制备及研究

制备及研究（共12篇）

制备及研究 篇1

随着科技的进步、人们需求的增加, 微胶囊技术被应用于生物医药、食品等领域, 并得到长足发展。通过实际应用发展出多种新的微胶囊性能分析方法、新的微胶囊制备工艺、新的表征微胶囊外部和内部结构的理论等。文章综述微胶囊结构和性能等方面的最新研究成果。

制备微胶囊的新方法

微胶囊的制备方法有相分离法、凝聚反应法、物理机械法三大类。其中相分离包括水相分离和油相分离;凝聚反应包括原位聚合、界面聚合和悬浮胶联;物理方法包括微囊颗粒干燥、萃取等方法。

相分离法

通过加入聚合物的非溶剂、降低温度等手段, 使已乳化的芯材或溶有壁材的连续相形成黏稠的非沉淀液相, 包裹在芯材料上形成微胶囊, 即为相分离法, 又称凝聚法。不同壁材在水中溶解度的不同, 相分离法又分为水相分离法和油相分离法。

凝聚反应法

将选配好的凝化剂制成油包水 (或水包油) 悬浮液, 再通过喷洒水溶性 (或油溶性) 反应物的水溶液 (或油溶液) 进入已制成的油包水 (或水包油) 悬浮液中, 通过加入非水溶性 (或水溶性) 的反应物引发凝聚反应, 从而形成表面聚合物膜, 使含水微胶囊 (或含油微胶囊) 从水相 (或油相) 中分离, 即为凝聚反应法。利用凝聚反应法制备的乳酸菌胶囊用于乳酸发酵时, 会增加发酵时活菌的数量。一些学者通过将乳酸杆菌液与添加聚甘油脂肪酸的氢化油混合, 形成复合型乳状液, 再分散于乳酸钙溶液中, 最终形成W/O/W型乳状液, 被称为复乳状液法。将W/O/W型乳状液逐滴加到果胶类的成模液中, 制成内部为乳状液的微胶囊, 这就形成一层固化的油脂膜作为屏障, 有效地提高在酸性环境下菌体的稳定性。

外压法

以海藻酸钠为材料进行微胶囊固化应用是最传统、最普通的方法, 即外压法。部分学者将1%的Ca Cl2溶液作为囊壁, 乳酸菌与0.5%的海藻酸钠溶液混合液作为芯材, 进行外压固化成囊, 所得微囊贮藏在低温条件下, 研究发现乳酸菌的活菌数较未固化前提高了2个数量级。由于成囊凝胶壁材网络结构被菌体破坏, 使小分子物质易通过断裂处进入, 导致菌体死亡, 故产品不具有耐胃酸性。以海藻酸钠为壁材, Ca Cl2为固化液制备的微胶囊, 其芯材乳酸菌有较好的包裹率和成品产率, 但由于制备过程中的干燥程序对微胶囊化乳酸菌的存活率有很大影响, 仍有待改进。近年来, 针对微胶囊壁材无法有效地适应胃酸环境, 部分学者进行大量尝试, 其中将海藻酸钠与乳酸菌菌液在固化液中固化, 制得微囊颗粒, 然后加入壳聚糖与海藻酸钠的混合物形成壁膜, 这样制得的微胶囊具有较好的耐胃酸性, 可在模拟胃液中存放1.5 h, 取得较好的效果。

微囊颗粒干燥法

采用单一手段将溶液、乳液或悬浮液等干燥后制成粉状胶囊制品的方法被称为微囊颗粒干燥法。该方法使用较多的微胶囊化材料为液体石蜡、柠檬油和羟基化糊精。为提高乳酸菌的存活率, 则需材料成囊时的干燥温度远低于材料本身的干燥温度, 而液体石蜡、柠檬油和羟基化糊精等正好达到要求。魏华等人验证了这一理论, 他们对保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌进行微囊颗粒干燥微胶囊化, 实验发现活菌的存活期明显延长。相较于界面聚合法、相分离法和挤压法, 喷雾干燥法效率高, 时间短、所需温度低、产品的分散性和溶解性好等优点, 便于应用于工业生产中, 但成品微胶囊中乳酸菌分散不均、制备过程中成活率不高等问题制约了其发展, 有待进一步研究。

微胶囊技术应用于食品工业

食品化微胶囊

微胶囊技术应用于食品行业后, 迅速在很多食品领域发挥极其重要的作用, 如粉末油脂、粉末酒类、微胶囊饮料和人造鱼子酱等, 以粉末油脂和微胶囊饮料为例具体阐述。

1.粉末油脂

实用油在常温下呈液态或固态, 液态为油, 固态为脂。传统的食用油脂, 不易保存, 在空气中易氧化变质, 影响产品质量, 限制其使用。而采用微胶囊技术生产的粉末油脂可以克服上述弊病。

2.微胶囊饮料

(1) 微胶囊乳制品

微胶囊乳制品主要包括以下两种: (1) 果味奶粉是将果汁等调味剂与奶粉进行混合调配形成微胶囊, 有效地隔绝了奶粉蛋白与有机酸等物质的直接接触, 保证果味奶粉等乳制品的质量。 (2) 可乐奶粉将可乐饮料中的香精、膏剂和磷酸等先进行包埋, 再与奶粉混合, 所得可乐奶粉不结块, 冲泡后有明显的可乐风味, 且泡沫丰富、细腻、持久。

(2) 微胶囊化茶饮料

利用微胶囊技术对茶叶中的敏感成分进行选择性包埋, 避免不利现象和反应, 最大限度地保持茶制品应有的色泽和风味。常见的微胶囊化茶饮料有保香茶饮料 (包括绿茶饮料、加香茶叶等) 、澄清茶饮料、高香优质速溶茶。

(3) 胶囊果蔬饮料

将微胶囊技术应用于果蔬饮料中, 把果蔬汁制成彩色胶囊, 再加入饮料中, 营养物质均匀, 色素稳定, 可提高饮料的感官特性。

微胶囊化添加剂

微胶囊技术应用于添加剂行业, 可显著改善添加剂的性状和稳定性, 主要应用于香精、色素、甜味剂、营养强化剂、防腐剂和抗氧化剂等。

微胶囊技术在食品加工中其他方面的应用

微胶囊技术在食品加工中其他方面也有很多重要的应用, 主要在于益生菌的包埋、功能成分的微胶囊化、蘑菇增长促进剂和酶工程方面。

结语

微胶囊的特殊结构和性质决定了微胶囊的研发和应用具有十分广阔的前景。但微胶囊技术起步较晚, 其基础研究不够成熟, 仍需深入研究和解决一些理论和实际问题。例如, 精密控制形成微胶囊的平均粒径、控制微囊表面点位的位置、细致控制微胶囊在释药位置的缓释速率、使载药微胶囊组织相容性增至最大而抗原性减至最小、开发出性价比较高的微胶囊囊壁壁材。从实验到实际应用, 仍有一段很长的路要走, 所以要克服暂时的困难, 开发出有利于社会发展进步、有益于人们生活生产的技术, 实现微胶囊的价值。

制备及研究 篇2

摘要：蓝藻水华污染所带来的主要危害是由毒蓝藻向水体中释放多种不同类型的微囊藻毒素(Microcystis,MCs),其中微囊藻毒素MC-LR和MC-RR是我国富营养化水体中最主要的.2种藻毒素.为解决对MCs进行深入研究中的MCs纯品缺少问题,迫切需要研究1种有效提取.纯化、制备MCs的方法.以天然水华蓝藻为原料,建立了以甲醇溶液提取、固相萃取和半制备色谱分离为主要步骤的微囊藻毒素提取、纯化和制备的方法.通过优化提取、分离和制备条件,制备了一定量的微囊藻毒素MC-LR和MC-RR高纯度样品.样品经HPLC鉴定分析,纯度可达98%以上.干燥后可得2种微囊藻毒素纯品分别为MC-RR:121.1μg,MC-LR:62.8μg.作 者：卫涛 向铮 张婧婧 冯小刚 作者单位：卫涛,向铮,冯小刚(温州医学院药学院化学教研室,温州,325035)

张婧婧(南京理工大学化工学院,南京,210094)

制备及研究 篇3

该技术主要是使用现代生物酶，针对不同食物蛋白质的分子结构，进行科学配方，用多酶酶切法，将含量95％以上的食物大分子蛋白质进行催化，降解成分子量在1000以下的小分子多肽群及氨基酸的混合物，其中分子量在132Da～814Da的小分子肽和氨基酸在90％以上。“多酶法科学配方”作用于各种食物蛋白，对食物蛋白纤维有很好的溶解性、发泡性、乳化性和降解彻底性。

该技术主要优势有：1、酶解不减蛋白质营养价值。2、可获得比原食品蛋白质多的功能。3、酶解加工的过程获得许多意想不到的多肽功能。4、可保持多肽营养纯天然绿色属性，不含任何化学物质。5、酶解出来的多肽，没有任何苦味和异味。6、酶解出的多肽不会引起过敏。7、改善原食品蛋白质的一些过敏原。可增加原食品蛋白质没有的重要的生物学功能。8、可增加原食品蛋白质所不具备的营养特性。9、可有效地控制多肽的分子量段。专家点评：

多肽类产品从上世纪90年代以来，已迅速成为国际市场畅销药物或保健食品的原料“新宠”。目前国际市场上多肽类产品市场销售额约有10多亿美元。我国作为多肽类产品的新兴市场，从2003年开始获得快速发展，市场不断扩大。

随着经济的发展，人们不断追求精致高端的生活，追求现代的营养，以解决因现代生活方式对人体健康的影响，促使多肽类产品市场的持续发展。多肽类产品作为一种新型保健食品、化妆品、药品原料，市场正方兴未艾。

该项目产品技术具有独特优势，克服了用传统的方式生成多肽时存在的诸多难点问题，发展前景极好。

专家简介：

氯气制备及性质实验的改进研究 篇4

氯气是一种黄绿色有毒气体, 实验室虽有通风设备, 但因为氯气的密度较大, 实验室内的氯气总是排不干净, 所以实验教师很容易中毒。

为了寻找较好的氯气制备及性质实验的方法, 笔者做了许多尝试, 其目的一是减少氯气在制取或储存时带来的污染, 二是找到一个较好的氯气性质实验方法, 最大限度地减少氯气的用量, 减少污染。

二、解决氯气制备中的问题

1.从实验原理方面分析

(1) 高锰酸钾与浓盐酸混合, 此实验不需加热。解决了加热时浓盐酸中的氯化氢的挥发问题。反应方程式为:2KMnO4+16HCl (浓) =2KCl+2MnCl2+5Cl2↑+8H2O。

KClO3+6HCl (浓) =KCl+3Cl2↑+3H2O, 所制得氯气可进一步用来做氯气性质实验, 但做氢气在纯净氯气中安静燃烧实验, 效果不佳。虽然省了加热装置, 但随之而来的这两个反应都伴有杂质气体生成, 实验效果不佳。

(2) 用食盐和二氧化锰的混合物与浓硫酸混合共热, 也避免了浓盐酸的挥发这个不利因素。通过多次实验, 总结出食盐、二氧化锰的质量大约为3∶2为宜, 浓硫酸与水的体积比为2∶1为宜, 微热。反应方程式为:$2\text{Ν}\text{a}\text{C}\text{l}+3\text{Η}{}_2\text{S}\text{Ο}{}_4+\text{Μ}\text{n}\text{Ο}{}_2\underset{}{\overset{△}{=}}2\text{Ν}\text{a}\text{Η}\text{S}\text{Ο}{}_4+\text{Μ}\text{n}\text{S}\text{Ο}$4+Cl2↑+2H2O, 但此反应需要加热装置, 没有使实验装置简便。

(3) 笔者进一步改进。用次氯酸钠、食盐、40%硫酸混合, 无需加热。反应方程式为:NaClO+NaCl+H2SO4=Cl2↑+Na2SO4+H2O。

此实验结果为:反应速度慢, 氯气产出量少。

(4) 由于次氯酸钠的碱性大于次氯酸钙, 笔者就把次氯酸钠、食盐改为次氯酸钙、氯化钙来和40%硫酸混合, 无需加热。反应方程式为:CaClO+CaCl+H2SO4=Cl2↑+Ca2SO4+H2O, 但随着硫酸的滴加, 硫酸与块状次氯酸钙作用, 生成的硫酸钙会渐渐包覆在次氯酸钙上, 致使反应速度减缓。

(5) 用其他酸代替硫酸。用浓度约为1mol/L的稀盐酸代替硫酸。我发现其效果良好, 克服上面实验反应物进行不彻底、产量低等问题, 提高了氯化氢的利用率, 同时不需要加热装置, 不仅简化了实验装置, 而且避免了氯化氢等杂质气体干扰。

2.实验装置的改进

(1) 原来浓盐酸和二氧化锰共热中的加热装置已去掉。

原先用的反应器是圆底烧瓶现改成集气瓶, 装置如图1。

当需要多瓶氯气时, 集气瓶口上的塞子上安装分液漏斗以便控制制取氯气的量, 随用随制。当需要制取氯气的量少时, 把分液漏斗改为胶头滴管, 滴管内装有稀盐酸溶液, 制取氯气时用此滴管滴加。这样操作方便, 污染少。

(2) 反应器用一个T形管。

T形管上端安装一个带胶头滴管的塞子以便滴加盐酸。滴管的位置偏向下面放制氯气所需固体药品一边。T形管下端一处封死, 用于放置制氯气的固体药品, 另一处接导气装置。因为氯气的密度比空气重, 氯气从下面导出收集到的氯气较纯。

(3) 反应器改为注射器装置。

实验操作:先在注射器内装好固体药品, 推压注射器滑杆排净空气, 再用此注射器的针头吸入酸液。此装置制取氯气最纯, 无其他杂质气体干扰。

三、氯气性质实验问题的提出及改进

第一, 以往做氯气性质实验需要多瓶氯气分别与不同的试液反应, 操作繁琐, 药品用量大。改进如下:用裁好的滤纸条蘸试液并烘干, 再用凡士林把这些滤纸竖直贴于集气瓶内壁。每张虑纸间有间隔。用同样方法也可把干燥红色纸条、湿润红色纸条竖直贴于集气瓶内壁。改进后可观察到反应变化的全过程。操作简单, 节省药品, 现象明显。

第二, 随着近几年微型实验的扩展, 此实验可从原来的演示实验改为学生分组实验。改进如下:如图1把装置中的集气瓶改为大试管, 其药品用量为原来的三分之一;大试管口改为塞有带滴管的塞子, 其他操作不变。

第三, 在日常生活中, 我们吃的药有许多药粒用药板包装, 可用药板做反应器, 在药板中的每个孔穴里加微量上述固体药品, 用滴管滴加酸液, 并迅速在药板的孔穴上盖上蘸有试液的滤纸, 也可得到类似现象。此实验现象明显、操作简单、药品用量少。

第四, 氢气在氯气中燃烧的实验, 实验现象是苍白色火焰。用某些方法制取的氯气做该实验就无法看到苍白色火焰。此时只要加一个氯气洗气装置就能解决这个问题。

在做氢气与氯气混合后见光爆炸的实验时, 有时并不发生爆炸。改进方法如下:收集氯气时用排饱和食盐水方法, 使氯气在水中溶解度下降。收集氯气时应先排净空气再收集氯气, 直到氯气瓶内黄绿色明显时为佳。

制备及研究 篇5

仍将是法医应用的重要遗传标记。等位基因分型标准物是str检测试剂盒的组成部分，能够保证各等位基因分型的准确性。本文对

等位基因分型标准物的出现、在法庭科学上的应用以及目前制备方法

进行了综述，并对各种制备方法进行比较，以期对各实验室按

照实际需要自行制备相关str的等位基因分型标准物在方法选择上有所帮助，从而更好地进行法医物证鉴定。

【关键词】短串联重复序列；等位基因分型标准物；法医学应用

【中图分类号】q78

【文献标识码】a

【文章编号】1007—9297(2005 j03—0231—0

4study on the forensic applications and the construction of allehc ladder．yuan li，lu di．(beijing institute offorensic medicine and

science，beijing]ooo4o,china)

【abstact】 shoa tandem repeats(strs)ale important genetic markers and widely used in forensic community because of theirs

characteristics and advanced examine techniques． allelic ladder is importan t part of str kit and ensure the precise genotype of allelic．

this article states the appearance an d forensic application of allelic ladder，and also study on the methods of construction of allelic ladder

currently、through the comparisons of those construction methods，this issue to be solved the laboratory to select which method to construc—

tion allelic ladder according its needs and condition and to make the most of the forensic judge．

【keywords l short tandem repeats；allelic ladder；forensic application

一、等位基因分型标准物的出现

pcr—str分型技术具有高效、快速、灵敏等优点，在个人识别、亲子鉴定、基因绘图上发挥了重要作

用．【l】已经成为法医物证鉴定的主流技术。虽然单核苷

酸多态性(single nucleotide polymorphism，即snp)

被广泛称为第三代dna遗传标记，但由于其成本高，实际操作困难等．推广使用还需要很长一段时间。目

前和今后相当长的时期内str仍是主要使用的遗传

标记。

当使用以pcr为基础的str多态性的分析技术

时。为了各基因座的等位基因命名，需要一个能比对的标准物。早先测试str的等位基因命名曾采用片断

长度bp值方法，是与已知分子量标准物同步电泳并

进行比较。这种分子量标准物虽然在本质上也是

dna 但经多次实验发现这种方法存在较严重的缺

陷：相同分子量的dna片段和分子量标准在同一介

质电泳时会出截然不同迁移率的条带。【31 dna在介质

中的电泳迁移率在其他条件相同的情况下不仅与其

分子量有关，还受dna 自身的序列结构影响。序列不

同的dna片断在电泳动力学上存在差异，即使片断

长度相同．它们的电泳迁移率却不一致。这样就不能

准确进行str分型。

最早记载有等位基因分型标准物的是budowle

等[41建立的。他们从100名无关个体中找出d1s80的16个等位基因．经测序命名后把它们混合作为“lad．

der”．检测未知样品时．只需与该基因座的“ladder”比

较即可得出这个基因座的基因型．当时用的是聚丙烯

酰胺凝胶电泳分离和银染显色。这种检测方法与在此

制备及研究 篇6

【关键词】块状非晶；Zr合金；晶化；纳米材料

1、前言

非晶合金材料具有良好的物理化学性能，在航天航空、汽车、精密制造、电子通讯与计算机、生物医学等领域有着广阔的应用前景[1-2]。近年来，具有良好非晶形成能力的锆基多组元合金体系引起了研究者的极大兴趣。锆基块体非经合金具有高拉伸强度、良好的延展性、高弹性以及很强的抗腐蚀性 [3-5]。

本文以Zr-Cu基为基础，通过添加Al、Ni等元素，在得到准晶体的基础上采用不同非晶晶化方式对合金进行晶化，通过XRD和DSC分析研究不同合金系的非晶形成能力；通过组织观察和硬度分析试验，研究合金性能和影响因素。为进一步开展Zr基大块非晶合金材料的研究提供理论基础。

2、试验过程

试验合金原料为工业纯Zr、Al、Ni及Cu，成分纯度均在99.9%以上。采用WK型非自耗真空电弧炉进行合金熔炼，熔炼过程中采用高纯度氩气进行保护。铜模吸铸成型制备得到1、2和3三组试样，吸铸试样的尺寸为80mm×10.2mm×2.6mm。

电致晶化：对试样施加短时的强电流脉冲实现快速加热使其发生纳米晶化。实验参数：电流密度为107A/m2～108A/m2，加热速率约为104K/s～106K/s，通电流5分钟。

热致晶化：温度480℃、保温2h后冷却至室温。该方法对于进一步理解纳米晶体的内界面结构特征、纳米晶的形成机理以及材料的结构性能关系提供了一种有效的手段[6]。

3、试验结果与讨论

DTA实验起始温度为100℃，结束温度为600℃，加热速率为20℃/min。三组试样的曲线在480℃左右出现了明显的放热峰，试样质量发生变化，材料在这个临界点位置发生了相变，试样内部发生晶格重组或产生新相使得质量上升，确定三个试样的晶化转变温度为480℃，表明试样成分不同对该准晶体的晶化温度影响很小。

1号试样在35°～40°之间有明显的峰值出现，析出相为CuZr及Al2Zr3。电致晶化后，45°的峰对应的析出相增多，热致晶化后析出峰逐渐右移，说明电流对试样内部的组织转变起到了作用。2号试样在30°～45°之间有明显的衍射峰，45°以后曲线趋于平缓，说明晶体内部析出相较少。3号试样铸态下和经过电致晶化后材料内部相结构变化很小，曲线的平稳度较高。结合上述分析，本文制备的试样可以定义为介于非晶和晶体之间的过渡态准晶体材料。

经过电致晶化及热致晶化后，试样的硬度均小于铸态下组织硬度，且热致态组织硬度最小，1号试样硬度显著高于2号及3号试样。电致晶化后，基体中析出的化合物大大地降低了材料的硬度，从1026HV降低到901HV，说明电致晶化后降低了1号试样中的非晶化程度。

3号试样显微组织中看不出明显的晶界，经过电流能量拌入后，提高了其非晶化的程度，硬度从644HV升高到689HV。1号样和2号样铸态下的硬度最高，经过晶化作用后，硬度下降。3号试样经过电流能量拌入后，硬度有了明显的增加，该材料的非晶化程度有明显的提高，因此硬度上升。

3号试样经过电致晶化后，从基体中析出了第二相，析出的第二相呈雪花状，该点成分其中L能级上Zr的峰值最大，说明析出相中Zr含量占的比例最大，从原子比可以看出，析出相接近Al2Zr3化合物原子比[7]。析出的相虽然没有达到纳米级的水平，但也达到了微米级别。

热致晶化后，3号试样从基体中析出了第二相，能谱显示Zr含量达到70%（如表4所示），超过了一开始设计的成分比例，Al、Cu及Zr元素的原子比接近1：1：2。这些点在氢氟酸的腐蚀下表现出良好的耐蚀性，因此该点可能是含Zr的陶瓷相。1号试样的铸态基体很细小，有很多短棒状的组织构成，尺寸在2μm～10μm之间。其间还含有少量的更细小的纳米级颗粒。

4、结论

本文在Zr基合金系基础上，采用电流能量拌入、等温退火等非晶晶化方式获得三维纳米材料。对材料进行差热分析、XRD分析、金相分析、显微硬度分析和扫描电镜分析。实验结果表明：

1）铜模吸铸法成功制备出准晶体材料；

2）三组试样的结晶化温度都在480℃左右，试样成分对结晶化温度影响很小；

3）不同热处理和能量拌入方法对试样产生了晶化效应，1号试样具有较强的非晶成型能力。

参考文献

[1]许并社.纳米材料及应用技术[M].化学工业出版社，2004：1-13.

[2]张志，孙楠，许泽兵.非晶合金发展及制备[J].SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION， 2007，26：177-179.

[3]刘应开，侯德东，周效锋，刘佐权.纳米晶材料的历史与现状[J].现代物理知识，2008，11（1）：1.

[4]丁秉钧.纳米材料[M].机械工业出版社，2004：8-12.

[5]王鸣阳，郭成言，葛璜，刘彬译.日本纳米技术手册编辑委员会.纳米技术手册[M].科学出版社，2005年：107-110.

[6]何国，陈国良.金属间化合物与大块玻璃合金的形成[J].材料研究学报，1999，13（6）：569-57.

石墨烯的制备及应用研究 篇7

近年来,石墨烯作为碳纳米材料科技创新的前沿领域,凭借其特殊的晶体结构性能引起了科学界的广泛关注和研究,从1924年科学家们确定了石墨及金刚石的结构,到1985年发现的零维富勒烯以及1991年发现的一维碳纳米管,再到2004年Andre K.Geim研究小组首次成功获得的石墨烯[1],使得碳材料形成了从零维富勒烯[2]、一维碳纳米管[3]、二维石墨烯到三维金刚石和石墨的完整体系。石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体,其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯环,理论厚度仅为0.34nm,是迄今为止发现的最薄的二维材料,被认为是构建石墨、富勒烯和碳纳米管和石墨的基本结构单元,具有优良的导热性能[4],力学性能[5],较高的电子迁移率[6,7],较高的比表面积和量子霍尔效应[8]等性质。正是由于这些特殊而优异的物化性能,使得石墨烯在微电子、物理、能源材料、化学、生物医药等领域体现出了潜在的应用前景,引领了21世纪新的技术革命。

2 石墨烯的制备

近年来,人们在石墨烯制备方面取得了很大的进展,先后利用了机械剥离法、化学气相沉积法、氧化石墨还原法、电弧放电法等制备出结构较为完整的石墨烯,这将为石墨烯的基础研究和应用开发提供了技术保障。

2.1 机械剥离法

2004年英国曼彻斯特大学Andre K.Geim研究小组用微机械剥离法成功地制备出单层石墨烯。利用氧离子束刻蚀高定向热解石墨表面,将其固定在含有光致抗蚀剂的SiO2/Si基底上进行焙烧,然后用胶带反复撕揭,除去多余石墨后,再将粘有石墨烯薄片的SiO2/Si基底浸入丙酮溶液中超声,最后得到吸附在硅晶片上的单层石墨烯。 通过这种方法可以获得晶体结构比较完整的石墨烯; Schleberger 等[9]将常用的SiO2基底换为TiO2,Al2O3等绝缘晶体基底,制得了单层厚度仅为0.34nm的石墨烯。机械剥离法是一种简单制备石墨烯的方法,但其在大规模应用领域却具存在较大的局限性。

2.2 化学气相沉积法

化学气相沉积法(CVD)是将一种或多种气态物质导入到一个反应腔内发生反应,生成一种新物质沉积到衬底表面。 用CVD法制备石墨烯是将高温不易分解的平面基底置于能够分解的前驱体气氛中,通过高温灼烧,退火,冷却使得碳原子沉积在基底表面形成石墨烯,最后用化学腐蚀法除去金属基底,得到独立的石墨烯[10]。Kim等[11]在Si基底上放置一层厚度为100~500nm的Ni,然后将其置于水平管式炉中,通入甲烷、氢气和氩气的混合气流,升温至1000℃,待反应一段时间后再将其冷却至室温,在Ni层表面沉积出6~10层的石墨烯;虽然CVD法能满足规模化制备大面积、高质量的石墨烯要求,但在现阶段由于其成本较高和工艺复杂等缺点,限制了这种方法在石墨烯制备中的应用。

2.3 氧化石墨还原法

氧化石墨还原法是当前制备石墨烯最常用的方法之一,其主要原理是在强氧化剂作用下扩张石墨层间距,形成片层或边缘带有羰基、羧基、羟基等基团的氧化石墨,经在水溶液或有机溶剂中超声处理后形成均匀分散的单层氧化石墨烯,再利用还原剂还原氧化基团制得石墨烯。氧化石墨的制备方法通常有Brodie法[12]、Standenmaier法[13]和Hummers方法[14]。还原氧化石墨烯时,常用的还原剂有水合肼[15] 、NaBH4[16]、纯肼[17](不含水)、强碱(KOH、NaOH)超声还原[18]、热剥离[19]Sasha Stankovich等[20]用水合肼直接还原氧化石墨烯溶液得到石墨烯。,Li等[21]通过水合肼还原氧化石墨得到石墨烯的氨水分散液,对其减压抽滤得到石墨烯薄膜。通过水合肼还原法制备的石墨烯晶形良好,但基于还原反应的强毒性和腐蚀性,在一定程度上可能会造成石墨烯某些性能的损失。

3 石墨烯的应用

由于石墨烯具有优异的导热性能和力学性能,故其在传感器、聚合物纳米复合材料、光电功能材料、药物控制释放等领域表现出众多潜在的应用前景。

3.1 传感器

在基础学科研究中,传感器具有突出的地位,早已渗透到工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、生物工程以及文物保护等领域。由于石墨烯拥有较大的比表面积,使其具备了制作高灵敏度传感器的必要因素,但是迄今为止,关于石墨烯应用于生物传感器方面的报道比较少,因此,很有必要说明一下石墨烯在生物传感器中的应用,将NO2、NH3、H2O,CO等气体吸附石墨烯表面,然后用电传感检测器检测石墨烯表面电阻的变化来说明石墨烯的感知能力[22,23,24,25,26,27]。Robinson等[28]利用石墨烯制作的电子气体传感器可将检测限降至70ppb,低于2×106ppb和5×104ppb(JCAD和CDC检测限要求)。这种气体传感器的性能优于使用单壁碳纳米管制作的传感器,且还可被用于探测器[29]。Schedin等[30]检测单分子层石墨烯对气体的吸附,检测结果表明:NO2和H2O可作电子受体吸附到石墨烯表面,有效增加了石墨烯的导电性;NH3和CO被作电子给体吸附到石墨烯表面能减小石墨烯的导电性。

3.2 聚合物纳米复合材料

由于石墨烯的疏水疏油性,其直接被用于制备石墨烯纳米复合材料比较困难。现阶段人们制备的石墨烯纳米复合材料是先将氧化石墨与其他纳米材料复合,然后通过还原得到石墨烯纳米复合材料。石墨烯聚合物复合材料是石墨烯实际应用的一个重要方向[31,32]。Ruoff等[33]制备了石墨烯-聚苯乙烯导电复合材料,先将苯基异氰酸酯功能化的石墨烯均匀分散在聚苯乙烯基体中,利用二甲肼还原恢复石墨烯的本征导电性,结果表明其临界导电含量仅为0.1%。Chen等[34]制备了磺酸基以及异氰酸酯功能化的石墨烯与热塑性聚氨酯(TPU)的复合材料,并研究了该材料在红外光触发驱动器件(Infrared-Triggered Actuators)中的应用。Verdejo等[35]将氧化石墨与有机硅纳米颗粒进行复合,通过高温热还原制得石墨烯泡沫有机硅纳米复合材料,该材料与泡沫有机硅相比,前者的起始分解温度与热分解终止温度都有得到提高,热降解速率有所下降。

3.3 光电功能材料

石墨烯具有较大的偶极矩和π体系等结构特征,能被用作优良的非线性光学材料和新型场效应晶体管(FET)材料,如石墨烯可代替铟锡氧化物(ITO)作为太阳能电池的电极材料。Becerril等[35]将氧化石墨烯涂到石英表面进行热还原处理,使其电导率变为102S·cm-1,可用作太阳能电池的电极。Chhowalla等[36]将真空抽滤得到的氧化石墨烯薄膜还原为石墨烯薄膜,可制备厚度约为2nm的薄膜晶体管,检测结果显示常压下该薄膜的最低电阻率为43kΩ/m,空穴迁移率为1cm2·v-1·s-1,电子迁移率为0.2cm2·v-1·s-1;Li等[37]制备的功能化石墨烯纳米带,其宽度在10~50nm之间,而且具有多种形态结构,当宽度<10nm时,石墨烯场效应晶体管的开关比可以达到107; Becerril等[38,38]将氧化石墨烯涂到石英表面进行热还原处理, 使其电导率变为102S·cm-1,可用作太阳能电池的电极。

3.4 药物控制释放

截止现今,许多芳香族化合物都不易溶于水,故不能被广泛应用于疾病治疗, 而石墨烯的独特的二维层状结构和良好的生物相容性使其能被很好地作为药物载体。Liu Z等[39]将聚乙二醇功能化的石墨烯与抗肿瘤药物SN38反应制得NGO-PEGSN38复合物,该复合物在人体内能缓慢释放SN38,成功达到了药物的控制释放,实现疾病治疗的目的,从而开启了石墨烯在生物医药方面的应用研究先河。Yang等[40]将抗肿瘤药物阿霉素(DXR)高效负载在石墨烯上,研究了石墨烯对阿霉素(DXR)的药物控制释放作用,研究结果表明当DXR浓度为0.47mg/mL时,负载量达到2.35mg/mg, 远远高于传统的药物载体,如高分子胶束,水凝胶微颗粒和脂质体等。

3.5 储氢材料

随着人类社会的不断进步,其生产所需的化石燃料的储量正日益减少,工业污染物对人类赖以生存生态系统造成了极大的危害,因此,寻找新型能源迫在眉睫,而氢能由于其广泛的来源、无污染、能量密度高等优势成为了21世纪新型绿色无污染能源。石墨烯作为一类新型的储氢材料,具有很多的优点:较大的比表面积;气体吸附机理多为物理吸附,可以在室温、安全压力下快速可逆地吸放氢气;较高的热稳定性。Rao等[41]研究了3~4层厚度的石墨烯对氢气的吸附性能, 其研究结果表明:H2在100bar,298K条件下,吸附量可达3.1wt%,如果采用单层石墨烯,其H2理论吸附量可达7.7wt%。

4 结论

石墨烯由于其独特的二维晶体结构、优越的结构性能和良好的发展前景,已引起了人们的广泛关注,成为现今材料、化学、物理等诸多领域的研究热点。随着研究的不断深入,石墨烯的潜在价值正在逐步被发掘,制备方法也由最初的机械剥离法发展到现在的化学合成法,工艺过程越来越易实现,被广泛应用于众多领域,如传感器、光电功能材料、药物控制释放、储氢材料等。因此,如何大规模、高质量、低成本的制备石墨烯并且控制其生长区域从而实现石墨烯的图案化生长将是未来研究的一个重点。综上所述,从2004年被发现至今,石墨烯无论是其理论研究还是实验研究,都取得了显著的突破,体现了重大的科学意义和实用价值,使得人们对这一新型碳材料的本征结构和性质得到了更为深刻的理解,制备出一系列基于石墨烯改性后性能优越的新型材料,从而为实现石墨烯的实用价值奠定了科学和技术基础。

摘要：系统地阐述了石墨烯的制备方法,包括机械剥离法、化学气相沉积法、氧化石墨还原法和电弧放电法等,概括介绍了石墨烯近年来的应用领域、未来的发展方向和应用前景。

石墨烯的制备及机理研究 篇8

目前, 制备石墨烯的方法主要有化学气相沉积法、微机械剥离法和氧化还原法。在氧化还原法中, 常用的还原剂有肼及其衍生物、Na BH4等[2]。其中, 肼及其衍生物还原造成身体伤害和环境污染。Na BH4与水接触极易发生水解, 限制了其大规模使用。本文分别采用水合肼、维生素C为还原剂还原氧化石墨得到石墨烯, 探讨了引入杂质少、无毒和环境友好型维生素C作为还原剂的优越性。

1 实验方法与测试

其一, 仪器:X射线衍射仪D8Advance德国Bruker公司, 真空干燥箱ZF-6050, 超声处理器FS-600N, 高速离心机AXTG16G。

试剂:天然鳞片石墨、浓H2SO4、Na NO3、KMn O4、HCl、水合肼 (N2H4·H2O, 50%) 、维生素C、乙醇、L-色氨酸、H2O2。

其二, 氧化石墨的制备:采用Hummers法制取氧化石墨。在烧杯中加入90m L98%的浓H2SO4, 并将其置于冰水浴中, 分别称取2g石墨粉和1g Na NO3的固体, 依次加入到烧杯中, 开始搅拌30min, 计时开始, 加入KMn O4, 每次2g, 每隔15min加入一次, 加6次共12g, 控制反应温度不超过20℃, 搅拌90min。开启恒温磁力搅拌的加热功能, 升温到35℃后, 温度控制在35±2℃, 搅拌2h。用胶头滴管在30min内将80m L去离子水慢慢滴入溶液中。温度升到90℃后, 量取200m L去离子水加入溶液中进行稀释, 加入20m L 30%的H2O2, 搅拌10min, 将溶液倒入烧杯中, 静置冷却。上层清液倒去, 加入500m L 5%HCl溶液, 静置倒去上层清液, 高速离心机离心, 多次用去离子水清洗, 直到p H=7, 将洗涤后的产物置于60℃的烘箱中干燥, 所得产物即是氧化石墨。

水合肼还原氧化石墨:氧化石墨0.30g放入500m L去离子水中, 超声分散1h, 得到GO (氧化石墨) 分散液。加热到95℃后, 加入25m L50%的水合肼, 恒温水浴反应6h, 溶液变为黑色。用布氏漏斗抽滤, 分别用乙醇、去离子水洗涤, 直到p H=7, 将洗涤后的产物置于60℃的干燥箱中充分干燥得到石墨烯。

维生素C还原氧化石墨:氧化石墨1.0g放入500m L去离子水中, 同上得到稳定的GO分散液, 加热到95℃后, 加入0.1的维生素C, 同时按维生素C和L-色氨酸质量比为2∶1的用量加入L-色氨酸, 恒温水浴反应6h, 溶液变为黑色, 用布氏漏斗抽滤, 分别用乙醇、去离子水洗涤, 直到p H=7, 将洗涤后的产物置于60℃的干燥箱中充分干燥得到石墨烯。改变维生素C量为0.2、0.3、0.4、0.5g同法制得石墨烯。

其三, 表征分析。采用D8Advance X射线衍射仪对比分析石墨、石墨烯的峰位与强度, 分析晶面间距。

2 结果与讨论

2.1 石墨、氧化石墨与石墨烯XRD表征结果

石墨的XRD谱图与氧化石墨的XRD谱图见图1、图2。天然鳞片石墨在2θ为26.50°附近出一个明显的尖锋, 对应石墨的002衍射峰, 表明片层的规整度高, 结晶度高, 在2θ为54.50°附近出一个较弱的衍射峰, 由布拉格衍射公式可以算出晶面的间距约为0.335nm。

氧化石墨在2θ为11.20°附近出一个明显的尖峰, 峰的宽度比石墨的峰宽要大一些, 在2θ为54.50°并没有出现衍射峰, 由布拉格衍射公式可以算出晶面的间距约为0.794nm, 层间距从石墨的0.335nm增加至石墨烯的0.794nm。氧化石墨的衍射峰变宽且向低角度方向发生偏移, 片层的无序性增加, 层间距加大。

2.2 讨论

图3中GR-1、GR-2分别为维生素C (0.5g) 、水合肼作为还原剂制备石墨烯的XRD谱图。水合肼还原制备的石墨烯在2θ为25.0°附近出现一个明显且较宽的峰, 维生素C还原制备的石墨烯在2θ为24.50°附近出现一个明显且较宽的峰。两种还原剂制备的石墨烯有着石墨化的结构, 但是与石墨的2θ为26.5°附近出现的尖峰又不同, 而且两种还原剂在2θ为43.0°附近出现一个明显的衍射峰, 这与石墨在2θ为54.50°附近出现的衍射峰不同, 发生了明显的偏移。由布拉格衍射公式算出水合肼作为还原剂制备的石墨烯晶面的间距约为0.355nm, 维生素C作为还原剂制备的石墨烯晶面间距约为0.362nm。而石墨的晶面间距约为0.335nm, 说明通过氧化还原制备的石墨烯晶面间距均发生变化, 而且维生素C作为还原剂制备的石墨烯晶面间距大于水合肼作为还原剂制备的石墨烯[3,4,5]。

3 石墨烯制备过程机理分析

石墨氧化过程是将含氧键加入到石墨层间, 而石墨烯还原是将去掉含氧键的过程。肼作为还原剂制备石墨烯的过程, 第一步是环氧基一端的碳氧键 (C-O) 断裂, 肼上的一个氮所连接的氢离子与氧相连形成羟基, 该氮与环氧基相邻的碳相连。第二步是肼的另一个氮相连的氢离子与羟基结合形成水分子脱去。

维生素C作为还原剂制备石墨烯的过程, 第一步是含有两个羟基的碳碳双键 (C=C) 断裂, 而两个羟基脱去一个水分子, 碳碳双键的一端形成碳氧双键 (C=O) , 另一端则留下一个空余的半键。第二步是环氧基与溶液中的氢离子结合形成羟基, 该羟基再与空余的半键结合, 从而从碳环上脱去。

4 结论

通过水合肼、维生素C作为氧化还原法制备石墨烯的还原剂, 制备了石墨烯。水合肼对人体是有毒的, 可通过呼吸和皮肤接触进入人体造成伤害, 维生素C对人体无任何危害, 也不污染环境。X射线衍射分析表明, 维生素C是制备石墨烯安全环保性的还原剂, 并分析了还原过程反应机理, 为维生素C还原剂的推广使用提供理论依据。

参考文献

[1]宋成斌.石墨烯——结构、制备方法与性能表征[M].北京:清华大学出版社, 2011:68-103.

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[3]许仕才.石墨烯的制备、表征及光电性质研究[D].济南:山东师范大学, 2014.

[4]周静.氧化石墨烯和石墨烯的制备、表征与应用[D].南京:南京大学, 2011.

绒面AZO干法制备及性能研究 篇9

AZO透明导电膜因其具有优异的光电性能,价格低廉、无毒,化学和热稳定性好,受到越来越多的关注[1,2,3,4,5,6,7],并已成为Cu In Se2(CIS)薄膜太阳电池的标准前电极,在非晶硅和微晶硅薄膜电池中也得到了广泛应用。在用作太阳电池前电极时,AZO薄膜表面需要制作绒面达到增强光散射的效果[8,9]。

目前AZO薄膜制绒主要方法是用稀盐酸腐蚀[10,11,12,13,14],工艺简单、成本低、刻蚀速度快,但是该方法获得的绒面结构受薄膜制备工艺影响较大,且刻蚀过程速率过高,可控性较差,也会污染环境。相对的,采用离子束刻蚀[12]方法刻蚀精度高,绒面形貌可控性强,工艺清洁度高,污染少;并且可以同沉积、加热退火在一个系统里结合起来,是产业化制备绒面AZO薄膜的发展方向[13]。

本文采用射频溅射[14,15]方法制备出高透过率、低电阻率的AZO薄膜,采用离子束刻蚀制备出良好陷光微结构的绒面AZO透明导电膜,并对刻蚀前后的薄膜性能进行了比较研究。

1 实验

采用沈科仪FJL-560型磁控溅射沉积系统,在直径为30 mm的普通K9玻璃上制备AZO薄膜。玻璃衬底用去离子水超声清洗30 min,用乙醚和酒精的混合液擦拭。采用射频溅射的方法,溅射靶材纯度99.999%Zn O-Al2O3(Al2O3:2wt.%)陶瓷靶,衬底温度控制在20250℃,本底真空为8×10-4 Pa,以高纯Ar气为溅射气体。溅射过程中,用MT50-2J型流量计控制溅射气体流量,气体流量控制在20 sccm,溅射压强在0.11.5 Pa之间,溅射功率在60120 W之间。对制得的AZO薄膜进行离子束刻蚀,刻蚀参数为本底真空2.5×10-3 Pa,刻蚀气体为Ar气,加速电压-200 V,屏极电压500 V,束离子入射角0°,束流大小20 m A,刻蚀压强2.8×10-2 Pa,刻蚀时间10 min。

对刻蚀前和刻蚀后的AZO薄膜进行性能研究。其中用美国Ambios公司XP-1型超微力台阶仪测量厚度,薄膜的光学性能用上海光谱仪器有限公司生产的SP-1702型紫外可见分光光度计进行测量,方块电阻用四探针电阻仪测量,并用PARK公司生产的XE-100型原子力显微镜(AFM)测量薄膜的表面形貌。

2 结果及分析

2.1 光学性能

图1是不同的溅射功率、工作压强、基底温度下刻蚀前后薄膜的透过率对比图,其中图1(a)为未刻蚀下不同功率AZO薄膜的透过率图谱;图1(b)离子束刻蚀10 min不同功率AZO薄膜的透过率图谱;图1(c)未刻蚀下不同工作压强AZO薄膜的透过率图谱;图1(d)离子束刻蚀10 min不同工作压强AZO薄膜的透过率图谱;图1(e)未刻蚀下不同基底温度AZO薄膜的透过率图谱;图1(f)离子束刻蚀10 min不同基底温度AZO薄膜的透过率图谱。

从图中可以看出,大部分的薄膜刻蚀后透过率有所下降,但是在可见光波段的透过率仍然在80%以上,吸收边位置也没有明显变化,说明刻蚀并没有破坏薄膜的晶体结构。刻蚀后薄膜厚度减小,但是透过率反而下降,原因是由于离子束的轰击,薄膜表面粗糙度增加,对光的散射能力增强。这恰恰满足了太阳能电池前电极增加微结构,增强散射能力的要求。

2.2 电学性能

表1表示的是刻蚀前后AZO薄膜电阻的对比,从表中可以看出,刻蚀后薄膜的电阻率有所上升,但是均在10-3数量级。绒面薄膜电阻率的上升是由于刻蚀对薄膜表面形貌的破坏,导致载流子迁移率降低。

2.3 表面形貌

图2为薄膜表面形貌的AFM对比图。图2(a)为常温,0.3 Pa,100 W;图2(b)为常温,1 Pa,120 W;图2(c)为常温,0.3 Pa,00 W+离子束刻蚀10 min;图2(d)为常温,1 Pa,120 W+离子束刻蚀10 min。图2(a)、图2(b)为刻蚀前的表面形貌,图2(c)、图2(d)为同一样品刻蚀后的对比图。从图中可以发现,刻蚀前后薄膜的表面形貌变化较大。大部分薄膜经刻蚀后均有较为规则的“坑状”结构,如图2(c)所示,并且已看不出明显的晶粒结构,少部分如图2(d),仍然可以看出晶粒形状,只是形状较未刻蚀前(如图2(b))不规则,这与镀制平面薄膜的工艺参数有关。不同参数下制得的绒面微结构尺寸不同,横向尺寸在0.51.0µm之间,开口角在120°左右,表面粗糙度从7.29 nm上升到36.64 nm,具有较好的陷光性能,可以满足太阳能电池前电极的陷光结构要求。

3 结论

制备及研究 篇10

1 石墨烯的制备

机械剥离法[2]、加热SiC法[3,4,5]是制备石墨烯的典型方法,但这些方法制备的样品存在一定缺陷,不能反映理想石墨烯的本征物性。随着对石墨烯研究的不断深入,近1年来新的制备方法不断涌现,主要有以下几种:

1.1 外延生长法

外延生长法是利用生长基质的结构“种”出石墨烯。Pan等[6]以含碳的钌单晶在超高真空环境下高温退火处理,使碳元素向晶体表面偏析形成外延单层石墨烯薄膜,通过优化生长条件获得了理想的毫米级外延石墨烯二维单晶材料。低能电子衍射结果证实了石墨烯样品毫米级的高度有序性。这种高质量石墨烯的获得,为石墨烯基础问题的深入研究及其进一步在器件方面的应用提供了一种新方法和理想体系。但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀,且石墨烯和基质之间的粘合会影响碳层的特性。

1.2 CVD法

CVD法可获得大面积,厚度可控的高质量石墨烯,并与现有的半导体制造工艺兼容。Kim等[7]采用CVD法成功制备了高质量石墨烯。他们首先在SiO2/Si衬底上沉积厚度为300 nm的金属Ni,然后将样品放置于石英管内,在氩气气氛下,加热到1000℃,再通入流动的混合气体(CH4∶H2∶Ar=50∶65∶200),最后在氩气气氛下,快速冷却(冷却速率为~10℃·s-1)样品至室温,即制得石墨烯薄膜。把镍用溶剂腐蚀掉以使石墨烯薄膜漂浮在溶液表面,进而可以把石墨烯转移到任何所需的衬底上。用制作镍层图形的方式,能够制备出图形化的石墨烯薄膜。他们发现,这种快速冷却的方式,是后期从基体上有效分离石墨烯片的决定性因素。此法制得的样品未经强烈的机械力以及化学药品的处理,从而保证了石墨烯样品的结晶完整度,以期获得高导电性和高机械性能的石墨烯片。Wei等[8]采用硫化锌纳米带作为模板,通过化学气相沉积法成功制备了石墨烯带,实现了对石墨烯形状的控制,并制备了石墨烯带的纳米机电原型器件,先前的方法制备出的石墨烯的形状基本上都是无规的,而模板-CVD法的提出,使得大规模可控地合成具有规则形貌的石墨烯成为现实。

1.3 氧化石墨还原法

氧化石墨还原法是以鳞片石墨为原料,经过一系列的氧化获得氧化石墨[9],氧化石墨再经还原而获得石墨烯的方法。Li等[10]利用还原氧化石墨的方法,在没有任何化学稳定剂的情况下,通过控制石墨层间的静电力,制备出了在水中稳定分散的石墨烯悬浮液。该种方法可制备出大量廉价的石墨烯材料,可应用于抗静电涂层、柔性透明电子设备、高性能组件和纳米医学。Vincent等[11]将氧化石墨纸直接放入水合肼中,通过水合肼的还原将氧化石墨上的氧化官能团除去,从而制得单层石墨烯的水合肼溶液。由于石墨烯周围分布大量的负电荷,这种悬浮液通过静电斥力可稳定存在几个月而不发生沉降。此法制得的最大石墨烯片约为20μm×40μm,可应用于纳米电子器件、场效应晶体管等领域。鉴于Hummers法制备氧化石墨耗时,且对其官能团的功能化难以控制,Shen等[12]以过氧化苯甲酰为氧化剂,利用过氧化苯甲酰的插入作用,可以快速、简便、大批量制备氧化石墨及石墨烯。进一步对其表面功能化,这种氧化石墨烯薄片可以溶于不同的溶剂,扩大了石墨烯的应用领域。但是氧化石墨还原法制备的石墨烯也存在一定缺陷:经过强氧化剂氧化过的石墨并不一定能够完全还原,导致其一些物理、化学等性能损失,尤其是导电性。但是这种方法简便且成本较低,可实现石墨烯的批量生产。

1.4 剥离-再嵌入-扩涨法

氧化石墨还原法制备石墨烯过程中,天然石墨难以完全氧化,所制备的样品导电性差。基于此,Li等[13]提出剥离-再嵌入-扩涨法,制备出高质量的石墨烯片(GS)。即室温下将预处理的石墨用发烟硫酸氧化24h,过滤洗涤后将样品置于DMF和TBA的混合液中超声5min;样品放置3天使TBA完全进入石墨层间,之后于甲氧基聚乙二醇磷脂酰乙醇胺(Phospholipid-PEG)中超声1h,即可制得石墨烯片。此法制备的石墨烯在有机溶剂中稳定悬浮,室温及低温下表现出极高的导电性,比通常用还原氧化石墨方法获得的石墨烯的电导高两个数量级。他们通过LB膜组装技术,将悬浮在溶剂里的石墨烯一层一层地转移到固体表面,制成大面积的透明导电膜。高质量石墨烯及其LB膜的制备对未来石墨烯的大规模应用具有重要意义。然而在制备单层高导电性的石墨烯及批量化生产方面有待进一步研究。

1.5 有机合成法

相对于其他方法,通过自下而上的有机合成法可以制备具有确定结构且无缺陷的石墨烯纳米带,并可以进一步对石墨烯纳米带进行功能化修饰。苝酰亚胺是由苝核和具有强吸电子能力的酰亚胺基团构成,其bay位提供了丰富的化学反应的可能性。Qian等[14,15]以苝酰亚胺为重复单元,通过偶联反应将两分子苝酰亚胺沿其bay位结合在一起,合成出二并苝酰亚胺,并沿其bay位构筑宽度受限(1nm左右)、长度可控的石墨烯纳米带,这实现了酰亚胺基团功能化的石墨烯纳米带的高效化学合成。在以上工作基础上, 研究人员发现四溴苝酰亚胺在碘化亚铜和L-脯氨酸的活化下可以实现多分子间的偶联反应,得到了不同尺度大小的并苝酰亚胺,实现了酰亚胺基团功能化的石墨烯纳米带的高效化学合成,通过高效液相分离了两种三并苝酰亚胺异构体,进一步地结合实验方法和理论计算明确阐明了其结构。这类具有酰亚胺基团功能化的石墨烯纳米带具有新颖的结构、特殊的光电性质和潜在的应用价值。

1.6 由纳米管(MCNTs)制造石墨烯带(GRNs)

之前,研究人员使用化学药品或超声波将石墨烯切成带状,但该方法无法用来大规模制造石墨烯带,也无法控制其宽度。James小组[16]和Dai小组[17]分别使用碳纳米管成功地制造出几十纳米宽的石墨烯纳米带。Dai小组使用从半导体工业借鉴过来的蚀刻技术切开纳米管,他们将4~18nm的MCNTs沉积在Si沉底上,利用旋转喷涂技术在MCNTs表面涂覆一层300nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜,接着使用经过电离的氩气来蚀刻每个纳米管的每一个条带(由于刻蚀时间不同,可获得不同层数的GRNs),最后利用丙酮蒸气去除PMMA,并于300℃下煅烧10min去除剩余的聚合物,从而得到10~20 nm的GRNs。James小组则使用高锰酸钾和硫酸的混合物,在比较温和的条件下,沿着一个轴心打开纳米管,他们得到的丝带要宽一些,大约为100~500nm。这些丝带虽不是半导体,但更容易大规模制造。James相信,他的丝带能用来制造太阳能电池板、可弯曲的触摸显示屏,还能够制成轻薄、导电的纤维,以取代在飞机和宇宙飞船上使用的笨重铜线。Dai研究小组的窄带具有导电性能,因此在电子工业将具有广泛用途,他们已使用石墨烯带制造出了基本的晶体管。

2 石墨烯的表征

单层石墨烯虽然已经成功制得,但目前其表征手段还十分有限,成为制约石墨烯研究的瓶颈之一。由于单层石墨烯理论厚度只有0.335nm,在扫描电镜中很难观察到。原子力显微镜是确定石墨烯结构的最直接办法。原子力显微镜可以表征单层石墨烯,但也存在缺点:耗时且在表征过程中容易损坏样品;此外,由于C键之间的相互作用,表征误差达0.5nm甚至更大,这远大于单层石墨烯的厚度,使得表征精度大大降低[18]。

在Raman光谱中,石墨烯在1580cm处的吸收峰强度较低,而在2700cm处的吸收峰强度较高,并且不同层数的石墨烯在2700cm处的吸收峰位置略有移动。这可能是由于石墨烯的电子结构发生变化,从而引起双共振效应的变化[19]。Raman光谱的形状、宽度和位置与石墨烯的层数有关,这为测量石墨烯层数提供了一个高效率、无破坏的表征手段。但是,石墨烯拉曼光谱信号弱、难以对其精细结构进行表征。

光学显微镜的利用为石墨烯的表征提供了一个快速简便的手段,使石墨烯得到进一步精确表征成为可能。Cheng等[20]在反射率计算的基础上,引入色度学空间概念,提出了快速、准确、无损表征石墨烯层数的总色差方法。解释了只有在特定基底(Si衬底上涂72nm厚Al2O3膜)上石墨烯可见的原因,提出并实验证实了更利于石墨烯光学表征的基底和光源,提高了光学表征的精度,为石墨烯层数的快速准确表征、控制制备及物性研究奠定了基础。

由于石墨烯厚度仅为1个至几个原子层,晶体的缺陷和表面吸附物质的不同,都会引起表征结果的不同。无论是原子力显微镜、光学显微镜、还是Raman光谱,结果都会随石墨烯制备工艺的不同而有所不同,有关石墨烯的精确表征仍需进一步完善。

3 石墨烯的潜在应用领域

3.1 储氢材料

储氢材料具有在特定条件下吸附和释放氢气的能力。但目前各种材料的成本都较高,极大地限制了储氢材料发展。Georgios等[21]利用多尺度理论方法研究了一种新型3D碳纳米结构(柱状石墨烯)的储氢能力,这种柱状多孔纳米结构的孔径及表面积是可调的,高表面积与适当大小的孔径尺寸是其储氢能力的关键参数。进一步研究表明,掺杂锂离子之后,室温条件下,柱状石墨烯的储氢能力高达41g/L。因此,石墨烯这种新材料的出现,为人们对储氢材料的设计提供了一种新的思路和材料。

3.2 石墨烯纳米复合材料

分子水平上制备的石墨烯纳米聚合物能够显著改善石墨烯的电导率及热导率。Ryan等[22]通过在石墨烯的悬浮液中直接还原AuCl-4离子,制备了石墨烯/金纳米复合材料,还原后的Au纳米粒子锚固在经油胺修饰的石墨烯片上,SEM表征说明Au纳米粒子在石墨烯片上的分散极好,有望在催化剂、磁性材料、光电材料等方面得到应用。Li等[23]发展了一种新颖的,可以直接、实时观测石墨烯在聚合物中相变的方法。他指出在未来石墨烯-聚合物复合材料的应用中,可通过在石墨烯中引入一定程度的缺陷帮助其维持在聚合物基质中,否则当温度高于聚合物的玻璃化温度时,复合材料会因石墨烯的卷曲和褶皱而失去其理想的光学、机械和高导电特性。该项研究工作对于探索二维原子晶体的热动力学特性具有重要的指导意义。

3.3 纳米电子器件

石墨烯具有很好的导电性,其廉价大规模生产可能会极大地促进石墨烯在高传导率集成电路方面的研究。石墨烯很有可能成为组建纳米电子器件的最佳材料,可能是下一代电子器件的替代品,用它制成的器件可以更小,耗能更低,电子传输速度更快。然而,Kyle等[24]的研究表明,石墨烯边缘的晶体取向会对其电性能产生相当重要的影响。结果显示,锯齿型边缘(zigzag edge)表现出了强边缘态,而椅型边缘(armchair edge)却没有出现类似情况。尺寸小于10nm、边缘主要是锯齿型的石墨烯片表现出了金属性,而不是先前预期的半导体特性。石墨烯与碳纳米管不同,它是平面结构,因此更适合传统芯片的制造工艺。但这项实验的结果表明,若要将石墨烯用于纳米电子器件,必须注重其边缘的工程控制,以获得统一的材料性能。在5nm大小的石墨烯片上,只要有一小段边缘是锯齿型的,就会将材料由半导体变为导体。

3.4 其它应用领域

与昂贵的富勒烯和碳纳米管相比,石墨烯价格低廉,原料易得,随着石墨烯制备技术的日益成熟,基于石墨烯的新材料不断被发现,极大地拓展了其应用领域。Elias等[25]用纯净的石墨烯和氢制备出了一种具有绝缘性能的二维晶体石墨烯衍生物石墨烷。该方法也同样适用于制备出其他基于石墨烯的超薄材料,这些新型超薄材料具有不同导电性能。未来的晶体管将会由纯净的具有高导电性的石墨烯和经过化学改进的具有半导体性能的石墨烯衍生物一起组成。Yang与Kaner[26]寻找到制造石墨烯和碳纳米管混合材料的新方法,该混合材料有望作为太阳能薄膜电池和家用电器设备的透明导体。他们表示,对于带有活动部件的电器设备,石墨烯和碳纳米管混合材料是铟锡氧化物理想的高性能替代品,完全可与目前常用的铟锡氧化物相媲美。石墨烯是一种良导体,在保证导电性的前提下混合材料中掺加碳纳米管的量非常少,因而石墨烯和碳纳米管混合材料是具有良好透明性、柔软性的导体。Yang与Kaner新开发的将两种材料混合的方法具有简易、廉价的特点,产品可满足多种需要材料具有柔软性的场合,如这种混合材料是高分子太阳能薄膜电池电极的理想候选材料。

4 结论

石墨烯以其独特的结构、性质及潜在的应用,越来越引起研究人员的广泛关注,已成为材料、化学、物理等众多领域研究的热点。综上所述,目前的制备技术存在石墨烯尺寸小且分布不均、难以批量生产以及性能难以精确控制等瓶颈问题;另外,现有的表征手段耗时、容易破坏石墨烯的晶格结构,也制约着石墨烯的进一步研究。因此,通过不同途径设计和批量制备大尺寸、层数和性能可控的石墨烯是下一步制备技术研究的重点;迅速发展石墨烯的精确表征技术,是石墨烯制备、性能和应用研究的迫切要求。

摘要：石墨烯由于其特殊的电学、热学、力学等性质以及在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用,引起了科学界新一轮的“碳”热潮。分析了近1年来发表在Science、Nature等期刊上的关于石墨烯的论文,对石墨烯制备、表征及应用方面的最新进展进行了综述,并对各种制备技术及表征手段进行了分析评价。

制备及研究 篇11

关键词 澳洲坚果 ；蛋白肽 ；抗氧化活性

中图分类号 F307.5

Abstract With macadamia pulp as raw material， the protein of macadamia nut through alkali extraction and acid precipitation， study on the technology of macadamia nut peptide prepared by papain. The effects of four processing conditions on the degree of hydrolysis were explored by single factor and orthogonal array design methods in order to optimize these conditions. Meanwhile，the antioxidant activity of macadamia nut peptide was evaluated by ABTS scavenging activity. Results showed that the order of the factors was as follows：hydrolysis duration>enzyme dosage>hydrolysis temperature>pH，the optimized macadamia nut peptide hydrolysis parameters was：hydrolysis at 60 ℃ for 4.0 h with enzyme dosage 200 mg/mL， hydrolysis buffer pH 9.0. The hydrolysis degree of macadamia nut protein was 64.01%，with 96.58% of the ABTS scavenging activity，it had strong antioxidant activity.

Key words macadamia nut ；peptides ；antioxidant activity

澳洲坚果（Macadamia ternifolia F. Muell.）别名澳洲核桃、夏威夷果等，属山龙眼科澳洲坚果属多年生常绿乔木[1-3]。澳洲坚果营养丰富，不含胆固醇，果仁含油量高（脂肪含量高达78 %以上），酥脆可口，是世界上品质上乘的可食木本坚果[4-5]，于20世纪60-70年代开始引入中国[3]，目前在中国广东、广西、云南及贵州等地均有种植[6]。随着澳洲坚果果树的大量栽种，资源越来越丰富，澳洲坚果产业已具备一定规模，但目前澳洲坚果的深加工产业发展比较滞后，主要用于榨油，榨油后会产生大量的澳洲坚果饼粕，其蛋白质含量较高（32.25 %），且含有17种氨基酸，总含量为25.05 %[7]。目前，澳洲坚果粕主要用于饲料加工，造成极大的浪费，因此，为了提高澳洲坚果粕蛋白的附加值，通过生物酶法技术制备蛋白肽是最有效的途径之一。

蛋白肽是由二个或二个以上氨基酸通过肽键连接而形成的化合物，因其组成和排列不同而形成了种类不同的蛋白肽，它是源于蛋白质的多功能化合物[8]。蛋白肽除具有易被消化吸收的特性外，还具有抗氧化、降血压、免疫调节等多种生理功能[9-10]。生物酶法技术制备蛋白肽与化学方法相比，具有产品安全性和营养价值高、反应条件温和等特点[11-12]。目前，已有少数学者利用碱性蛋白和中性蛋白酶来制备澳洲坚果蛋白肽[1，7]，但采用木瓜蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白来制备蛋白肽还未见报道。

本试验以澳洲坚果粕为原料，通过碱提酸沉得到澳洲坚果蛋白，以水解度为指标，研究木瓜蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白的工艺优化条件，同时，采用ABTS自由基清除能力来评价澳洲坚果蛋白肽的抗氧化活性，以期为澳洲坚果粕的高值化利用提供一条途径，同时也为澳洲坚果蛋白肽的应用提供科学的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 材料与试剂

澳洲坚果饼粕由中国热带农业科学院南亚热带作物研究所休闲加工厂提供；木瓜蛋白酶（活力≥4 000 U/mg）、丝氨酸（99.99 %）、ABTS（≥97 %）（阿拉丁化学试剂有限公司）；十水四硼酸钠、十二烷基硫酸钠、二硫苏糖醇、氢氧化钠、盐酸、过硫酸钾、无水乙醇均为分析纯（国药集团化学试剂有限公司）。

1.1.2 儀器与设备

AR224CN型分析天平（奥康斯仪器有限公司）；LXJ-IIB型高速离心机（上海安亭科学仪器厂）；BCD-539WT冰箱（青岛海尔股份有限公司）；HH-4型恒温水浴锅（江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司）；DHG-9013A鼓风干燥箱（嘉兴市中新医疗仪器有限公司）；100-1000 μL移液枪（德国Eppendorf公司）；BSXT-06型索氏提取器（上海比朗仪器制造有限公司）；ST40高速冷冻离心机[赛默飞世尔科技（中国）有限公司]；UV2700型紫外-可见分光光度计[岛津企业管理（中国）有限公司]；S210 Seven Compact pH计（梅特勒-托利多国际股份有限公司）；玻璃仪器。

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1.2 方法

1.2.1 蛋白质样品的制备

采用碱提酸沉法，工艺流程为：称取100 g澳洲坚果饼粕放入滤纸包中，用沸点为30-60 ℃的石油醚进行索氏提取6 h；取出晾干，按1：50（W：V）的比例加入蒸馏水，用1.0 mol/L NaOH调pH至9.0；于45 ℃水浴磁力搅拌2 h，以4 800 r/min离心過滤10 min，将上清液pH调至4.5，于4 ℃冰箱冷藏过夜；离心，水洗3次，冷冻干燥48 h，得到澳洲坚果粗蛋白，通过测定可知，其蛋白质含量为84.6 %。

1.2.2 澳洲坚果蛋白酶解液中蛋白肽含量的测定

澳洲坚果蛋白酶解液中蛋白肽的含量参照Pedroche等[13]和Nielsen等[14]报道的o-邻苯二甲醛法（OPA）进行测定。

标准曲线的绘制：准确称取0.100 0 g丝氨酸标准品，用蒸馏水溶解并定容至100 mL，得到1.0 mg/mL的丝氨酸标准溶液；采用逐级稀释法来配置浓度分别为400、300、200、100、50、20、10 μg/mL的丝氨酸标准使用液；取100 μL丝氨酸标准使用液，加入4.00 mL OPA试剂（称取3.81 g十水四硼酸钠、100 mg SDS、8 mg OPA、88 mg二硫苏糖醇，用蒸馏水溶解并定容至100 mL），充分混匀，在室温下放置5 min，在340 nm下测定吸光值。

澳洲坚果蛋白酶解液中蛋白肽的测定：取澳洲坚果蛋白酶解液100 μL，按上述操作测定。对照组：澳洲坚果蛋白用强酸充分水解后[8]，用上述操作测定其蛋白肽含量。澳洲坚果蛋白水解度按下列公式计算：

式中：DH—澳洲坚果蛋白水解度，%；A—澳洲坚果蛋白酶解液中蛋白肽含量，μg/g；B—充分水解的澳洲坚果蛋白中蛋白肽含量，μg/g。

1.2.3 澳洲坚果蛋白酶解制备蛋白肽单因素试验

（1）酶解时间对澳洲坚果蛋白水解度的影响。称取3.000 g澳洲坚果蛋白，将其溶解于100 mL蒸馏水中，用1.0 mol/L NaOH调节溶液pH值为8.0，加入100 mg/mL木瓜蛋白酶，在50 ℃条件下恒温酶解不同时间，测定不同酶解时间（0、10、30、60、120、240、300 min）对澳洲坚果蛋白水解度的影响。

（2）酶解温度对澳洲坚果蛋白水解度的影响。称取3.000 g澳洲坚果蛋白，将其溶解到100 mL蒸馏水中，用1.0 moL/L NaOH调节溶液pH值为8.0，加入100 mg/mL木瓜蛋白酶，在不同酶解温度条件下恒温酶解120 min，测定不同酶解温度（40、45、50、55、60、65、70、80 ℃）对澳洲坚果蛋白水解度的影响。

（3）加酶量对澳洲坚果蛋白水解度的影响。称取3.000 g澳洲坚果蛋白，将其溶解到100 mL蒸馏水中，用1.0 mol/L NaOH调节溶液pH值为8.0，加入不等量的木瓜蛋白酶，在50 ℃酶解温度条件下恒温酶解120 min，测定不等木瓜蛋白酶添加量（10、20、50、100、150、200、300 mg/mL）对澳洲坚果蛋白水解度的影响。

（4）酶解液pH值对澳洲坚果蛋白水解度的影响。称取3.000 g澳洲坚果蛋白溶解到100 mL蒸馏水中，用1.0 moL/L NaOH分别调节溶液pH值为4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，加入100 mg/mL木瓜蛋白酶，在50 ℃酶解温度条件下恒温酶解120 min，测定不同pH值对澳洲坚果蛋白水解度的影响。

1.2.4 澳洲坚果蛋白酶解制备蛋白肽正交试验

在用木瓜蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白制备蛋白肽单因素试验的基础上，分别选用酶解时间（A）、酶解液pH值（B）、加酶量（C）、酶解温度（D）共4个因素，每个因素选择3个水平，以水解度为指标，选用L9（34）进行正交设计来优化最佳酶解工艺条件。

1.2.5 澳洲坚果蛋白酶解液抗氧化活性的测定

ABTS自由基溶液的配制和抗氧化活性测定参照李瑞等[15]的方法，并作略微修改。

样品测定：取0.20 mL澳洲坚果蛋白酶解液，加入4.00 mL ABTS自由基工作液，室温下静置反应30 min，在734 nm下测定其吸光值，用无水乙醇调零，以蒸馏水作为空白对照。按下列公式计算其清除率：

式中：SA—ABTS自由基清除率，%；A—澳洲坚果酶解液清除ABTS自由基的吸光值；A0—对照组清除ABTS自由基的吸光值。

1.3 统计分析

采用SPSS 17.0软件对实验数据进行分析，结果均表示为均值±标准偏差；实验数据采用origin 8.0软件作图，所有结果均进行3次重复试验。

2 结果与分析

2.1 酶解时间对澳洲坚果蛋白水解度的影响

通过丝氨酸标准曲线的绘制，得出其线性回归方程为y=0.001 3 x+0.004 5[x为丝氨酸含量（μg/mL），y为吸光度，R2=0.999 8]。由图1可知，随着酶解时间的增加，澳洲坚果蛋白的水解度逐渐增加，在240 min达到最大值，之后趋于平缓，这可能是因为酶解前240 min内，木瓜蛋白酶活性高，酶解产物的抑制作用小，而4 h后随着酶解时间的增加，酶解液中蛋白肽和游离氨基酸含量逐渐增加，其产生的抑制作用增大，木瓜蛋白酶的活性因受到抑制而降低，水解度增加的幅度趋于平缓[16]，这与范方宇等[1]和郭刚军等[7]研究碱性蛋白酶和中性蛋白酶对澳洲坚果蛋白酶解的影响中，水解度随酶解时间的变化极其相似。综合各方面因素考虑，木瓜蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白的适宜时间为4 h左右，在此条件下澳洲坚果蛋白的水解度为56.46 %。

2.2 酶解温度对澳洲坚果蛋白水解度的影响

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由图2可知，酶解温度在35-60 ℃时，澳洲坚果蛋白水解度随着温度的升高而增加，当酶解温度超过60 ℃后，水解度随着温度的升高而降低，这可能是由于在一定的温度范围内，随着温度的升高，木瓜蛋白酶的催化活性增加，酶解能力增强，所以水解度逐渐增加，产生的澳洲坚果蛋白肽也增加；当超过最适酶解温度后，酶的催化活性因受到抑制而减弱，甚至有可能导致酶失活[17]。因此，木瓜蛋白酶酶解澳洲堅果蛋白的最适酶解温度为60 ℃左右，在此条件下水解度达到55.78 %。

2.3 酶解液pH值对澳洲坚果蛋白水解度的影响

由图3可知，随着酶解液pH值的增加，澳洲坚果蛋白的水解度逐渐增加，这可能是由于澳洲坚果蛋白在pH 4.0时溶解度较低，底物与酶接触不充分，而且过高或过低的pH值均会导致酶的空间结构破坏，使酶活性降低，甚至失活。在pH 8.0、pH 9.0时，澳洲坚果蛋白的溶解度较大，底物与酶接触比较充分，水解度增加。因此，木瓜蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白的适宜pH值为9.0左右，在此条件下水解度达到54.58 %。

2.4 加酶量对澳洲坚果蛋白水解度的影响

由图4可知，随着木瓜蛋白酶加酶量的增加，澳洲坚果蛋白的水解度逐渐增加，但水解度的增加幅度逐渐减弱，这可能是由于随着木瓜蛋白酶添加量的增加，增大了底物与酶的接触面积，从而促进了酶催化反应速率，所以水解度增加较快，但木瓜蛋白酶添加量超过最适加酶量后，没有足够的底物与过量的酶作用，导致蛋白水解度增加较缓[7]。因此，木瓜蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白的最适加酶量为200 mg/mL左右，在此条件下水解度达到57.67 %。

2.5 木瓜蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白制备蛋白肽正交试验分析

根据以上单因素实验，以水解度为指标，选择酶解时间（A）、酶解液pH值（B）、加酶量（C）和酶解温度（D）共4个因素进行L9（34）正交优化设计，确定木瓜蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白制备蛋白肽的最优工艺条件。正交试验设计见表1，正交试验结果见表2。

由表2可知，木瓜蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白制备蛋白肽的工艺中各因素对蛋白水解度的影响为：酶解时间>加酶量>酶解温度>酶解液pH值，其中酶解时间影响最为显著，其最优的工艺条件为A3B3C2D2，即酶解时间4.0 h、酶解液pH值9.0、加酶量200 mg/mL、酶解温度60 ℃。在此条件下进行了3组平行验证试验，其水解度平均值为64.01 %，优于正交试验的结果。张兴灿[18]采用木瓜蛋白酶酶解核桃蛋白来制备多肽，其水解度为14.67 %，并且本研究结果较范方宇等[1]利用碱性蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白制备多肽的水解度（52.50 %）高，说明利用木瓜蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白制备蛋白肽更为适宜。

2.6 木瓜蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白制备的蛋白肽抗氧化活性分析

ABTS自由基清除能力可用来评价物质抗氧化活性的强弱，ABTS自由基与物质反应后可使其溶液褪色，褪色越明显说明其抗氧化能力越强[19]。图5显示了木瓜蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白制备的蛋白肽以及不同浓度Vc和BHT对ABTS自由基的清除能力。由图5可知，澳洲坚果蛋白肽对ABTS自由基都有很强的清除能力，5.0 %的澳洲坚果蛋白酶酶解液对ABTS自由基的清除能力为54.73 %，且随着澳洲坚果蛋白酶酶解液浓度的增加，其清除能力也增强，100 %澳洲坚果蛋白酶酶解液对ABTS自由基的清除能力达到96.58 %，而100 μg/mL Vc和100 μg/mL BHT对ABTS自由基的清除能力分别为67.59 %和66.12 %。卢晓会[20]研究发现，菜籽肽及其分离组分对ABTS自由基清除效果较好，且其组分的相对分子质量越小，其清除能力越强；范方宇等[1]研究利用碱性蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白所得酶解液的抗氧化活性，发现其清除羟基自由基和超氧自由基的能力都较强。说明利用木瓜蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白制备的蛋白肽可用来开发一种高活性抗氧化肽。

3 结论

本研究采用木瓜蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白制备蛋白肽，并对其抗氧化活性进行评价。通过正交和验证试验发现其最优酶解条件为：酶解时间4.0 h、酶解液pH值9.0、加酶量200 mg/mL、酶解温度60 ℃，且各因素对澳洲坚果蛋白水解度影响次序为：酶解时间>加酶量>酶解温度>酶解液pH值，在此条件下澳洲坚果蛋白的水解度为64.01 %，其清除ABTS自由基的能力为96.58 %。本研究结果出现木瓜蛋白酶酶解澳洲坚果蛋白所得酶解液具有较强的抗氧化活性，但对于酶解液中的蛋白肽含量、氨基酸组成、蛋白肽分子结构及构效关系等未进行研究，后续将主要针对这些方面进行深入研究。

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水杨醛制备及应用研究进展 篇12

关键词：水杨醛,合成,应用

水杨醛, 化学名称为邻羟基苯甲醛, 其分子量为122.12, 是一种无色或浅褐色油状液体, 具有杏仁味。其沸点196.5℃, 熔点-7℃, 折光率 (d420) 1.165~1.168, 闪点76℃, 易溶于醇、醚, 微溶于水。水杨醛是一种用途极广泛的精细化工产品, 广泛用于农药、医药、香料、螯合剂、染料中间体等的合成上。

一、水杨醛合成研究综述

目前, 合成水杨醛的方法很多。在众多的合成方法当中, 一些已被淘汰, 另一些被运用于工业生产。从原料角度看主要分为四类:以苯酚、邻甲酚、水杨酸和水杨醇为原料;从反应机理分类主要分为:氧化法和还原法两类。当然, 水杨醛还可以由氧化羟基苦杏仁酸得到以及从绣绒菊等植物中提取。这里, 我们按照合成原料的不同对水杨醛制备方法分别进行概述。

1. 以苯酚为原料。

(1) 苯酚相转移催化法。

应用Rei mer-Ti emann法 (简称R-T法) 反应合成水杨醛是工业上较普遍采用的方法。由于邻位产物的产率较低, 故水杨醛收率不高, 一般只有20%~30%, 且反应速率较慢, 效果差。改进的R-T法是在反应体系中加入相转移催化剂, 把传统的非均相反应变为均相反应, 以便加快反应速率。

虽然R-T法线路简单、条件温和、原料廉价易得, 但是产率太低且含有大量含酚废水, 环境不友好。可见, R-T法无论从经济角度还是环境角度都不利于工业规模生产。

(2) 甲醛法。

甲醛法和R-T法一样都是要实现在苯酚的羟基邻位上引入一个醛基。这种方法存在产率不太高、需要贵金属催化剂且有含酚废水等缺点。后来人们进行了一些改进, 改进后的方法其反应体积小且产品易提纯, 不过它也同样存在使用贵金属催化剂和环境不友好的问题。

2. 以邻甲酚为原料。

(1) 光气法。

光气法是以邻甲酚为原料, 光气侧链氯化后水解得到水杨醛。该法由于存在光气、危险大、环境极不友好以及后处理工序麻烦等缺点, 故较少采用。

(2) 三氯氧磷法 (拉西格法) 。

邻甲酚与三氯氧磷在氧化镁存在下进行酯化反应, 三氯氧磷法生产水杨醛操作稳定, 设备简单, 产品质量高, 其质量分数可达95%, 收率达70%以上, 但该方法也存在生产成本较高, 关键工序酯化深度不易控制, 消耗的POCl3和Cl2对设备造成腐蚀, 存在较大环境污染问题。

3. 以水杨酸为原料。

(1) 水杨酸直接电解法。

有报道, 在苯胺或盐酸调节p H值为5.8~6.2。电解还原水杨酸来制造水杨醛, 收率可达60%左右。焦丽芳等用阴离子交换膜, 以Hg为阴极, Pb合金为阳极, 由水杨酸电解还原制水杨醛, 实际产率达到了80%以上。此化学方法因其对环境污染小, 副反应小, 产品纯度高, 工艺简单等特点使其已用于工业生产, 并有了一定规模, 但是成本高, 经济效率不高。

(2) 水杨酸催化加氢法。

水杨酸催化加氢法目前还处于探索和实验阶段, 但是可以肯定的是该方法是非常环境友好、非常经济和具有较高原子利用率的一种。

4. 以水杨醇为原料。

以水杨醇为原料制水杨醛主要有水杨醇液相催化氧化法和电氧化法。目前国外就有用Au/Fe2O3作催化剂催化氧化水杨醇制水杨醛的报道。关于电氧化法, 目前的报道是在相转移催化剂下, 用双媒质体系电氧化水杨醇可以制备水杨醛, 其产率为75.4~87.5%, 电流效率达60.2~75.8%。这些方法虽然适合工业化, 但是成本高。

二、水杨醛的绿色合成方案

通过对以苯酚、邻甲酚、水杨酸和水杨醇四种物质为原料的合成方法的介绍和分析比较, 可以看出, 真正理想、经济的合成水杨醛的绿色化学方法是水杨酸催化加氢法。

此种方法可采用无毒无污染固体催化剂, 以分子氢直接氢化芳香羧酸为芳香醛。此流程特点是收率高, 产品纯度高。需要解决的关键问题是无毒无污染固体催化剂的选择、制备和循环利用。当然, 水杨醛合成技术今后的研究方向仍然是在考虑环境因素条件下的高收率、高选择性的无氯水杨醛制备技术的开发研究。

三、水杨醛的应用研究进展

水杨醛是苯甲醛最重要的衍生物之一, 全世界每年的生产总量为4000~6000吨。由于它有令人愉快的香气, 因而大量的水杨醛被用作制造香豆素和食用香料的原料。此外, 水杨醛也广泛应用于工农业领域。

参考文献

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