Münchnone 功能化石墨烯的化学性质研究 | MDPI Nanomaterials

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引  言

如何进行碳基纳米材料的表面改性、功能化一直是化工领域的研究热点。中离子型恶唑啉 5-氧化物 (Münchnones) 因具有亚甲亚甲基叶化物特性的，被广泛用于小分子合成、材料改性等研究。基于此，来自意大利梅西纳大学和卡塔尼亚大学的研究团队在 Nanomaterials 发表了文章，制备了 Münchnones 功能化石墨烯材料。研究采用显微拉曼光谱、X 射线光电子能谱 (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)、扫描透射电子显微镜 (Scanning Transmission Electron Microscopy, STEM) 和热重分析 (Thermogravimetric Analyses, TGA) 测试了 Münchnone 功能化石墨烯的化学性质；利用密度泛函理论研究了 Münchnone 偶极子与石墨烯的 1,3-偶极子环加成反应；并对其反应性和可加工性进行了讨论。

图 1. Münchnone 功能化石墨烯结构示意图。

研究方法

 样品制备方法

作者采用超声法将石墨薄片均匀分散于甲苯或二甲基甲酰胺中，加入 n-苯甲酰-n-甲基丙氨酸和乙酸酐后，在 60 ℃ 条件下搅拌 4 小时，随后将其冷却至室温，用去离子水稀释后采用真空过滤法得到功能化石墨烯；采用乙醇洗涤、超声和离心后进行干燥处理，得到功能化石墨烯粉末；用甲苯或二甲基甲酰胺作为 1,3-偶极子环加成反应溶剂，得到的样品分别标记为 G-Mu1 和 G-Mu2。文章还详细介绍了 Münchnone 功能化石墨烯以及富集石墨烯的抗菌纳米生物材料 (在银纳米颗粒 (Silver Nanoparticles, Ag NPs) 上结合功能化石墨烯与抗菌肽乳酸链球菌素 (Nisin)) 的合成方法。

 测试方法

研究采用 Thermo Scientific K-Alpha 系统进行 XPS 测试；采用 Horiba XploRA 光谱仪测试样品的拉曼光谱；采用 Zeiss-Gemini 2 扫描电子显微镜在 150 和 30 kV 的传输模式 (STEM) 下分析样品的形态、确定石墨烯层数及其相对方向；采用 Bruker AXS D8 Advance 得到样品的 XRD 图谱，用于对样品的结构特征进行分析；此外还采用 perkins - elmer Pyris TGA7 对样品进行 TGA。

 理论计算方法

研究基于高斯软件包中的 Berny 解析梯度法，开展了临界点 (反应物、过渡结构和产物) 几何优化的理论研究，对于所研究的每个几何结构，在同一理论水平上进行谐波振动频率的计算，得到对应的特征向量来分析化学键的形成；研究还计算了所有优化结构的振动频率，并使用未缩放的方法计算零点能校正和室温热修正。

研究结果

Münchnone (Mu) 由 n-甲基苯甲酰丙氨酸和乙酸酐原位反应生成。环加成反应采用均匀分散的石墨薄片作为偶极亲和物在 60 °C 的甲苯或二甲基甲酰胺中进行；通过在氮气气氛中加热固体反应产物时的 TGA 失重来分析材料的官能化程度 (图 2)。图 3 为功能化石墨烯 G-Mu1 和 G-Mu2 的化学组成和结构性质的 STEM 图像，其中不同维度的透明石墨烯薄片相互堆叠。

图 2. Münchnone 与石墨薄片的 1,3-偶极子环加成反应示意图。

图 3. (a) 部分 G-Mu2 样品的 STEM 图像；(b) 具有高度结晶结构的 G-Mu2 样品的 STEM 图像。

图 4 为 Münchnone 功能化石墨烯的拉曼光谱。26.35° 的狭窄密集峰高度特定于石墨烯的晶体性质，而 44.35° 和 54.23° 的峰则说明石墨烯材料具有典型的六边形结构；I_D/I_G 和 I_G/I_2D 峰值强度比分别为 0.1 和 1.9，说明功能化对原始石墨结构几乎没有影响；此外高的 I_G/I_2D 比值和宽的 2D 带说明石墨烯中存在多个薄层，该结果与 STEM 结果一致。研究还通过 XPS 分析获得了 Münchnone 功能化石墨烯的化学成分信息，其结果表明 G-Mu1 和 G-Mu2 的化学组成相似，说明两种不同的实验条件对样品的组成没有显著影响。

图 4. G-Mu2 样品的拉曼光谱。

研究还对 Münchnone 功能化石墨烯进行了无限制第一性原理计算。如图 5 所示，反应路径 b 中的自由活化能 (ΔG) 低于正向的 ΔG，因此反应高度可逆，并且反应路径 a 中的 ΔG 为 0.7 kcal/mol，远低于路径 c，因此反应路径 a 是最具可行性的实际合成方法。

图 5. 1,3-偶极子环加成反应模型中涉及到偶极子环加成反应路径的活化能分布。

研究还利用 Münchnone 功能化石墨烯的反应性和可加工性制备得到具有抗菌纳米生物材料。热重分析 (TGA) 结果证明了苯巯基在石墨烯表面接枝成功 (图 6)。G-Mu1 和 G-Mu2 的热重分析 (TGA) 曲线显示：G-Mu2SH 和 G-Mu1SH 在 800 ℃ 时质量损失恒定。

图 6. G-Mu1 (红色实线)、G-Mu2 (蓝色实线)、G-Mu1SH (红色虚线) 和 G-Mu2SH (蓝色虚线) 在 N₂ 气氛下的 TGA 剖面。

研究利用 NaBH₄ 与肽性天然基质结合，制备得到 Ag NPs。图 7 为 MuSH/Nisin@Ag 样品的 SEM 和 STEM 图像，其结果表明：石墨烯表面功能化后具有多孔结构，并且 Ag NPs 的平均大小为 20 nm，均匀分布在 G-MuSH 表面，说明石墨烯与 Ag NPs 通过 Nisin 肽具有良好的相互作用。此外 G-MuSH/Nisin@Ag 复合材料的 XRD 结果也证明了复合材料中 Ag NPs 的形成。

图 7. G-MuSH/Nisin@Ag 样品的 (a) SEM 和 (b, c) STEM 图像。

研究还分析了 Nisin@Ag 和 G-MuSH/Nisin@Ag 对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌的抗菌活性，结果表明：与单独使用 Nisin 相比，Nisin@Ag 界面组装对大肠杆菌和铜绿假单胞菌具有更好的抗菌性能；纯 Ag NPs 在水溶液中不稳定，不同因素会影响其抗菌活性；此外纯 Münchnone 功能化石墨烯 (即 G-Mu 和 G-MuSH) 在水/二甲基亚砜中的分散性较低，不适合实际的抗菌应用。

总结讨论

本研究基于 1-3 偶极环加成化学方法，制备了 Münchnone 功能化石墨烯以及富集石墨烯的抗菌纳米生物材料；通过显微拉曼光谱、XRD、STEM 和 TGA 对材料进行了表征；根据第一性原理理论计算证明了最优的 1-3 偶极环加成化学路径；分析了 Nisin@Ag 和 G-MuSH/Nisin@Ag 的抗菌性能。研究结果揭示了 Münchnone 功能化石墨烯的化学性质，并为富集石墨烯的抗菌纳米生物材料的实际应用提供了参考。

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原文出自 Nanomaterials 期刊

Neri, G.; Fazio, E.; Nostro, A.; Mineo, P.G.; Scala, A.; Rescifina, A.; Piperno, A. Shedding Light on the Chemistry and the Properties of Münchnone Functionalized Graphene. Nanomaterials 2021, 11, 1629.

   Nanomaterials 期刊介绍

主编：

Shirley Chiang, University of California Davis, USA

期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。

2021 Impact Factor	5.719
2021 CiteScore	6.6
Time to First Decision	12.7 Days
Time to Publication	33 Days

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MDPI 特约撰稿人

赖寿强 博士研究生

厦门大学

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