shí)s-SWCNT的分離效率最高;繼續(xù)添加NaCl, s-SWCNT的分離效率則明顯降低.我們猜測(cè)這主要是由于NaCl的加入改變了SDS分子在碳管表面的吸附性質(zhì)及膠束結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響了碳納米管的分離.本文為實(shí)現(xiàn)高效分離SWCNT提供了一定的參考,同時(shí)對(duì)進(jìn)一步闡明SWCNT的分離機(jī)制有一定的積極意義.

1 Iijima,S.;Ichihashi,T.Nature,1993,363:603

2 Bethune,D.S.;Kiang,C.H.;de Vries,M.S.;Gorman,G.;Savoy, R.;Vazquez,J.;Beyers,R.Nature,1993,363:605

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Effects of NaCl on the Separation of Single-Walled Carbon Nanotubes by Agarose Gel Electrophoresis

WEN Xiao-Nan1,2ZHANG Jing1,2GU Wen-Xiu1,*JIN He-Hua2LI Hong-Bo2LI Qing-Wen2,*
(1School of Chemical&Material Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,Jiangsu Province,P.R.China;2Suzhou Institute of Nano-tech and Nano-bionics,Chinese Academy of Sciences,Suzhou 215125,Jiangsu Province,P.R.China)

Plenty of attention has been paid to obtaining single-walled carbon nanotubes(SWCNT)with single conductive properties so that they can be applied in various fields.Among the separation techniques used for metallic (m-)and semiconducting(s-)single-walled carbon nanotubes,agarose gel electrophoresis(AGE)is thought to be a relatively simple and low-cost method.In this work,we used UV-visible-near infrared(UV-Vis-NIR)absorption spectroscopy to study the effect of NaCl on the separation of SWCNT by AGE.Our results show that the addition of NaCl greatly influences the separation of the SWCNT.At a NaCl concentration of less than 70 mmol·L-1,the relative content of s-SWCNT increased after separation and at a NaCl concentration of higher than 70 mmol·L-1,the separation of m-SWCNT and s-SWCNT was restrained as the concentration of NaCl increased.At a NaCl concentration of 160 mmol·L-1,the separating efficiency of the system dropped markedly.We suggest that the addition of NaCl may change the adsorption properties of the surfactant towards m-SWCNT and s-SWCNT.

Single-walled carbon nanotubes; Agarose gel electrophoresis; UV-visible-near infrared absorption spectrum; Separation; NaCl

O648;O657.32;O657.37

Received:April 26,2010;Revised:July 2,2010;Published on Web:July 22,2010.

*Corresponding authors.GU Wen-Xiu,Email:guwenxiu@yahoo.com.cn;Tel:+86-510-85917090.LI Qing-Wen,Email:qwli2007@sinano.ac.cn; Tel:+86-512-62872577.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(20903069).

國(guó)家自然科學(xué)基金(20903069)資助項(xiàng)目

?Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica