酸化鉄ナノ粒子：バッチまたはクロマトグラフィー生体分子分離用の多層カーボンナノチューブ複合材料

はじめに

1991年に飯島がカーボンナノチューブ（CNT）を最初に合成して以来[1]、最も強力なナノ材料の1つへの比類のない上昇が始まりました。 CNTの製造は、グラフェン層をチューブに圧延することに基づいています。 CNTの電気的および機械的特性は、層または多層アセンブリのさまざまなコンフォメーションによって簡単に調整できます。ナノテクノロジーの先頭に立つ高い比表面積の位置CNTと組み合わされた高い弾性、安定性、熱および電気伝導率[2]。 CNTの用途は、バッテリー、センサー、高性能材料からドラッグデリバリーや廃水処理まで多岐にわたります[2、3、4、5、6、7、8、9]。多くのアプリケーションは、高い比表面積と定義された化学構造を持つCNTの独自の収着特性に基づいています。 LongとYangは、ガスのジオキサンと窒素酸化物の強い吸着挙動を観察しましたが、硫黄酸化物は中程度に結合し、二酸化炭素はCNTにほとんど結合しませんでした[10]。 CNTの高度に疎水性の表面は、ファンデルワールス相互作用を介して非極性ポリマーまたは環状炭化水素を結合する可能性を可能にします。したがって、CNTは疎水性相互作用クロマトグラフィー（HIC）樹脂として使用できます。これは、クロマトグラフィー樹脂としてCNTを使用することでディカンバ除草剤を精製できたBiesagaとPyrzynskaによって実証されました[11]。電気化学的に変調されたクロマトグラフィーアプリケーションおよび電位スイッチによるイオン交換の制御の場合、CNTは非常に有望な固定相材料です[12、13]。さらに、非極性化合物の抽出材料としての用途が実証されています[14]。ただし、CNTの凝集は、抽出プロセスの効率を低下させる可能性があります[15、16]。超常磁性酸化鉄ナノ粒子（SPION）も、廃水処理や医療におけるいくつかの用途が示すように、興味深い吸着特性を備えています[17、18、19]。廃水処理では、酸化鉄ナノ粒子が例えば低コスト、高い比表面積、および錯化特性による重金属の除去[20]。医学では、酸化鉄は、磁気共鳴画像法の造影剤として、薬物送達剤として、または温熱療法の用途に使用できます[19、21]。したがって、これら2つの材料を混合して、それらの有益な特性を組み合わせるのは非常に興味深いことです。特に、CNTの導電率とSPIONの超常磁性は、多くのアプリケーション分野で価値があります[22]。アプリケーションには、例えば、染料および医薬品の磁気固相抽出[23、24、25、26]。大きな比表面積の基本的な要件は、固相抽出と液体クロマトグラフィーの場合と同様です。したがって、この材料をクロマトグラフィー分離プロセスへの適合性に向けてテストしたいと考えています。 CNTをSPIONで装飾すると、表面の両親媒性により、CNTの分散性とリサイクル性が向上する可能性があります[27]。したがって、複合材料は、CNTと酸化鉄の混合モード機能を統合します。さらに、装飾はこの材料の磁気的および電気的特性に影響を与えます[17、18、28、29、30、31、32]。さらに、SPIONの超常磁性により、複合材料で磁気分離が可能です[33]。アジャヤンと飯島は、チューブにナノ粒子を充填することにより、SPIONとCNTの混合を開始しました[34]。他の可能性には、ポリマーリンカーまたは乳化剤を介したCNTへのSPIONの結合が含まれます[20、35、36]。酸化鉄ナノ粒子のソルボサーマル合成と多層CNTへの直接付着によっても装飾が可能です[37、38]。現在、CNTをSPIONで装飾するための一般的な方法は、ここでも、SPIONを合成または適用してCNTをコーティングする前に、CNTの酸性カルボキシル化を使用することです[39、40]。通常、酸化鉄ナノ粒子はカルボキシル化CNTによってシードされ、表面で直接フェントン反応によって共沈または合成することができます[32、41、42]。カルボキシル化は炭素表面上のSPIONの接触点を提供しますが、酸性処理はナノチューブの切断につながる可能性があります[43]。 SPIONとCNTの最初の組み合わせ以来、複数のアプリケーションがテストされてきました。合成における最も困難な側面は、均質な複合材料を生成するために酸化鉄ナノ粒子の凝集を制御することです[36、43、44]。共沈プロセス用の酸化鉄シードの天然リガンドとしてカルボキシ基を使用することは、強い凝集効果を防ぎ、非常に装飾されたナノチューブベースの材料を作成するための最良の方法のようです[32]。したがって、カーボンナノチューブの付着と装飾には、確立された酸化鉄合成ルートを使用しました[45、46]。酸化鉄ナノ粒子のCNTへの結合を改善するために、さまざまな酸処理によるCNTの表面修飾を調査しました。磁性ナノ粒子は修飾されたCNTと混合され、得られた材料は徹底的に特徴付けられます。以前の研究では、有機化合物を分離するための抽出マトリックスなどの材料の適合性が実証されました[47]。得られた材料をクロマトグラフィー樹脂として使用することを調査し、分析物としてのアミノ酸の結合挙動を研究します。この作業は、合成された材料の濡れ挙動と、材料が固定相として使用されるクロマトグラフィーの結果との関係を強調しています。さらに、私たちの研究は、材料の表面特性を説明するためのクロマトグラフィーの使用を強調し、材料の特性評価と将来の相互作用挙動の理解のための方法論としてクロマトグラフィーを活用する方向性を提供します。

実験的

資料

カーボンナノチューブ（Baytubes C 150 P）は、ドイツのBayer Materials ScienceAGから入手しました。塩化第二鉄（FeCl ₃ ・6H ₂ O）および水酸化ナトリウム（NaOH）は、ドイツのAppliChemGmbHから購入しました。塩化第一鉄（FeCl ₂ ・4H ₂ O）ドイツのBernd KraftGmbHから購入しました。塩酸、硝酸、過酸化水素、硫酸はSigma-Aldrichから入手しました。すべての材料は入手したまま使用しました。

カルボキシル化CNT（cCNT）の準備

CNT（10 g）を濃硝酸（67％）と硫酸（98％）（1：3 v / v）の混合物に懸濁し、室温で18時間撹拌しました。反応を停止させるために、生成物を脱イオン水で総量２Ｌに希釈した。カルボキシル化されたＣＮＴは、ペーパーフィルターで液体から分離され、ｐＨ７に達するまで洗浄された。得られたcCNTを60°Cで一晩乾燥させました。

cCNTでのSPIONの共沈

MNPによるcCNTの装飾については、Baykal etal。によって説明されているのと同様のアプローチ。 2013年が選ばれました[32]。チューブを解凝集させるために、乾燥したcCNT（2 g）を800mLの脱イオン水中で超音波処理しました。懸濁液を室温に保持し、350rpmで撹拌し、14gのFeCl ₃ と混合した。 6 H ₂ Oおよび5.2g FeCl ₂ 4H ₂ O.水酸化ナトリウム（2 mol L ^-1 ）をｐＨ９．５に達するまで懸濁液に加えた。 30分後に反応を停止し、固体を濾過した。 SPIONで装飾されたcCNTは、さらに分析する前に、凍結乾燥機Alpha 1–2 LDplus（Martin Christ Gefriertrocknungsmaschinen GmbH）で凍結乾燥されます。

メソッド

透過型電子顕微鏡（TEM）

少量の乾燥ナノチューブを脱イオン水に懸濁し、ブランソンソニフィケーションで解凝集させました。懸濁液をTEMグリッド上に沈殿させ、JEOL100CXで分析しました。顕微鏡写真を分析し、各写真で最低100個の粒子を数えました。

X線回折（XRD）

乾燥したサンプルは、MoKα（λ）を備えたStad​​i P回折計（STOE＆Cie GmbH、ドイツ）で測定しました。 =0.7093Å）透過ジオメトリのソース。データは2°から50°（2ϴ）の範囲で収集されました。ソフトウェアパッケージSTOEWinXPOW（STOE＆Cie GmbH、ドイツ）は、インデックス作成と改良の目的で使用されました。半値全幅と⟨220⟩反射の位置を使用して、シェラーの式に従って一次粒子の直径を決定しました。球状粒子と一致する0.89の係数が選択されました。

X線光電子顕微鏡（XPS）

X線光電子分光法は、単色化されていないAlKα源（1486.7 eV）をホストする超高真空（UHV）のLeybold–Heraeus LHS 10XPSシステムを使用して達成されました。粉末サンプルは、真空対応の銅箔粘着テープに固定されました。スペクトルは、100 eVに設定されたコンスタントパスエネルギーモードで記録され、半値全幅（FWHM）は約1.1eVでした。 C 1 s C 1 s のエネルギースペクトルとして、不定炭素に対応する（284.5 eV）ピークを使用しました。; O 1 s およびFe2 p 統計的ノイズを低減するために、同じ領域を30回繰り返しスキャンすることによって領域を取得しました。すべてのスペクトルは、5×10 ^-8 未満の圧力でUHVで記録されました。 mbar。コアレベルのスペクトルは、ガウス関数とローレンツ関数の組み合わせ（ガウス線幅（0.7 eV）とローレンツ線幅（0.3 eV））によって適合されました。

張力測定

CNT、cCNT、およびcCNT-SPIONの接触角は、KrüssT100MK3張力計で測定されました。したがって、高さ2 cmのナノチューブの充填層は、すべてのサンプルで均一に圧縮されました。充填層の毛細管現象は、n-ヘキサンの拡散によって決定されました。接触角は、液体のジヨードメタン、ジメチルスルホキシド、エチレングリコール、グリセリン、および脱イオン水で測定しました。自由表面エネルギーは、OWRK（Owens WendtRabelandKälble）法[48]を使用して計算されました。

吸着実験

pH 7.8の100mMリン酸緩衝液中のさまざまな濃度のl-リジンの吸着等温線を、SPION、cCNT、およびcCNT-SPIONを使用して実施しました。アミノ酸を吸着剤とともに24時間インキュベートし、25°Cで激しく振とうしました。さまざまな濃度のアミノ酸を1g L ^-1 とインキュベートしました。 cCNTまたはcCNT-SPIONの2g L ^-1 スパイ。上澄み濃度は、カヨット法に基づくアッセイによって決定された。この方法は、pH8.5のTNBSAでアミノ酸を修飾した後の420nmでの測光検出に基づいています[49]。

クロマトグラフィー実験

CNT、cCNT、およびcCNT-SPIONの動的結合容量（DBC）は、両側から調整可能で25 µmのPEフリットを備えた直径6.6 mmのクロマトグラフィーカラム（Omnifit）を使用して決定しました。すべてのサンプルは、6〜8 cmの高さに達するまで、流れる水の下で動的に梱包されました。クロマトグラフィー実験は、0.3 mL min ^-1 の流量で実施しました。 。理論段数（HETP）に相当する高さとデッドタイムは、修正されたファンデームテル方程式に従って1 MNaCl溶液で決定されました。\（\ text {HETP} ={{L}} \ frac {{\ sigma} ^ {2}} {{\ mu} ^ {2}} \）; L は列の長さ、σ クロマトグラフィーのピークとμの分散を表します 最初のピークの瞬間です。さらに、実験を行う前に、充填カラムの非対称性を10％のピーク高さで評価しました。\（{{A}} _ {{s}} =\ frac {{b}} {{{a}}} \ ）; a ピークの最大値と b で割ったピークの前部の幅を表します 後部の幅。さまざまなアミノ酸（グリシン、l-リジン、l-ヒスチジン、l-グルタミン酸、およびl-システイン）のDBCを計算するために、溶液をHClまたはNaOHを使用してpH6で10mMに調整しました。アミノ酸は、200nmのダイオードアレイ検出器で検出されました。カラムを30mLの水で洗浄した後、15 mLのアミノ酸溶液をロードし、20 mLの水で洗浄した後、20mLの1M NaClで溶出し、20mLの水の別の再生ステップを行いました。動的結合容量は、ピーク最大値の10％で測定されました。すべての実験は3回実施されました。

結果と考察

多層カーボンナノチューブは非常に疎水性であるため、極性酸化鉄ナノ粒子と強く相互作用しない傾向があります。 CNTをより極性にし、酸化鉄との相互作用を可能にするために、表面を硝酸と硫酸で処理しました。この処理により、表面欠陥や帯電した表面基が生成され、シードナノ粒子の共沈および酸化鉄ナノ粒子の結合部位として機能します。欠陥部位を生成するためのいくつかの方法と薬剤が、ラマン分光法でテストおよび分析されました（追加ファイル1：図S1）。ラマン分光法により、欠陥バンドの比率（ D ）グラファイトバンド（ G ）[41、42、50、51]。 G の積分の比率 D へ 帯域は使用するレーザー波長に依存します[52]。ただし、この比率の増加は通常、ナノチューブ表面の酸化の良い指標であり、したがってCNTの表面修飾の最良の方法を特定するための良い指標です[52、53、54、55]。私たちの結果は、 D の比率が非常に高いことを示しています。 ： G ナノチューブ懸濁液の硝酸処理後、硝酸と硫酸の混合により、この比率がわずかに増加します（追加ファイル1：表S1）。さらなる実験では、硝酸と硫酸の混合物で処理されたCNTのみが使用されました。これは、実験と文献[54]に従ってクロマトグラフィーカラムに充填できるナノチューブをもたらす最も再現性の高い方法でした。これらのナノチューブは、カルボキシル化CNT（cCNT）と呼ばれます。

cCNTの存在下での共沈によって合成された酸化鉄ナノ粒子は、cCNTなしで同様に合成された粒子と同様にわずかに大きい平均サイズのSPIONを生成します（図1c）。ただし、サイズ分布は5〜20 nmの範囲で広く、cCNTで合成された粒子はナノチューブに付着しています。合成された複合材料は、主に酸化鉄ナノ粒子の特性を備えており、均一に装飾されています。ダークスポットとして存在する酸化鉄ナノ粒子によるcCNTの装飾は、透過型電子顕微鏡で観察でき、文献[32、36、37、38]とよく一致しています。私たちの結果は、ナノ粒子のより大きな凝集体が画像で観察できないため、cCNTにSPIONが均一に負荷されていることを示しています（図1b）。

cCNTのTEM画像（ a ）およびcCNT-SPION（ b ）。 4つの画像からのサイズ分布と各素材の画像あたり最小30個の粒子の数 c

室温での磁化測定は、67 emu g ^-1 の飽和磁化を持つ超常磁性複合材料を示しています。 磁気残留物はありません（<1emu g ^-1 ）。飽和磁化は純粋な裸の酸化鉄ナノ粒子よりわずかに低く、ヒステリシス曲線の形状は似ています（図2）[45、56、57]。したがって、SPIONとcCNT-SPIONの複合材料の表面層とコアの組成は類似しています[57]。複合材料の結晶学的分析は、マグネタイトまたはマグヘマイトのいずれかに対応するスピネル構造を示していますが、CNTの結晶構造は観察できません（図2b）[37、57]。 CNTおよびcCNTで発生する11.8°の信号は、六角形のグラファイト構造の⟨002⟩反射としてインデックス化できます[17]。酸化鉄ナノ粒子でcCNTを装飾すると、反射が発生します。⟨111⟩at5.4°⟨220⟩at13.7°、⟨311⟩at16.1°、⟨400⟩at19.4 、⟨422⟩at23.8°、⟨511⟩at25.3°および⟨440⟩at25.6°[29、41]。これらの反射は、立方晶相Fe ₃ の標準XRDデータと一致しています。 O ₄ （JCPDSno。89-4319）面心立方構造と独自の参照SPION [17、32]。複合材料の反射は、FWHMが大きくなり、結晶性材料のシェラー直径が小さくなることを示しています。この挙動は、TEMで観察された複合材料のより大きな粒子サイズ分布、およびcCNTの表面上の追加の核形成シードによって説明できます[46]。核生成シードの数が多いと、通常、一次結晶子が小さくなります[36、46]。磁化と回折パターンは、ポリエチレンイミンやポリアクリレート酸による静電修飾などの他の装飾方法とよく一致しています[18、22]。グラファイトに対応する反射の強度は、純粋な材料と複合材料で類似しており、大きな変化は見られません。ただし、酸化鉄構造に対応する反射の強度は、はるかに強い信号を示します。

300 Kで-50,000〜50,000OeのSQUIDで得られた磁気ヒステリシス曲線（ a ）およびMoKα源（ b ）で得られたcCNT-SPION、cCNT、CNT、およびSPIONの粉末XRDパターン ）

したがって、複合材料はカーボンナノチューブと磁性ナノ粒子の特性を兼ね備えています。非常に表面に敏感な方法であるX線光電子分光法は、cCNTへの酸化鉄の付着を示しています（追加ファイル1：図S2）。ここでは、F 2 p 以降、マグネタイトおよび/またはマグヘマイトが存在します。 ^3/2 cCNT-SPIONのバンドは、711eVおよびFe2 p で最大値を示します。 ^1/2 は724eVで最大値を示します[37、57]。シェイクアップ衛星の形状も、赤鉄鉱ではなく磁鉄鉱の存在を示しています[57、58]。 O 1 s 領域はC–O、およびCOO ⁻ を示します cCNTとcCNT-SPIONの両方の結合。一方、複合材料は529.5 eVで別のバンドを示します。これは、Fe–O結合の存在に対応します[37、41]。 O 1s領域の炭素と酸素の結合は、C 1 s の観察結果とよく一致しています。 領域。これは、異なる酸化炭素種も示します（図3）。ここでは、カルボキシ基（289 eV）だけでなく、他のC–O結合（286–287.5 eV）および sp ² CNTのバックボーン構造からの炭素に対応する混成炭素（284.5 eV）を観察することができます[41、51]。

C 1 s の範囲のXPスペクトル cCNTの数（ a ）およびcCNT-SPION（ b ）。スペクトルは、プログラムOrigin

でガウス関数とローレンツ関数の組み合わせに適合しています。

SPIONSによるcCNTの装飾は、ATR-IR分光法でも観察できます。図4では、550 cm ^-1 のバンド T _1u に対応 マグネタイト結晶の振動は、複合材料で最も顕著です[17、58]。カルボキシル化されたCNTでは、COO ^- カルボキシ基に対応する対称および非対称の伸縮振動は、1325、1400（s）、および1624 cm ^-1 で観察できます。 （as）、それぞれ[17、36、50、59]。さらに、O–Hストレッチ振動は約3250 cm ^-1 cCNT上のカルボキシ基の存在を示します[17、29、32、50]。 cCNT-SPIONのC–O振動に対応するピークの強度の低下と、Fe–O振動に対応する顕著なバンドの組み合わせは、均一なコーティングの優れた指標です。酸化鉄ナノ粒子は赤外線をよりよく吸収するため、結果は定量的ではなく、C–O振動に対応するバンドの消失と組み合わされた表面の酸化鉄の増加の指標にすぎません。

cCNT-SPIONおよびcCNTのATR-IRスペクトル

複合材料のゼータ電位は、酸性処理によって非常に負に帯電した材料になるはずですが、裸のSPIONのゼータ電位よりもわずかに高いだけです。水性環境で凝集する傾向のあるCNTのゼータ電位測定を行うことができませんでした。複合材料の等電点は、裸のナノ粒子のpH 6.5と比較して、pH 7.5ではまだ中性範囲にあります（図5a）[57]。この動作は、酸化鉄ナノ粒子によるcCNTの良好なコーティングまたは装飾を示唆し、複合材料の他の分析特性をサポートします。 XPスペクトルでの鉄の発生、IRスペクトルでのFe–O振動の出現、高飽和磁化、およびTEMでの高密度材料の発生はすべて、酸化鉄ナノ粒子がcCNTにうまく付着していることを示しています。さらに、ゼータ電位の振る舞いは両親媒性であり、pHの増減に伴って両方の材料で類似しています。これは、酸化鉄が最も顕著な表面種であることも示しています。キャピラリーライズ法を使用した湿潤実験でも、非常によく似た動作が観察されます（追加ファイル1：図S3）。ここで、異なる溶媒を使用した複数の実験によって得られた表面自由エネルギーと極性および分散シェアは、複合酸化鉄ナノ粒子と裸の酸化鉄ナノ粒子で類似しています。材料の毛細管現象は、文献[60、61]に記載されているように、裸のカーボンナノチューブ用のエチレングリコールを使用して決定されます。他のすべての材料の場合、表面張力が非常に低い流体としてのヘキサン（18.4 mJ m ^-2 ）毛細管現象を決定するために選択されました。裸の酸化鉄ナノ粒子は、55.9 mJ m ^-2 の総表面自由エネルギーを持っています 、複合材料の表面エネルギーは47.1 mJ m ^-2 です。 （図5b）。複合材料の極性シェアはわずかに高くなりますが、未処理のCNTとcCNTの動作は完全に異なります。未処理のCNTは高い分散表面自由エネルギーを示しますが、CCNTはOwens Wendt RabelとKälbleの方法[48]によると、極性が高くなっています。この方法から、湿潤液体の極性と分散の割合、および毛細管上昇実験から得られた結果の接触角を比較できます（追加ファイル1：図S4）。この方法で得られたCNTの表面自由エネルギーは、BaytubeCNTで毛細管上昇実験を行ったDreselとTeipelから得られた結果よりもわずかに高くなっています[60]。キャピラリーライズ法で得られた張力測定の結果は、極性やナノマテリアル表面の水による濡れなどの違いを説明するための興味深い指標です。ただし、特にナノ構造の表面とナノ構造のキャピラリーの場合、この方法ではエラーが発生しやすくなります。ここでは、すべての材料が高い比表面積を示しています（追加ファイル1：図S5）。裸の酸化鉄ナノ粒子は、110 m ² の比表面積を示します g ^-1 、cCNTは228 m ² の比表面積を持っています g ^-1 複合材料は131m ² の比表面積を示します g ^-1 。この比表面積は、cCNTの密度（1.46 g cm ^-1 ）のため、特に体積表面積を考慮すると、同様の範囲にあります。 ）、cCNT-SPION（2.38 g cm ^-1 ）およびSPION（3.8 g cm ^-1 ）大幅に異なります。 CNTの密度は、カーボンナノチューブの密度の変動内でよく一致しています[53]。

pH 4から10までのSPIONおよびcCNT-SPIONのゼータ電位（ a ）およびOWRK法を用いた毛細管上昇実験から得られた表面自由エネルギー（ b ）

固相抽出およびクロマトグラフィープロセスに複合材料を利用するために、アミノ酸の静的および動的結合能力を比較しました。この研究の主な目標の1つは、複合材料が、酸化鉄ナノ粒子が固定相として機能できるクロマトグラフィーシステムで使用できるかどうかを検証することでした。裸のナノ粒子は、大きな圧力降下とフィルターを通過する可能性のある損失のために、それ自体でクロマトグラフィーカラムの固定相として使用することはできません。したがって、裸のナノ粒子へのアミノ酸の結合挙動は、平衡状態にある吸着等温線とのみ比較できます。図6aでは、cCNT-SPIONおよびSPIONへのl-リジンの吸着等温線の同様の挙動を観察できます。平衡結合定数（ K _D ）は同様の範囲にあります（0.17 g L ^-1 cCNT-SPIONおよび0.72g L ^-1 の場合 SPIONの場合）および最大結合容量の大きな違い（0.91 g g ^-1 cCNT-SPIONおよび0.15g g ^-1 の場合 SPIONの場合）。親和性と結合能力の違いは、両親媒性酸化鉄との相互作用と比較して、リジンとcCNTなどの負に帯電した物質との間の強い静電相互作用によって説明できます[62]。ただし、酸化鉄ナノ粒子は、PBSバッファー中のリン酸イオンと複合体を形成するため、通常は負に帯電します[63]。 l-リジンが選択されたのは、このアミノ酸が他のアミノ酸と比較してTNBSA法で検出するのがはるかに簡単だからです[49]。最大負荷は、酸化鉄で装飾されたカーボンナノチューブ上のメチレンブルーやアニリンなどのカチオン性吸着剤に関する文献と同様の範囲にあります[17、51]。逆液体クロマトグラフィー実験から得られた動的結合容量については、cCNTとcCNT-SPIONの間に大きな違いが見られます。正に帯電したl-リジンなどのアミノ酸はcCNTでより高いDBCを示しますが、負に帯電したl-グルタミン酸はcCNT-SPIONで有意に高いDBCを示します。この挙動は、l-グルタミン酸が酸化鉄ナノ粒子に対して高い親和性を示すという文献とよく一致しています[59、64]。 l-リジンのcCNTへの高い親和性は、正に帯電したアミノ酸と負に帯電したカルボキシ官能化ナノチューブの間の静電相互作用によって説明できます。グリシンは、cCNTよりもcCNT-SPIONに対して高い動的結合能力を示します。これは、酸化鉄表面の両親媒性によって説明される可能性があります。複合材料へのl-システインの高い動的結合能力は、文献およびl-システインと鉄イオンとの相互作用によるシスチンの形成とよく一致しています[59]。 l-ヒスチジンは、静電的、協調的、疎水性の相互作用が可能であるため、すべての材料に対して高い動的結合能力を示します。 cCNT-SPIONが充填されたカラムは、CNTおよびcCNTと比較して高いHETP値を示しますが、cCNT-SPIONの非対称性はcCNTと同様であり、ブレークスルー曲線の分析を可能にする範囲で約0.7です（追加ファイル1：図。 S6および表S2）。すべてのシステムの多孔度は0.78〜0.94の同様の範囲にあり、逆クロマトグラフィー実験に使用される他の固定相とよく一致しています[65]。

100 mMリン酸緩衝液（ a ）を使用したpH 7.8でのcCNT、cCNT-SPION、およびSPIONとのl-リジンの静的結合能力 ）。 pH 6（ b ）でのさまざまなアミノ酸を使用した逆クロマトグラフィー実験から得られたcCNT-SPION、CNT、およびcCNTのブレークスルーの10％での動的結合容量 ）

結論

この研究では、超常磁性酸化鉄ナノ粒子とカーボンナノチューブを組み合わせた複合材料を合成しました。この研究の最初の目的は、最終的な複合材料に対する各初期材料のシェアを理解することを目的として、複合材料の表面特性を調査することでした。さらに、この研究は、液体クロマトグラフィーによるアミノ酸の保持挙動に焦点を当てて、分子分離のためのそのような材料の効果をテストするための概念実証です。アイデアは、酸化鉄ナノ粒子の表面反応性をカーボンナノチューブのパッキング特性と組み合わせることでした。これは、非常に低い圧力損失をもたらすクロマトグラフィーマトリックスです。クロマトグラフィーシステムを確立し、正または負に帯電したアミノ酸と帯電していないアミノ酸と複合材料との相互作用を特徴づけることができました。したがって、この材料は、CNTベースのマトリックスとの相互作用の優れた指標となる可能性があります。ただし、前述の装飾手順[33]で得られる高い飽和磁化により、作成された材料を使用して、クロマトグラフィーシステムでの使用だけでなく、固相抽出などのプロセスも可能です。磁気特性は単純な磁気分離を可能にし、カーボンナノチューブは巨視的構造と表面への標的分子のアクセス可能性を調節します。この研究では、複数の違いがありますが、類似の材料と吸着平衡を示すことができるため、磁気分離と分析クロマトグラフィーの類似性を強調したいと思います。このユニークな磁性材料の将来の開発のために、特にその流体力学的特性は興味深いようであり、分析する必要があります。クロマトグラフィーなどの混合モードアプリケーション用。さらに、複合材料の電気的特性は、さらなる電気化学的用途への道を開く可能性があります。 Tabassum etal。カーボンナノチューブに閉じ込められた金属ベースのナノ粒子の複数のアプリケーションをレビューしました。これにより、電気触媒作用、エネルギー変換、およびストレージデバイスの機会が開かれます[66]。

複合材料の理解と設計、および表面と界面の特性の説明は困難です。それにもかかわらず、複合材料には、将来のすべての分野でのアプリケーションの複雑さを高めるための扉を開く力があります。クロマトグラフィーは、あらゆる種類のターゲット化合物への適用性を示し、メソッドと処理ソリューションの非常に幅広いポートフォリオを提供する、どういうわけか先駆的なテクノロジーです。この研究で提示する材料は、特定の処理形態におけるさまざまな特性の共有と、さまざまな組成の材料が固液界面での相互作用に基づくプロセスの最終出力にどのように影響するかを理解するために必要であると考えています。

データと資料の可用性

この調査中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された記事とその補足情報ファイルに含まれています。

略語

ベット：

ブルナウアーエメットテラー

cCNT：

カルボキシル化カーボンナノチューブ

cCNT-SPIONs：

カルボキシル化カーボンナノチューブと付着した超常磁性酸化鉄ナノ粒子

CNT：

カーボンナノチューブ

Dバンド：

ダイヤモンドバンド

DBC：

動的バインディング容量

EMG：

指数関数的に変更されたガウス

FWHM：

半値全幅

HETP：

理論段数に相当する高さ

Gバンド：

グラファイトバンド

OWRK：

OwensWendtRabelKälble

PBS：

リン酸緩衝生理食塩水

SPION：

超常磁性酸化鉄ナノ粒子

TEM：

透過型電子顕微鏡

TNBSA：

2,4,6-トリニトロベンゼンスルホン酸

UHV：

超高真空

XPS：

X線光電子分光法

XRD：

X線回折