- 課題來源與背景
吸附劑作為一種應(yīng)用非常廣泛的功能材料，在分離科學(xué)領(lǐng)域扮演著重要角色。高容量吸附劑能夠增大樣品處理量，提高樣品處理效率；而高選擇性吸附劑則能提升目標物的純度，減少雜質(zhì)干擾，并提高目標物的回收率。此外，高選擇性吸附劑還能改善分析檢測的靈敏度和準確度。因此，高容量和高選擇性吸附劑是復(fù)雜樣品中目標物高效分離富集和純化的關(guān)鍵。其設(shè)計和制備是分離科學(xué)研究中長期探索的關(guān)鍵科學(xué)問題。
在基質(zhì)表面接枝聚合物鏈可以有效提高吸附容量。多價作用是生物系統(tǒng)中普遍存在的分子識別現(xiàn)象，它指的是一個對象上的多個配體同時與另一對象上的多個受體結(jié)合，如抗體-抗原作用、病毒-細胞結(jié)合。多價作用的結(jié)合強度通常是單價作用的幾個數(shù)量級，因此能夠?qū)崿F(xiàn)超高選擇性。鍵合多個相同配體的聚合物鏈是一種常見的多價配體，因此在基質(zhì)表面接枝聚合物鏈還可以有效提高選擇性。在多價配體方面，近年來一種配體密度極高的多價配體——分子瓶刷引起了廣泛關(guān)注。它是一類形狀如瓶刷的聚合物，由聚合物骨架和高密度接枝在骨架重復(fù)單元上的聚合物側(cè)鏈構(gòu)成。分子瓶刷具有天然多價配體蛋白多糖的類似結(jié)構(gòu)，因此是一種具有仿生結(jié)構(gòu)的多價配體。
在以往用聚合物修飾的吸附劑中，所采用的基質(zhì)大多是微孔或介孔材料，接枝的聚合物鏈會堵塞孔道，從而阻礙分子傳質(zhì)，并限制吸附容量的提高。聚多巴胺（PDA）包覆磁性石墨烯由于制備簡單，性能優(yōu)越，是近年迅速發(fā)展起來的一類新型復(fù)合材料。由于磁性石墨烯為片層結(jié)構(gòu)，表面無孔，因此可以克服用聚合物鏈修飾時的孔道阻塞問題。
研究目的與意義
在本研究中，我們采用表面引發(fā)-原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（SI-ATRP）將具有高密度配體的分子瓶刷高密度地接枝在PDA包覆磁性石墨烯表面，制備了兩種高容量、高選擇性仿生多價配體功能化磁性吸附劑，包括一種反相吸附劑和一種固定化金屬離子親和吸附劑（IMA）。我們考察了它們的吸附性能，并將它們分別用于痕量分析物的分離富集和蛋白質(zhì)分離純化。該研究為高容量、高選擇性吸附劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備提供了新思路，并為復(fù)雜樣品分離和分析提供了新方法。項目研究成果在復(fù)雜樣品高靈敏度和高準確度分析、高附加值產(chǎn)物分離純化、有害物去除等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。
主要論點與論據(jù)
（1）分子瓶刷聚合物可提高吸附劑的容量和選擇性，并能根據(jù)配體組成和結(jié)構(gòu)的不同，提供不同的選擇性作用力。
（2）以聚多巴胺包覆磁性石墨烯為基質(zhì)，可有效提高接枝聚合物鏈的利用效率，提高吸附容量。
創(chuàng)見與創(chuàng)新
（1）提高吸附劑選擇性的傳統(tǒng)方法是采用高選擇性配體和降低基質(zhì)非特異性吸附。本項目利用多價配體可提供超高選擇性的原理，提出將具有仿天然多價配體結(jié)構(gòu)、含極高密度配體的分子瓶刷高密度接枝在基質(zhì)表面，以制備超高選擇性吸附劑的思路和方法具有創(chuàng)新性。該方法制備的吸附劑在分離科學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，并可推廣到除石墨烯外的其他基質(zhì)吸附劑制備領(lǐng)域。同時，分子瓶刷功能化材料的構(gòu)筑原理與方法對藥物傳輸、人工受體、傳感分析等領(lǐng)域具有借鑒作用。
（2）SI-ATRP是提高吸附容量的有效方法。與以往采用SI-ATRP在基質(zhì)表面接枝線形聚合物的方法不同，本項目采用SI-ATRP在基質(zhì)表面高密度接枝含極高密度配體的分子瓶刷，以提高吸附容量。本項目采用的分子瓶刷具有比線形聚合物更高的配體密度，因此可在材料表面引入更多配體，得到更高的吸附容量。該思路對抗蛋白污染材料、表面自組裝、固定化酶、固體催化等領(lǐng)域具有啟示作用。
（3）以聚多巴胺包覆磁性石墨烯作為用SI-ATRP制備高容量吸附劑的基質(zhì)是本項目的特色。以往用SI-ATRP制備吸附分離材料，大多采用微孔或介孔材料為基質(zhì)，在孔中引入聚合物鏈后會降低孔的通透性，甚至完全堵塞孔道，從而限制了吸附容量的提高。本項目采用聚多巴胺包覆磁性石墨烯為基質(zhì)，可提供超高的比表面積，且其表面無孔，用聚合物鏈修飾時不存在孔道阻塞問題；此外，其表面包覆的聚多巴胺具有豐富的羥基和氨基，可引入高密度的引發(fā)劑。因此，采用SI-ATRP在聚多巴胺包覆磁性石墨烯表面高密度接枝配體密度極高的分子瓶刷，可得到超高容量吸附劑。
社會經(jīng)濟效益，存在的問題
吸附劑作為一種應(yīng)用非常廣泛的功能材料，在分離科學(xué)領(lǐng)域具有重要作用。本研究制備的高容量、高選擇性吸附劑可以用于復(fù)雜樣品中目標物的高效分離富集和純化，在蛋白分離純化、有害物分離去除和食品分析、環(huán)境分析等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
目前，該研究取得了較好的研究結(jié)果，研究結(jié)果具有很好的潛在應(yīng)用價值。然而，還需要進一步深入研究，并對吸附劑的制備進行放大，以實現(xiàn)其社會經(jīng)濟效益的最大化。
1. 課題來源與背景吸附劑是一種應(yīng)用非常廣泛的功能材料。在分離科學(xué)領(lǐng)域,高容量吸附劑可增大樣品處理量,提高樣品處理效率;高選擇性吸附劑可提高目標物純度,減少雜質(zhì)干擾,并提高目標物回收率、改善分析檢測靈敏度和準確度。因此,高容量、高選擇性吸附劑是復(fù)雜樣品中目標物高效分離富集和純化的關(guān)鍵,其設(shè)計和制備是分離科學(xué)研究中長期探索的關(guān)鍵科學(xué)問題。在基質(zhì)表面接枝聚合物鏈可有效提高吸附容量。多價作用是生物系統(tǒng)中普遍存在的分子識別現(xiàn)象,它是指一個對象上的多個配體同時與另一對象上的多個受體結(jié)合,如抗體-抗原作用,病毒-細胞結(jié)合。多價作用的結(jié)合強度通常是單價作用的幾個數(shù)量級,可得到超高選擇性。鍵合多個相同配體的聚合物鏈是一種常見的多價配體,因此在基質(zhì)表面接枝聚合物鏈還可有效提高選擇性。在多價配體方面,近年來一種配體密度極高的多價配體--分子瓶刷引起了關(guān)注。它是一類形狀如瓶刷的聚合物,由聚合物骨架和高密度接枝在骨架重復(fù)單元上的聚合物側(cè)鏈構(gòu)成。分子瓶刷具有天然多價配體蛋白多糖的類似結(jié)構(gòu),因此是一種具有仿生結(jié)構(gòu)的多價配體。在以往用聚合物修飾的吸附劑中,所采用的基質(zhì)大多是微孔或介孔材料,接枝的聚合物鏈會堵塞孔道,從而阻礙分子傳質(zhì),并限制吸附容量的提高。聚多巴胺（PDA）包覆磁性石墨烯由于制備簡單,性能優(yōu)越,是近年迅速發(fā)展起來的一類新型復(fù)合材料。由于磁性石墨烯為片層結(jié)構(gòu),表面無孔,可克服用聚合物鏈修飾時的孔道阻塞問題。2. 研究目的與意義在本研究中,我們采用表面引發(fā)-原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（SI-ATRP）將具有高密度配體的分子瓶刷高密度地接枝在 PDA 包覆磁性石墨烯表面,制備兩種高容量、高選擇性仿生多價配體功能化磁性吸附劑,包括一種反相吸附劑和一種固定化金屬離子親和吸附劑（IMA）,考察了它們的吸附性能,并將其分別用于痕量分析物的分離富集和蛋白質(zhì)分離純化。該研究為高容量、高選擇性吸附劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備提供了新思路,并為復(fù)雜樣品分離和分析提供了新方法。項目研究成果在復(fù)雜樣品高靈敏度和高準確度分析、高附加值產(chǎn)物分離純化、有害物去除等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。3. 主要論點與論據(jù)（1） 分子瓶刷聚合物可提高吸附劑的容量和選擇性,并能根據(jù)配體組成和結(jié)構(gòu)的不同,提供不同的選擇性作用力。（2）以聚多巴胺包覆磁性石墨烯為基質(zhì),可有效提高接枝聚合物鏈的利用效率,提高吸附容量。4. 創(chuàng)見與創(chuàng)新（1）提高吸附劑選擇性的傳統(tǒng)方法是采用高選擇性配體和降低基質(zhì)非特異性吸附,一旦配體和基質(zhì)確定,則很難提高選擇性。本項目利用多價配體可提供超高選擇性的原理,提出將具有仿天然多價配體結(jié)構(gòu)、含極高密度配體的分子瓶刷高密度接枝在基質(zhì)表面,以制備超高選擇性吸附劑的思路和方法具有創(chuàng)新性。該方法制備的吸附劑在分離科學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值,并可推廣到除石墨烯外的其他基質(zhì)吸附劑制備領(lǐng)域。同時,分子瓶刷功能化材料的構(gòu)筑原理與方法對藥物傳輸、人工受體、傳感分析等領(lǐng)域具有借鑒作用。（2）SI-ATRP是提高吸附容量的有效方法。與以往采用SI-ATRP在基質(zhì)表面接枝線形聚合物的方法不同,本項目采用SI-ATRP在基質(zhì)表面高密度接枝含極高密度配體的分子瓶刷,以提高吸附容量。這是本項目的創(chuàng)新之二。本項目采用的分子瓶刷具有比線形聚合物更高的配體密度,因此可在材料表面引入更多配體,得到更高的吸附容量。該思路對抗蛋白污染材料、表面自組裝、固定化酶、固體催化等領(lǐng)域具有啟示作用。 （3）以聚多巴胺包覆磁性石墨烯作為用SI-ATRP制備高容量吸附劑的基質(zhì)是本項目的特色。以往用SI-ATRP制備吸附分離材料,大多采用微孔或介孔材料為基質(zhì),在孔中引入聚合物鏈后會降低孔的通透性,甚至完全堵塞孔道,從而限制了吸附容量的提高。本項目采用聚多巴胺包覆磁性石墨烯為基質(zhì),可提供超高的比表面積,且其表面無孔,用聚合物鏈修飾時不存在孔道阻塞問題;此外,其表面包覆的聚多巴胺具有豐富的羥基和氨基,可引入高密度的引發(fā)劑。因此,采用SI-ATRP在聚多巴胺包覆磁性石墨烯表面高密度接枝配體密度極高的分子瓶刷,可得到超高容量吸附劑。5. 社會經(jīng)濟效益,存在的問題吸附劑是一種應(yīng)用非常廣泛的功能材料。在分離科學(xué)領(lǐng)域,高容量吸附劑可增大樣品處理量,提高樣品處理效率;高選擇性吸附劑可提高目標物純度,減少雜質(zhì)干擾,并提高目標物回收率、改善分析檢測靈敏度和準確度。本研究制備的高容量、高選擇性吸附劑可以用于復(fù)雜樣品中目標物高效分離富集和純化,在蛋白分離純化、有害物分離去除和食品分析、環(huán)境分析等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。目前,該研究取得了較好的研究結(jié)果,研究結(jié)果有很好的潛在應(yīng)用價值,還需要經(jīng)過進一步深入研究,并對吸附劑的制備進行放大。
