一种用过氧化物酶处理难降解氧化石墨烯的方法与流程

1.本发明涉及降解氧化石墨烯领域，尤其涉及一种用过氧化物酶处理难降解氧化石墨烯的方法。


背景技术：

2.由于氧化石墨烯的广泛应用，目前相关的研究已经证实它会暴露在环境中，从而进入人体，引起相应的毒性。此外，由于氧化石墨烯的六元碳环骨架结构，目前的工业处理方法都难以降解氧化石墨烯，而是直接排放至环境或海洋中，而且其持久性极强，容易长期积累在环境中。氧化石墨烯的侧向尺寸、厚度(或层数)、氧化程度和表面的官能团都会影响其生物相容性。举例而言，在生殖系统中，氧化石墨烯由于表面的羟基会粘附、包裹斑马鱼胚胎的绒毛膜，从而造成胚胎发育中的dna损伤；在呼吸系统中，氧化石墨烯会引发炎症、激活细胞的凋亡途径，从而导致严重的持续性肺损伤；在代谢系统中，氧化石墨烯会在转录和生遗传水平上引起肝小叶细胞的无序带状配列。为此，为了避免氧化石墨烯的继续对人类和环境的暴露，有必要开发一种安全、高效的处理难降解氧化石墨烯的方法。
3.目前碳材料最常见的降解方法主要有化学降解和生物降解。
4.化学降解法虽不尽相同，但其基本原理是在环氧基团转变为羰基的过程中，使得氧化石墨烯的碳
‑
碳键(c
‑
c)断裂，形成小的碳颗粒，如纳米尺度的氧化石墨烯量子点。氧化石墨烯量子点的水溶性较好，且生物毒性低。以下为化学降解法的详细介绍：
5.水热法。hiroyuki等人报道了一步水热法将氧化石墨烯降解为石墨烯量子点，将氧化石墨烯废液与氨水溶液混合并搅拌30分钟后，在70至150℃环境下加热5小时(optically tunable amino
‑
functionalized graphene quantum dots[j].adv.mater.,oct 9,2012,24(39):5333
‑
5338)。随后，通过0.22μm的纳米多孔无机膜过滤去除不能溶解的大碎片沉淀，即可得到石墨烯量子点。该方法为一步水热法，方法较为简单，但是裂解的产率较低，难以进一步推广。另外，还有微波辅助水热法，即将氧化石墨烯废液加入到浓硝酸和浓硫酸混合物(体积比为4:1)中，在微博辐射下加热和回流5小时，冷却后使用声波超声，将沉淀物过滤后即可裂解为石墨烯量子点(a facile microwave avenue to electrochemiluminescent two
‑
color graphene quantum dots[j].adv.funct.mater.,jul 24,2012,22(14):2971
‑
2979)。
[0006]
酸氧化法。peng等人利用浓酸氧化且裂解铝沥青基碳纤维(carbon fibers,cf)，可以大规模将其转化为石墨烯量子点，将碳纤维溶解在浓硫酸与浓硝酸的混合液(体积比为3:1)中，再进行两小时超声后在高温下加热搅拌24小时，反应溶液等待冷却后再利用碳酸钠兑成中性溶液，即可得到不同尺寸的石墨烯量子点(hydrothermal route for cutting graphene sheets into blue
‑
luminescent graphene quantum dots[j].adv.mater.,feb,2010,22(6):734
‑
)。dong等人则是将性质稳定的碳黑放入浓硝酸溶液中，反应结束冷却到常温后，将悬浊液离心后即可获得上层清液和下层沉淀，上层清液在200℃加热后为红棕色的石墨烯量子点；而下层沉淀经过盐酸清洗后，也可得到碳纤维裂解
的单层石墨烯量子点(one
‑
step and high yield simultaneous preparation of single
‑
and multi
‑
layer graphene quantum dots from cx
‑
72carbon black[j].j.mater.chem.,2012,2012,22(18):8764
‑
8766)。
[0007]
芬顿(photo
‑
fenton)反应法。该反应利用紫外灯和铁离子(fe
3
)/h2o2体系将氧化石墨烯降解为纳米尺寸的石墨烯量子点，将氧化石墨烯水溶液和30％的h2o2及fecl3混合，将ph调节至ph＝4。将反应容器密封后，100瓦长波的紫外灯持续放置在反应容器6厘米处，经过3天时间的处理，氧化石墨烯和中间产物不再以高丰度存在，而是降解为石墨烯量子点(insight into the mechanism of graphene oxide degradation via the photo
‑
fenton reaction[j].j.phys.chem.c,may 15,2014,118(19):10519
‑
10529)。
[0008]
生物降解，利用生物降解的过程绿色环保，以下主要讨论微生物降解和酶促降解两种方法。
[0009]
微生物降解。zhang等人报道了在其它有机碳源的存在下，混合菌群可将碳纳米管(carbon nanotubes,cnt)降解为二氧化碳和芳香化合物分子(degradation of multiwall carbon nanotubes by bacteria[j].environ.pollut.,oct,2013,181 335
‑
339)。schreiner等人利用白腐真菌降解富勒烯(fullerene)，能够在32周的培养后，将其转化为二氧化碳和白腐真菌生物质(white
‑
rot basidiomycete
‑
mediated decomposition of c
‑
60fullerol[j].environ.sci.technol.,may 1,2009,43(9):3162
‑
3168)。liu等人研究发现从石墨矿中分离的萘降解细菌能够降解石墨烯材料，当细菌和石墨烯材料接触后，石墨烯材料可以发生电子传递，材料的孔洞增多，尺寸减少，显示出降解的迹象(oxidation and degradation of graphitic materials by naphthalene
‑
degrading bacteria[j].nanoscale,2015,2015,7(32):13619
‑
13628)。
[0010]
酶促降解。目前为止，降解碳材料的酶有来源于植物辣根的辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase,hrp)，和来自真菌的木质素过氧化物酶(lignin peroxidase,lip)等。辣根过氧化物酶是一种含亚铁血红素的蛋白质，是由酶蛋白和铁卟啉结合而成的糖蛋白，它被报道可以降解氧化单壁碳纳米管。木质素过氧化物酶由白腐真菌产生，也是植物细胞壁中的纤维素的组分。它能够降解碳材料的原理和辣根过氧化物酶有些类似，其含三价铁离子fe
3
和卟啉环，是真菌分泌的一种含铁血红素的糖基化细胞外蛋白过氧化物酶。可利用h2o2发生催化反应，在反应中聚合物芳香环断裂，形成氧化侧链和芳香残留物。
[0011]
但以上方法都存在缺点：
[0012]
1、水热法处理较为繁琐，对处理的工艺和设备、和操作人员有较高的要求，且转化效率很低，限制了水热法真正应用到工业处理。
[0013]
2、酸氧化法的应用广泛，原料便宜，但在处理流程中存在污染的情况，不利于推广使用。
[0014]
3、芬顿反应法较为绿色环保，而且效率较高、操作简便、原料便宜，但无法大规模应用在废液处理上。
[0015]
4、微生物降解的效率较好，但其反应条件苛刻，难以在工业上维持反应过程，且周期长，一般需要持续数月。


技术实现要素：

[0016]
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何开发一种安全高效、绿色环保、催化活性高、操作简单的降解氧化石墨烯的方法
[0017]
为实现上述目的，本发明提供了一种用过氧化物酶处理难降解氧化石墨烯的方法，包括以下步骤：
[0018]
步骤1、在灭菌容器内，将过氧化物酶重悬于缓冲溶液中，加入氧化石墨烯溶液；
[0019]
步骤2、静置后加入氯化钠溶液，二乙基三胺五乙酸溶液和含有羟基自由基(
·
oh)的溶液；
[0020]
步骤3、放入37℃的无菌培养箱孵育，每隔固定时间在所述灭菌容器内滴加所述含有羟基自由基(
·
oh)的溶液，每隔固定时间在所述灭菌容器内加入所述过氧化物酶。
[0021]
进一步地，步骤1所述过氧化物酶通过可渗透膜重悬于缓冲溶液中。
[0022]
进一步地，步骤1所述过氧化物酶为髓过氧化物酶。
[0023]
进一步地，步骤1所述髓过氧化物酶加入质量为10g，氧化石墨烯溶液加入质量为100g。
[0024]
进一步地，步骤2所述含有羟基自由基(
·
oh)的溶液为过氧化氢溶液。
[0025]
进一步地，所述过氧化氢溶液的加入量为100mmol。
[0026]
进一步地，步骤2所述氯化钠溶液的加入量为1mmol。
[0027]
进一步地，步骤2所述二乙基三胺五乙酸溶液加入量为100mmol。
[0028]
进一步地，步骤3所述过氧化物酶为每隔12小时加入2g。
[0029]
进一步地，所述过氧化氢溶液为每隔3小时加入100mmol。
[0030]
本发明技术效果如下：
[0031]
1)高效。本发明使用的处理体系能够在24小时以内高效降解氧化石墨烯，将微米级尺寸的氧化石墨烯片降解为纳米级、或小分子化合物，由其他酶促反应需要的数月时间大大缩短了降解时间，仅需要24小时。
[0032]
2)安全。经本发明处理后，氧化石墨烯降解为小分子化合物，该化合物的生物相容性好，对环境和人体都没有毒性。
[0033]
3)绿色环保。本发明使用的材料对环境无毒无害，制备工艺绿色环保。
[0034]
4)催化活性高。使用髓过氧化物酶，催化活性高于其他酶促反应，能够高效降解氧化石墨烯，且使用很小体系的酶可以降解高浓度的氧化石墨烯。因此，氧化石墨烯废液的浓度未知的情况下，仍然可以使用本发明对废液进行处理。
[0035]
5)操作简单。本发明对操作人员友好，反应条件温和可操作，可以维持降解反应过程。
[0036]
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0037]
图1是本发明的一个较佳实施例过氧化物酶/h2o2/cl
‑
体系处理难降解氧化石墨烯示意图；
[0038]
图2是本发明的一个较佳实施例过氧化物酶/h2o2/cl
‑
体系处理的氧化石墨烯溶液
的颜色变化示意图；
[0039]
图3是本发明的一个较佳实施例过氧化物酶/h2o2/cl
‑
体系处理的氧化石墨烯的透射电子显微镜照片；
[0040]
图4是本发明的一个较佳实施例过氧化物酶/h2o2/cl
‑
体系处理的氧化石墨烯的拉曼光谱图片；
[0041]
图5是本发明的一个较佳实施例过氧化物酶/h2o2/cl
‑
体系处理的氧化石墨烯的x射线光电子能谱。
具体实施方式
[0042]
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0043]
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
[0044]
实施例1
[0045]
1、如图1所示，取10克的髓过氧化物酶重悬于磷酸盐缓冲溶液中，加入100克的氧化石墨烯溶液(终浓度为100g
·
l
‑1)。
[0046]
2、在灭菌的容器内静置20分钟后，在管内加入1mol的氯化钠溶液，100mmol的二乙基三胺五乙酸(diethylene triamine pentaacetic acid,dtpa)溶液和100mmol的过氧化氢溶液。
[0047]
3、将上述溶液放入37℃的无菌培养箱孵育。每隔3小时在容器内滴加100mmol过氧化氢溶液，每隔12小时加入2g mpo(髓过氧化物酶)，观察溶液的颜色变化判断是否发生降解。
[0048]
4、如图2所示，在24小时后，容器内溶液颜色变为无色的澄清透明溶液。如图3所示，此时氧化石墨烯已经完全被降解为生物相容好的小分子化合物。如图4所示，经本发明处理后的氧化石墨烯的拉曼光谱特征峰随着降解过程在变弱。如图5所示，经本发明处理的氧化石墨烯的x射线光电子能谱结果，a图为氧化石墨烯的能谱图，b图为氧化石墨烯和髓过氧化物酶的能谱图，c图为降解12小时的能谱图，d图为降解24小时的能谱图，氧化石墨烯的吸收峰在减弱。
[0049]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。