石墨烯在样品前处理研究领域中的新进展

石墨烯作为一种新型碳纳米材料,由于其具有大的比表面积、良好的热稳定性和化学稳定性、较强的疏水性、易于进行化学修饰等优点,在材料、催化、吸附分离等诸多领域得到了广泛的应用。本文主要对近年来石墨烯在固相萃取、分散固相萃取、固相微萃取、搅拌棒吸附萃取和基质固相分散萃取等样品前处理领域的最新研究进展做了简要评述。     

石墨烯应用于样品前处理的研究进展

样品前处理技术在样品分析中发挥着越来越重要的作用,而对分析物的富集能力和对样品基体的净化程度主要取决于高效的样品前处理材料,所以发展高性能的样品前处理材料一直是该领域的前沿研究方向。近年来,各类先进材料已经被引入样品前处理领域,发展了多种高性能的萃取材料。由于独特的物理化学性质,石墨烯已在各个研究领域获得广泛关注,在样品前处理领域也发挥着重要作用。基于高的比表面积、大的π电子结构、优异的吸附性能、丰富的官能团和易于化学改性等优点,石墨烯和氧化石墨烯基萃取材料被成功应用于各种样品的前处理,对不同领域中多种类型分析物表现出优异的萃取性能。该论文总结和讨论了近3年来石墨烯材料(石墨烯、氧化石墨烯及其功能化材料)在柱固相萃取、分散固相萃取、磁性固相萃取、搅拌棒萃取、纤维固相微萃取和管内固相微萃取等方面的研究进展。基于多种萃取机理如π-π、静电、疏水、亲水、氢键等相互作用,石墨烯萃取材料能够高效萃取和选择性富集不同类别的目标分析物,如重金属离子、多环芳烃、塑化剂、雌激素、药物分子、农药残留、兽药残留等。基于新型石墨烯萃取材料的各种样品前处理技术与多种检测技术如色谱、质谱、原子吸收光谱等联用,广泛应用于环境监测、食品安全和生化分析等领域。最后,总结了石墨烯在样品前处理领域中存在的问题,并展望了未来的发展趋势。     

石墨烯层层键合固相微萃取纤维的制备及对多环芳烃的检测

通过3-巯基丙基三甲氧基硅烷处理银层包裹的不锈钢纤维,得到Si-OH功能化的纤维,氧化石墨烯被层层键合到Si-OH功能化的纤维上,还原氧化石墨烯得到石墨烯层层键合的固相微萃取纤维。该方法制备的新型石墨烯层层键合的固相微萃取纤维具有制备简单,机械性能强,萃取涂层牢固,萃取能力强等优势。建立具有较宽线性范围(5~200μg/L)、较低检测限(0.007~0.09μg/L)的固相微萃取-气相色谱分析方法,用该方法测定河水和雨水中多环芳烃的含量。所制备的新型纤维重现性好、稳定性高、萃取能力强,可实现对多环芳烃的痕量检测。     

石墨相氮化碳材料在样品前处理中的研究进展

作为一种新型非金属材料,石墨相氮化碳以其独特的优点,如简单的制备方法、优良的化学及热稳定性、良好的生物兼容性和无毒性等,受到越来越多的关注。石墨相氮化碳及其复合材料目前已被广泛应用于电催化、光催化、生物成像等领域。由于具有大的比表面积,同时又是富电子的疏水材料,石墨相氮化碳相关材料被认为是一种理想的样品前处理吸附剂。该文探讨了近年来石墨相氮化碳及其复合材料作为固相萃取、分散固相萃取、磁性固相萃取、固相微萃取吸附剂在样品前处理中的应用,并对未来的发展趋势和应用前景进行了展望,以期为相关领域的研究提供帮助。     

石墨烯及其复合材料在样品前处理中的应用

样品前处理新技术与方法研究是现代分析化学的重要研究课题与发展方向之一。固相萃取是目前应用最为广泛的样品前处理技术,其技术核心是吸附材料,因此开发新型吸附材料是样品前处理领域的研究热点。石墨烯是一种新型碳纳米材料,由于其良好的物理化学性质,在短短几年内迅速成为众多学科的研究热点。其高比表面积、良好的化学稳定性和热稳定性使之在分离科学领域得到广泛的应用。本文系统综述了石墨烯及其复合材料在样品前处理中的应用研究,主要包括其作为固定相在固相萃取、固相微萃取、磁固相萃取等技术在环境、食品、生物等样品前处理中的应用。     

石墨烯固相萃取技术的最新进展

色谱技术不仅是解决复杂样品分离分析的最佳手段,而且已经成为日常分析的最常用方法。然而,随着分析样品越来越复杂和多样化,需要分析检测的物质浓度越来越低,基体消除和目标物质富集等样品前处理步骤几乎成了难以回避的常规操作环节。在众多样品前处理技术中,固相萃取(SPE)无疑是使用最广泛的技术。常规SPE的基本原理和操作方式与液相色谱基本相同。SPE的迅速发展也主要得益于液相色谱种类丰富的固定相,这些固定相很容易移植到SPE,甚至直接用于SPE。同时,一些不适合液相色谱分析的非规整球形的吸附剂也可用于SPE。还有,新型材料和材料制备新技术也能迅速用于SPE填料。碳材料就是一个典型例子。碳纳米管出现后不久,很快就被用作SPE填料,并形成了持续数年的碳纳米管SPE研究热潮。近两年备受关注的新型碳材料石墨烯,因其具有独特的物理和化学性质,已经在吸附分离载体、纳米电子器件、能量储存、催化剂载体以及生物医学材料等领域显示出良好的应用前景,同时也吸引着越来越多的科研人员的关注。尽管石墨烯及其复合材料用于SPE的报道还较少,但可以预见,未来几年石墨烯及其复合物将会重演碳纳米管SPE的辉煌,掀起一股石墨烯固相萃取的热潮。石墨烯具有比碳纳米管更大的比表面积,而且石墨烯的制备更为简单,且不受金属离子的污染,因此可以预见石墨烯将成为比碳纳米管更优异的吸附剂而广泛用于SPE等分离领域。石墨烯不仅可以直接用作SPE填料,还能以各种复合材料形式用作SPE吸附剂。国内分析工作者似乎走在石墨烯SPE研究的前列。例如,江桂斌课题组［1］用石墨烯固相萃取富集了环境水样中的氯酚,发现石墨烯比C18、石墨化碳和碳纳米管等吸附剂的使用寿命更长、重现性更好、回收率更高。他们还将氧化石墨烯(GO)通过酰胺缩合反应固定在硅胶微球表面,然后将GO在硅胶表面还原为石墨烯,制备了两种SPE填料,用于环境污染物的富集分离,使柱性能得到了进一步提高［2］。Huang等将石墨烯固相萃取应用到生物大分子的分离,分别萃取了人血浆中的谷胱甘肽［3］和小鼠脑中的神经递质［4］,显示了石墨烯对生物样品良好的分离效果。下面从刚刚发表或即将正式发表的几篇有关石墨烯固相萃取的论文了解一下这一研究领域的最新动态。     

碳素基体固相微萃取吸附质的研制

研制了石墨型碳素基体固相微萃取吸附质,并以该新型固相微萃取装置联用气相色谱 电子捕获检测器分析水体中的有机农药。考察了吸附萃取时间及离子强度对分析结果的影响,并与商品装置进行了对比,结果表明其具有很好的应用前景。     

石墨烯基材料在毛细管电泳中的应用进展

石墨烯基材料(石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和石墨烯量子点)是一种新型的单层片状结构碳纳米材料,具有巨大的比表面积、良好的热稳定性和化学稳定性、较强的π-π电子共轭作用、疏水作用及氢键作用等,在分离科学领域展现了非常理想的应用前景。该文主要综述了石墨烯基材料近年来在毛细管电泳(CE)中的研究进展,包括作为背景电解质的添加剂、毛细管电色谱柱的固定相、CE-电化学检测电极的修饰材料和CE样品前处理的新型吸附剂材料等,并对其在CE领域未来的发展和应用进行了展望。     

基于氧化石墨烯气凝胶固相萃取柱检测有机磷农药北大核心CSCD

以氧化石墨烯气凝胶三维纳米材料作为固相萃取的吸附剂,结合高效液相色谱,对食品中的有机磷农药(辛硫磷、双硫磷、倍硫磷、杀螟硫磷)进行检测分析。首先,利用冷冻干燥的方式制备得到氧化石墨烯气凝胶,通过扫描电镜、红外光谱、比表面积吸附等一系列的实验手段对其形貌及物理特性进行了表征,证明其成功合成。从扫描电镜中可见石墨烯的层状褶皱结构,其表面积为740.51 m^(2)/g。然后,将氧化石墨烯气凝胶直接填充于固相萃取柱中,在未借助任何硅胶等基体的条件下进行萃取研究;通过单因素实验,系统研究了萃取和洗脱条件对有机磷农药萃取回收率的影响。结果显示,在上样体积15 mL、样品溶液pH值4、上样速率1.0 mL/min、洗脱剂1.0 mL乙腈的条件下萃取回收率最高。与商用的萃取材料进行比较,包括碳十八硅胶柱(C18)、阴离子交换柱(SAX)、氨基柱(-NH_(2))和硅酸镁柱(Florisil),氧化石墨烯气凝胶填充的固相萃取柱的萃取回收率有明显提高。实验考察了氧化石墨烯气凝胶直接填充的萃取柱的寿命,结果显示该萃取柱可以重复使用15次,可见解决了分散无基体支撑的石墨烯纳米片容易破碎、堵塞筛板的问题。与液相色谱联用建立分析方法,4种有机磷农药的线性范围较宽,辛硫磷、双硫磷和倍硫磷的线性范围为1~200μg/L,杀螟硫磷的线性范围为2~200μg/L,线性拟合良好(线性相关系数r^(2)≥0.9949),检出限为0.2~0.5μg/L,满足于我国和其他国家限定标准的检测。将该方法应用于实际样品,在苹果皮中未检测到有机磷农药,对其进行加标,回收率为70.5%~93.6%,相对标准偏差≤10.4%。     

不同氧化程度氧化石墨烯的制备及湿敏性能研究

基于氧化石墨烯具有多种含氧官能团和极大的比表面积,研究了不同氧化程度氧化石墨烯的湿敏性能。采用改进的Hummers法制备不同氧化程度的氧化石墨,经过超声分散制备氧化石墨烯水相分散液后,制成氧化石墨烯薄膜湿敏元件。采用X射线衍射、原子力显微镜、红外光谱、拉曼光谱和X射线光电子能谱对实验样品的结构和谱学特性进行表征。结果表明:石墨经氧化后,底面间距增大为0.9 nm左右;随氧化剂用量的增加,氧化石墨中石墨的衍射峰逐渐消失,石墨相微晶尺寸逐渐减小,O/C原子比逐渐增大,氧化程度逐渐升高;氧化石墨烯在水相分散液中可达单层分散,单层氧化石墨烯厚度约为1.3 nm;氧化石墨烯表面接有-OH、C-O-C、C=O和COOH官能团,且官能团含量随氧化程度的升高而增大;氧化石墨烯薄膜元件在室温下对湿度的响应时间约3 s,灵敏度达99%;在11.3%-93.6%相对湿度范围内,元件的电阻随湿度升高显著减小,较高氧化程度的氧化石墨烯薄膜的电阻对数与相对湿度呈线性变化;氧化程度越高,元件灵敏度越高,响应时间越短。     

石墨烯和铂/石墨烯的合成及其表征

以天然鳞状石墨为原料,采用化学氧化法合成氧化石墨,在此基础上采用低温热解膨胀结合微波加热乙二醇还原法合成石墨烯(Gr)以及铂/石墨烯(Pt/Gr)复合材料。SEM和TEM显示所制备的石墨烯为层状结构的半透明薄膜。采用X射线光电子能谱(XPS)和傅立叶转换红外光谱(FTIR)分别确定氧化石墨、膨胀石墨及石墨烯表面含氧官能团的数量和性质。以所制备的碳氧原子比5.94的石墨烯作为载体制备出可用于质子交换膜燃料电池的高负载量的Pt/Gr催化剂,在铂载量高达60%时,表面铂粒子依然具有高分散性,平均粒径为3.8 nm。     

石墨烯和氧化石墨烯的表面功能化改性

石墨烯和氧化石墨烯由于特殊的电子、光学、力学性能已成为当今科学研究的热点.重点综述了近年来石墨烯和氧化石墨烯的表面功能化改性研究进展.首先介绍了石墨烯、氧化石墨烯的基本结构与性质.然后将表面功能化分为非共价键结合改性、共价键结合改性和元素掺杂改性.非共价键结合的功能化改性分为四类：π-π键相互作用、氢键作用、离子键作用以及静电作用.共价键结合的功能化改性分为四类：碳骨架功能化、羟基功能化、羧基功能化和环氧基功能化.元素掺杂改性分为N、B、P等不同元素的掺杂功能化.总结了石墨烯、氧化石墨烯基体与改性分子的相互作用和反应类型,以及改性产物的性能与应用.最后对石墨烯和氧化石墨烯在表面功能化改性方面的发展前景作了展望和预测.     

氧化石墨烯水热还原前后的发光光谱

分别采用改进Hummers方法和水热还原法制备了氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(RGO)。 GO和RGO经透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、红外光谱(IR)、荧光发射和激发光谱(PL、PLE)等技术手段进行了表征。 荧光发射光谱显示,氧化石墨烯(GO)在可见光的激发下可以得到波长在600~800 nm范围内的宽谱近红外荧光。 通过比较氧化石墨烯水热还原前后的光谱变化,发现氧化石墨烯近红外荧光起源于氧化石墨烯的表面含氧基团,如C=O、COOH。 近红外荧光穿透性好、对生物组织损坏小,非常适合于生物成像,预示着氧化石墨烯在生物成像方面的应用潜力。     

Comparing Structural and Electrical Properties of Fluorinated Graphene,Graphene Oxide,and Graphene Films Functionalized with N-Methylpyrrolidone

The article presents comparison of structural and electrical properties of fluorinated graphene (FG), graphene oxide (GO), and graphene films functionalized with N-methylpyrrolidone (G-NMP). The obtained functionalized graphene films were continuous, having no ruptures, their thickness was 20–50 nm. Fluorinated films are formed from fluorinated areas and corrugated graphene islets. The size and shape of microstructures on G-NMP surfaces depend on the duration of NMP treatment. GO films demonstrate a rippled surface morphology. The resistance of all films of functionalized graphene exceeds that of pristine graphene films (several kilohms). GO and FG films exhibit dielectric properties. Current-voltage characteristics of FG demonstrate two features: stepwise current increase and negative differential resistance (NDR). Functionalized graphene can be used in flexible electronics, particularly in planar printing technologies.     

Electrochemically Exfoliated Graphene and Graphene Oxide for Energy Storage and Electrochemistry Applications

Top‐down methods are of key importance for large‐scale graphene and graphene oxide preparation. Electrochemical exfoliation of graphite has lately gained much interest because of the simplicity of execution, the short process time, and the good quality of graphene that can be obtained. Here, we test three different electrolytes, that is, H₂SO₄, Na₂SO₄, and LiClO₄, with a common exfoliation procedure to evaluate the difference in structural and chemical properties that result for the graphene. The properties are analyzed by means of scanning transmission electron microscopy (STEM), Raman spectroscopy, and X‐ray photoelectron spectroscopy. We then tested the graphene materials for electrochemical applications, measuring the heterogeneous electron transfer (HET) rates with a Fe(CN)₆^3?/4? redox probe, and their capacitive behavior in alkaline solutions. We correlate the electrochemical features with the presence of structural defects and oxygen functionalities on the graphene materials. In particular, the use of LiClO₄ during the electrochemical exfoliation of graphite allowed the formation of highly oxidized graphene with a C/O ratio close to 4.0 and represents a possible avenue for the mass production of graphene oxide as valid alternative to the current laborious and dangerous chemical procedures, which also have limited scalability.     

Chemical Route to Twisted Graphene,Graphene Oxide and Boron Nitride

The recently discovered twisted graphene has attracted considerable interest. A simple chemical route was found to prepare twisted graphene by covalently linking layers of exfoliated graphene containing surface carboxyl groups with an amine-containing linker (trans-1,4-diaminocyclohexane). The twisted graphene shows the expected selected area electron diffraction pattern with sets of diffraction spots out with different angular spacings, unlike graphene, which shows a hexagonal pattern. Twisted multilayer graphene oxide could be prepared by the above procedure. Twisted boron nitride, prepared by cross-linking layers of boron nitride (BN) containing surface amino groups with oxalic acid linker, exhibited a diffraction pattern comparable to that of twisted graphene. First-principles DFT calculations threw light on the structures and the nature of interactions associated with twisted graphene/BN obtained by covalent linking of layers.     

石墨烯及其聚合物复合材料

近些年来,石墨烯以其独特的结构和优异的性质成为备受瞩目的研究前沿和热点。石墨烯作为纳米增强组分,少量添加可以使聚合物的物理性能得到大幅地提高。本文就石墨烯及其在聚合物复合材料的研究进展进行了综述,着重阐述了现已工业化制备石墨烯的氧化还原法,以及石墨烯/聚合物复合材料的制备方法(溶液共混、原位聚合和熔融共混)和性能(电学性能、导热性能、力学性能、热性能以及气体阻隔性能),并指出其待解决的关键技术及工业化前景。     

Graphene 2010

The first production of graphene was awarded the 2010 Nobel Prize in Physics. This discovery has implications for chemistry and within it for structural chemistry as well.     

石墨烯纳米带

近年来,一种新型的准一维石墨烯基材料即石墨烯纳米带(graphene nanoribbons, GNRs)受到广泛关注,限域的宽度和丰富的边缘构型使其具有许多不同于二维结构大面积石墨烯的性质和应用。本文介绍了GNRs特殊的边缘效应以及由此产生的电学、磁学等特殊性质,在此基础上进一步介绍了GNRs典型的制备方法、缺陷种类、掺杂和化学改性等,并对功能化的GNRs的应用进行了展望。     

Graphene solutions

Thermodynamics drive the spontaneous dissolution of a graphite intercalation compound (GIC) KC(8) in NMP to form stable solutions. Reduction potential of graphene is measured at +22 mV vs. SCE. Single layer graphene flakes (ca. 1 μm(2)) have been unambiguously identified by electron diffraction.