氧化石墨烯的制备方法及应用研究进展_魏红敏.

[收稿日期 ]2015-03-

31 [

基金项目 ]科技部农业科技成果转化资金项目 (2009G B 2D 100235 。 [作者简介 ]魏红敏 (1989- , 女 , 硕士生 , 研究方向为植物生物技术。通信作者 :田志宏 , z h t i a n @y a n g

t z e u . e d u . c n 。 [引著格式 ]魏红敏 , 田志宏 . 氧化石墨烯的制备方法及应用研究进展 [J ]. 长江大学学报 (自科版 , 20

15, 12(15 :58~62. 氧化石墨烯的制备方法及应用研究进展

魏红敏 , 田志宏

(长江大学生命科学学院 , 湖北荆州 434025

[摘要 ]简要介绍了氧化石墨烯 (G O 的制备方法和性质 , 详细介绍了其在生物医药、生物环境和能源等方面的应用研究 , 并对氧化石墨烯 (G O 的应用前景进行了展望。 [关键词 ]氧化石墨烯 (G O ; 性质 ; 制备方法 ; 应用 [中图分类号 ]O 7

99[文献标识码 ]A [文章编号 ]1673-1409(2015 15-0058-

051石墨烯的发现及其衍生物氧化石墨烯

自从 2004年英国曼切斯特大学的物理学教授安德烈 ·盖姆 (A n d r e

G e i m 等 [1]

用机械玻璃法成功得到了单层石墨烯 (g r e p h e n e 晶体 , 在科学界引起了巨大的反响 , 对石墨烯 (g r a p h e n e 及其衍生物的研究成为了科学研究的热点。石墨烯具有新颖的物理化学特性 [

2, 3]

, 它可以折叠成零维的富勒烯 , 卷曲 360°形成一维的碳纳米管 , 叠加成三维的石墨 [4]

。而氧化石墨烯 (G O 是石墨粉经强氧化后再加水

分解得到的 , 是石墨烯 (g r a p

h e n e 的重要衍生物之一。 2氧化石墨烯 (G O 的性质及制备方法

2.

1氧化石墨烯 (G O 的性质由于 G O 具有与石墨烯 (g r e p

h e n e 基本相似的结构 , 因此 G O 具备了与石墨烯相似的特点 , 比如光热转换性能 [

5, 6]

、电学性质、光学性质。从成分分析 , G O 是在石墨烯的结构基础上 , 通过化学方法引入了丰富的含氧官能团 , 使得其表面含有羟基 (-OH 、环氧基 , 边缘有羧基 (-

C O OH [7]

, 这些亲水性基团使得 G O 具有良好的水溶性 , 这些官能团为连接各种有机小分子、高分子、生物大分子及其他功能基团提供了大量活性位点 [

8~10]

, 所以 G O 具有很好的生物相容性。 G O 的这些性质为实验研究提供了良好的条件。

2. 2氧化石墨烯 (G O 的制备方法

G O 的制备是利用超声、长时间搅拌或高速离心等方法 , 将氧化石墨 (g r a p

h i t e o x i d e 剥离而得到。目前常用的制备氧化石墨的方法主要有 B r o d i e 法 [11]、 S t a u d e m n a i e r 法 [12]和 H u mm e r s 法 [13, 1

4]。早在 1859年 , 英国科学家 B o r d i e 利用发烟硝酸处理鳞片石墨 , 然后加入高氯酸钾作为氧化剂对鳞片石墨进行再次氧化而制备出了氧化石墨。 1899年 , S t a u d e n m a i e r 用发烟硝酸和浓硫酸的混合酸对石墨进行处理 , 仍然是以 K C l O 3为氧化剂再次氧化制备得到了更高氧化程度的氧化石墨。而 H u

mm e r 采用了交替氧化的方法 , 以浓硫酸、硝酸钠和高锰酸钾作为强氧化剂进行制备得到氧化石墨。这 3种方法的原理均为先采用强酸处理石墨 , 待形成石墨层间化合物后 , 再加入强氧化剂。其中 , 产物的氧化程度可以通过反应时间调节控制 , 可以通过产物中 C 、 O 原子比进行衡量。虽然 S t a u d e n m a i e r 法和B r o d i e 法的氧化程度比 H u mm e r s 法要高 , 但是反应过程中会生成 C l O 2、

N

O 2等有害气体 , 且相对较长的反应时间 ·

85·长江大学学报 (自然科学版 20

15年 5月第 12卷第 15期 (农学下旬刊 J o u r n a l o f Y a n g t z e U n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n M a y

2015, V o l . 12N o . 15

产生的消耗更大 , 因此 H u

mm e r s 法为化学法制备 G O 最常见的方法。现在很多制备氧化石墨的新方法大多是在其基础上稍作调整而得的。

3氧化石墨烯 (G O 的研究现状及应用

G O 在水中具有很好的溶解性 , 并且它的生物相容性和没有明显的毒性扩大了其在各个领域上的应用 , 尤其是在医药载体、生物传感器、环境保护和能源领域方面广泛应用。 3.

1生物医学近 10年来 , 以纳米粒子为基础的药物载体和运输系统已广泛研究应用于治疗癌症等疾病中。尤其是近几年来 , 由于单层的石墨烯或者 G O 具有较高的比表面积、较高的药物负载量等特点 , 因此许多研究人员已开始将探索方向转向以石墨烯或者 G O 为基础的药物载体和输送系统的研究。 3.

1. 1药物载体与传输 G O 具有单原子层结构 , 其表面积很大 , 且 2个基面

都可以吸附药物 , 因此非常适合用作药物载

体 [15]

, D a

i 等 [16]首次开发了一种纳米尺度的 G O 作为新型有效的纳米载体 , 将芳香族非水溶性的抗癌药物输送到细胞内部。 Z h a n g 等 [17]

通过共价交联的方法将叶酸分子 (F A 和磺酸基团 (S O 3H 修饰到羧基化的氧化石墨稀表面上 , 将 2种化学药物链霉素 (D O X 和喜树碱 (C P

T 吸附到氧化石墨稀表面上 , 通过叶酸受体 , 将药物输送到肿瘤细胞内部。该方法对人类乳腺癌细胞 (M C F -7 具有较高的细胞毒性 , 并且 2种药物的同时输送比单纯一种药物的输送具有更高的细胞毒性。 3.

1. 2生物传感器由于 G O 表面含有羟基 (-OH 、羧基 (-

C O OH 、环氧基等含氧基团 , 所以具有良好的水溶性和生物相容性。而且 , 石墨烯及 G O 在能量转移过程中是一种优良的能量受体 , 科研工作者基于石墨烯的这些特性构建了很多荧光传感器和其他生物传感器。

C h e n 等 [18]