一种原位研究难分离氧化石墨烯在实际场地发生环境转化的装置的制作方法

本发明涉及一种氧化石墨烯和实际场地物质发生相互作用的分析装置，具体涉及能同时分析实际场地中细菌、生物大分子、小分子对氧化石墨烯影响的装置，属于环境生态安全技术领域。

背景技术：

随着纳米材料的广泛应用，纳米材料在环境中的释放不可避免。很多学者的研究已经证明水体中纳米材料，尤其是人工纳米材料的广泛存在。因此，对实际场地中细菌、生物大分子、小分子对纳米材料的单独和复合影响的研究十分必要。传统的研究装置只能通过实验室模拟实际环境进行单一因素的研究，很难同时分析实际场地中细菌、生物大分子、小分子对纳米材料的影响。而且，在分离实际场地中的纳米材料方面也存在困难。

因此，很有必要设计一种原位研究难分离氧化石墨烯在实际场地发生环境转化的装置。

技术实现要素：

本发明的目的是解决传统研究装置不能同时分析细菌、生物大分子、小分子对纳米材料的影响，不能应用于自然环境，不易将实际场地中纳米材料分离出来的问题，设计一种结构简单，耐腐蚀，能同时分析实际场地中细菌、生物大分子、小分子对纳米材料作用，能设置平行试验，且解决纳米材料回收问题的分析装置。

本发明的技术方案

一种原位研究难分离氧化石墨烯在实际场地发生环境转化的装置，该装置能同时分析实际场地中细菌、生物大分子、小分子对纳米颗粒的影响，主要包括有两块亚克力(pc)板，两块亚克力板的四角有螺丝孔并通过螺丝固定，亚克力板上有九个圆形区域，各区域内分别开设有透水孔群，两块亚克力板之间与各圆形区域透水孔群对应位置分别夹有滤纸夹层、滤膜夹层或透析袋夹层中的一种，各夹层中间分别放置纳米材料氧化石墨烯；当分析装置置于实际场地水体中后，含有各类物质的水随着重力和蒸腾作用分别从上和下进入装置；由于滤纸能够阻挡颗粒物，因此滤纸夹层中的氧化石墨烯能够和水中细菌、生物大分子以及小分子作用；由于滤膜能够阻挡颗粒物和细菌，因此滤膜夹层中的氧化石墨烯能够和水中的生物大分子以及小分子作用；由于透析袋能够阻挡颗粒物、细菌和生物大分子，因此透析袋夹层中的氧化石墨烯只能和水中的生物小分子作用。

所述的亚克力板为两层厚度为2mm的带孔亚克力薄板，其形状为任意几何形状，包括但不限于正方形、长方形、菱形、圆形或椭圆形等。所述的夹层构造是双层滤纸(或滤膜、或透析袋)，中间夹有纳米材料氧化石墨烯。所述的夹层参考放置顺序，自左至右每一列的三组相同分别为滤纸夹层、滤膜夹层或透析袋夹层。

所述滤纸选择孔径为0.45μm的聚四氟乙烯材质滤纸，考虑到所选取氧化石墨烯的片径为500nm-5μm，所以选择可以截流氧化石墨烯的孔径，同时，考虑到装置在研究过程中的时间持久性，选择可存在较长时间的聚四氟乙烯材质。所述滤膜选择孔径为0.45μm的聚醚飒水系滤膜。所述透析袋选择截留分子量为3500d的透析袋。

本发明所述装置除应用于水体外，所述装置也可应用于土壤中，且可应用于其他纳米材料，同时可回收难分离纳米材料。

本发明的优点和有益效果：

(1)所述的分析装置能同时分析实际场地中细菌、生物大分子、小分子对纳米颗粒的影响；(2)所述的分析装置适用于多种纳米材料与实际场地相互作用的分析；(3)所述的分析装置适用于自然环境土壤和实验室模拟土壤环境；(4)所述的分析装置可以甚至3组平行试验；(5)所述的分析装置解决了实际场地中氧化石墨烯难回收的问题

附图说明

图1为本发明装置的主视示意简图。

图2为本发明装置的轴测图。

图3为2d后氧化石墨烯tem图。

图4为7d后氧化石墨烯tem图。

图5为三种不同情况下，2d后氧化石墨烯傅里叶红外光谱图对比。

图6为三种不同情况下，7d后氧化石墨烯傅里叶红外光谱图对比。

图7为原始氧化石墨烯x射线衍射图谱。

图8为滤纸条件下氧化石墨烯xrd图谱；其中，a为2d后数据，b为7d后数据。

图9为滤膜条件下氧化石墨烯xrd图谱；其中，a为2d后数据，b为7d后数据。

图10为透析袋条件下氧化石墨烯xrd图谱；其中，a为2d后数据，b为7d后数据。

图中：1亚克力板，2螺丝孔，3透水孔群，4含有纳米材料氧化石墨烯的透析袋夹层，5含有纳米材料氧化石墨烯的滤膜夹层，6含有纳米材料氧化石墨烯的滤纸夹层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

请参阅图1、图2，一种原位研究难分离氧化石墨烯在实际场地发生环境转化的装置，该装置能同时分析实际场地中细菌、生物大分子和小分子对氧化石墨烯的影响，该装置包括两块正方形亚克力板1，两块亚克力板1的四角有螺丝孔2并通过螺丝固定，亚克力板上有九个圆形区域，各区域内分别开设有透水孔群3。两块亚克力板1之间与各圆形区域的透水孔群所在区域对应位置分别夹有一种含有纳米材料氧化石墨烯的夹层，所述夹层为滤纸夹层6、滤膜夹层5或透析袋夹层4中的一种，所述夹层参考放置顺序是，自左至右每一列的三组相同，分别为滤纸夹层6、滤膜夹层5或透析袋夹层4。各夹层两膜中间分别放置纳米材料氧化石墨烯。当分析装置置于实际场地水体中后，含有各类物质的水随着重力和蒸腾作用分别从上和下进入装置。由于滤纸能够阻挡颗粒物，因此滤纸夹层6中的氧化石墨烯可以和水中的细菌、生物大分子以及小分子复合作用。由于滤膜能够阻挡颗粒物和细菌，因此滤膜夹层5中的氧化石墨烯可以和水中的生物大分子以及小分子复合作用。由于透析袋能够阻挡颗粒物、细菌和生物大分子，因此透析袋夹层4中的氧化石墨烯只能和水中的生物小分子作用。

一种原位研究难分离氧化石墨烯在实际场地发生环境转化的装置，其具体操作步骤如下：称取25mg片状氧化石墨烯，将其分散在纯净水中，超声分散4h，并将其抽滤于滤纸、滤膜和透析袋上，将夹层材料装入装置中，并将此装置放入待分析的水体中，2d后，拿出装置，拆除亚克力板结构，将氧化石墨烯洗脱下来，对其进行冷冻干燥，并研磨成粉末状，对其进行表征。

以上为第一组样品。

对比试验：

第二组样品：

称取25mg片状氧化石墨烯，将其分散在纯净水中，超声分散4h，并将其抽滤于滤纸、滤膜和透析袋表面，将夹层材料装入装置中，并将此装置放入水体中，7d后，拿出装置，拆除亚克力板结构，将氧化石墨烯洗脱下来，对其进行冷冻干燥，并研磨成粉末状，对其进行表征。

第三组样品：

以原始氧化石墨烯作为对照。

用安捷伦气质联用仪测定多环芳烃，并进行谱库分析，电子轰击离子源(ei)，离子源温度为230℃；四级杆温度为150℃；前进样口温度为300℃；aux-2温度为300℃，溶剂延迟时间为4.5min；测定方式为选择全扫模式。

主要结果如下表所示，与原始氧化石墨烯对比，基本上氧化石墨烯中多环芳烃的峰大多都存在2d、7d后氧化石墨烯中，但峰面积(含量)明显相较原始氧化石墨烯增大，说明氧化石墨烯在装置中置于水中明显吸附水中有机质，且明显7d后数据量大于2d后数据，说明一般情况下，随着时间的增长，其吸附有机质会越来越多，且可能种类也逐渐丰富。同时，部分物质比如：1,3-cyclopentanedione等，原始氧化石墨烯中可以检测出来但装置处理后氧化石墨烯中不存在，可能是这部分在实验过程中发生环境转化，或萃取过程中未萃取出来。

表1

将装置中氧化石墨烯洗脱下来，冷冻干燥后，超声分散于乙醇溶液中，使其浓度为10mg/l，加1滴于超薄碳膜上，使用透射电镜测定。由图3和图4可知，7d后(图4)氧化石墨烯较2d后(图3)层叠较明显，且上面杂质较多。

取少量氧化石墨烯粉末与溴化钾固体烘干，采用溴化钾压片法测定红外光谱图，扫描范围为400-4000cm^-1，由图5和图6可知，2d后氧化石墨烯(图5)和7d后(图7)氧化石墨烯官能团存在差异，在原始氧化石墨烯的基础上，较为显著的为2300cm^-1的峰，查阅文献可知，此峰为芳香族，此峰随着时间的增加，强度也逐渐增加，且对比原始氧化石墨烯，此物质亦存在，但不凸显出来。3600cm^-1的峰在7d后的数据中凸显出来，此峰为-oh伸缩振动峰，此峰可以作为判断有无醇类、酚类、有机酸类的标准，此峰在7d后明显显现出来，说明随着时间的增加此类物质明显增多，导致其-oh的强度逐渐增加。

取适量氧化石墨烯粉末，置于载玻片，采用x射线衍射仪测定，扫描角度为5-90°。由图7-图10得(图7为原始氧化石墨烯xrd图，图8为滤纸条件下氧化石墨烯xrd图，图9为滤膜条件下xrd图，图10为透析袋条件下xrd图)，原始氧化石墨烯(图7)在2θ＝11.38°时存在弱且宽的峰，对比2d后和7d后数据，2d后数据显示杂峰较少，但7d后明显杂峰较多，主要原因是吸附物质较多，或者吸附量明显增大，使其峰凸显出来。2d后图可知在2θ＝26°左右时，明显出峰，但7d后数据并没有此峰的出现，经查找文献可知，此峰对应物质可能是石墨烯，猜测2d后氧化石墨烯被部分物质还原为石墨烯，但7d后该峰消失，猜测可能是被还原后的石墨烯不太稳定，在水中离子的作用下又被氧化为氧化石墨烯，同时吸附物质及吸附量逐渐增大，峰逐渐增多，导致石墨烯的峰不凸显出来。且石墨烯的峰较窄，层间距较小，主要原因是石墨烯氧化过程中，大量含氧基团引入到氧化石墨烯的表面和边缘，使其层间距变大。比较滤纸、滤膜、透析袋数据可知，26°石墨烯的峰从滤纸、滤膜到透析袋逐渐降低，主要原因是三者氧化石墨烯所接触的物质不同，导致氧化石墨烯被还原的程度不同。

以上详细说明描述了本发明的较佳的实施方式。应当理解为，本领域的普通技术不需要创造性劳动就可以根据本发明的详细说明进行一定的修改，并把本说明中的一般原理应用到其他实例中。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的详细说明，不脱离本发明范畴所做出的修改和改进都应该在本发明的保护范围之内。