Hybrides CNT-Eisenoxid-Nanopartikel-Komposit: Stabiles Mixed-Mode-Chromatographiematerial zur Biomolekültrennung

Zusammenfassung

Kohlenstoffbasierte Materialien stehen an der Spitze der Nanotechnologie-Forschung in zahlreichen Bereichen. Ihre Rolle als stationäre Phase in der Chromatographie gewinnt zunehmend an Bedeutung. Wir untersuchen ein Material, das aus Mehrwand-Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (SPIONs) besteht, auf seine Eignung als Mixed-Mode-Chromatographiematerial. Ziel ist es, das Ionenaustauschmaterial Eisenoxid auf CNTs als stabiler Matrix für Chromatographieprozesse ohne nennenswerten Druckabfall zu immobilisieren. Eisenoxid-Nanopartikel werden synthetisiert und über einen Ko-Fällungsweg an den CNTs gebunden. Sie haften an den Wänden oxidierter CNTs, was eine magnetische Trennung des Kompositmaterials ermöglicht. Dieses hybride Material wird mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie, Magnetometrie, Röntgenbeugung, Röntgenphotoelektronen- und Raman-Spektroskopie charakterisiert. Zudem bestimmen wir seine spezifische Oberfläche und das Benetzungsverhalten. Wir demonstrieren seine Anwendbarkeit als Chromatographiematerial für die Aminosäureretention und beschreiben die Adsorption und Desorption verschiedener Aminosäuren in einem komplexen porösen System in wässriger Umgebung. Damit kann dieses Material sowohl als chromatographische Matrix als auch als magnetisches Batch-Adsorptionsmaterial aufgrund der Eisenoxid-Nanopartikel eingesetzt werden. Unsere Arbeit trägt zur aktuellen Forschung an Kompositmaterialien bei, die für die Entwicklung neuartiger industrieller Anwendungen oder die Verbesserung etablierter Prozesse unerlässlich sind.

Einleitung

Seit der ersten Synthese von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) 1991 durch Iijima [1] begann ein beispielloser Aufstieg zu einem der leistungsfähigsten Nanomaterialien. Die CNT-Produktion basiert auf dem Aufrollen von Graphenschichten zu Röhren. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der CNTs lassen sich durch unterschiedliche Schichtkonformationen oder Mehrschicht-Assemblierungen leicht einstellen. Hohe Elastizität, Stabilität, thermische und elektrische Leitfähigkeit in Kombination mit einer großen spezifischen Oberfläche positionieren CNTs an der Spitze der Nanotechnologie [2]. Anwendungen reichen von Batterien, Sensoren und Hochleistungsmaterialien bis hin zu Drug Delivery und Abwasserbehandlung [2–9]. Viele Anwendungen beruhen auf den einzigartigen Sorptions-Eigenschaften von CNTs, die eine hohe spezifische Oberfläche und eine definierte chemische Struktur besitzen. Long und Yang beobachteten eine starke Adsorption der Gase Dioxan und Stickstoffoxid, während Schwefeloxid moderat und Kohlendioxid nur schwach an CNTs bindet [10]. Die stark hydrophobe Oberfläche von CNTs ermöglicht die Bindung unpolarer Polymere oder cyclischer Kohlenwasserstoffe über Van-der-Waals-Wechselwirkungen. So können CNTs als hydrophobe Interaktionschromatographie (HIC)-Harze dienen, was Biesaga und Pyrzynska durch die Reinigung von Dicamba-Herbiziden mittels CNTs als Chromatographieharz demonstrierten [11]. Für elektrochemisch modulierte Chromatographie-Anwendungen und die Steuerung des Ionenaustauschs durch einen Potentialschalter stellen CNTs ein vielversprechendes stationäres Phasenmaterial dar [12, 13]. Auch eine Anwendung als Extraktionsmaterial für unpolare Verbindungen wurde gezeigt [14]. Allerdings kann die Agglomeration der CNTs die Effizienz von Extraktionsprozessen verringern [15, 16]. Superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel (SPIONs) besitzen ebenfalls interessante Adsorptionseigenschaften, wie diverse Anwendungen in der Abwasserbehandlung und Medizin belegen [17–19]. In der Abwasserbehandlung werden Eisenoxid-Nanopartikel z. B. zur Schwermetallentfernung eingesetzt, aufgrund ihres geringen Preises, ihrer hohen spezifischen Oberfläche und ihrer Komplexierungseigenschaften [20]. In der Medizin dienen Eisenoxide als Kontrastmittel für die Magnetresonanztomographie, als Drug-Delivery-Agenten oder für Hyperthermie-Anwendungen [19, 21]. Daher ist es naheliegend, diese beiden Materialien zu kombinieren, um ihre vorteilhaften Eigenschaften zu vereinen; insbesondere die Leitfähigkeit der CNTs und der Superparamagnetismus der SPIONs sind für zahlreiche Anwendungsfelder wertvoll [22]. Anwendungen umfassen z. B. magnetische Festphasenextraktionen von Farbstoffen und Pharmazeutika [23–26]. Die grundlegenden Anforderungen an eine große spezifische Oberfläche sind für Festphasenextraktion und Flüssigchromatographie ähnlich. Daher testen wir dieses Material auf seine Eignung für chromatographische Trennprozesse. Die Dekoration von CNTs mit SPIONs bietet die Möglichkeit, die Dispergierbarkeit und Rezyklierbarkeit der CNTs aufgrund des amphiphilen Charakters der Oberfläche zu verbessern [27]. Ein Komposit vereint so die Mixed-Mode-Funktionalität von CNTs und Eisenoxiden. Zudem beeinflusst die Dekoration magnetische und elektrische Eigenschaften des Materials [17, 18, 28–32]. Aufgrund des Superparamagnetismus der SPIONs ist eine magnetische Trennung des Komposits möglich [33]. Ajayan und Iijima begannen, SPIONs und CNTs zu mischen, indem sie die Röhren mit Nanopartikeln füllten [34]. Weitere Möglichkeiten umfassen die Bindung von SPIONs an CNTs über Polymer-Linker oder Emulgatoren [20, 35, 36]. Die Dekoration ist auch durch solvothermale Synthese von Eisenoxid-Nanopartikeln und direkte Anlagerung an Mehrwand-CNTs möglich [37, 38]. Heutzutage ist die vorherrschende Methode zur Dekoration von CNTs mit SPIONs die hier ebenfalls verwendete saure Carboxylierung der CNTs, bevor die SPIONs synthetisiert oder zur Beschichtung aufgebracht werden [39, 40]. Typischerweise werden die Eisenoxid-Nanopartikel von den carboxylierten CNTs gekeimt und können ko-gefällt oder durch die Fenton-Reaktion direkt auf der Oberfläche synthetisiert werden [32, 41, 42]. Während die Carboxylierung Kontaktpunkte für die SPIONs auf der Kohlenstoffoberfläche schafft, kann saure Behandlung zum Abbrechen der Nanoröhren führen [43]. Seit den ersten Kombinationen von SPIONs und CNTs wurden diverse Anwendungen getestet. Die größte Herausforderung bei der Synthese besteht darin, die Aggregation der Eisenoxid-Nanopartikel zu kontrollieren, um ein homogenes Kompositmaterial zu erzeugen [36, 43, 44]. Die Verwendung von Carboxygruppen als natürliche Liganden für die Eisenoxid-Keime in einem Ko-Fällungsprozess scheint der beste Weg zu sein, starke Aggregationseffekte zu verhindern und ein weitgehend dekoriertes nanotubenbasiertes Material zu schaffen [32]. Daher nutzten wir etablierte Eisenoxid-Synthesewege für die Anlagerung und Dekoration von Kohlenstoffnanoröhren [45, 46]. Wir untersuchten die Oberflächenmodifikation von CNTs mit verschiedenen Säurebehandlungen, um die Bindung von Eisenoxid-Nanopartikeln an die CNTs zu verbessern. Magnetische Nanopartikel wurden mit den modifizierten CNTs gemischt und die resultierenden Materialien gründlich charakterisiert. Frühere Studien zeigten die Eignung solcher Materialien als Extraktionsmatrix für die Trennung organischer Verbindungen [47]. Wir untersuchen die Verwendung des resultierenden Materials als Chromatographieharz und untersuchen das Bindungsverhalten von Aminosäuren als Analyten. Diese Arbeit beleuchtet den Zusammenhang zwischen dem Benetzungsverhalten synthetisierter Materialien und den Chromatographieergebnissen, bei denen die Materialien als stationäre Phase dienen. Darüber hinaus betont unsere Studie den Einsatz der Chromatographie zur Beschreibung der Oberflächeneigenschaften von Materialien und weist eine Richtung für die zukünftige Nutzung der Chromatographie als Methodik zur Materialcharakterisierung und zum Verständnis von Interaktionsverhalten an der Fest-Flüssig-Grenzfläche.

Experimenteller Teil

Materialien

Kohlenstoffnanoröhren (Baytubes C 150 P) wurden von der Bayer Materials Science AG, Deutschland, bezogen. Eisen(III)-chlorid (FeCl₃·6H₂O) und Natriumhydroxid (NaOH) stammen von der AppliChem GmbH, Deutschland. Eisen(II)-chlorid (FeCl₂·4H₂O) wurde von der Bernd Kraft GmbH, Deutschland, gekauft. Salzsäure, Salpetersäure, Wasserstoffperoxid und Schwefelsäure wurden von Sigma-Aldrich bezogen. Alle Materialien wurden unverändert verwendet.

Herstellung carboxylierter CNTs (cCNTs)

CNTs (10 g) wurden in einem Gemisch aus konzentrierter Salpetersäure (67 %) und Schwefelsäure (98 %) (1:3 v/v) suspendiert und 18 h bei Raumtemperatur gerührt. Das Produkt wurde mit deionisiertem Wasser auf ein Gesamtvolumen von 2 L verdünnt, um die Reaktion zu stoppen. Die carboxylierten CNTs wurden mittels Papierfiltration vom Flüssigphasen getrennt und bis zu einem pH-Wert von 7 gewaschen. Die resultierenden cCNTs wurden über Nacht bei 60 °C getrocknet.

Ko-Fällung von SPIONs auf cCNTs

Für die Dekoration von cCNTs mit magnetischen Nanopartikeln (MNP) wurde ein ähnlicher Ansatz wie von Baykal et al. 2013 beschrieben gewählt [32]. Getrocknete cCNTs (2 g) wurden in 800 mL deionisiertem Wasser ultrashallbehandelt, um die Röhren zu entagglomerieren. Die Suspension wurde bei Raumtemperatur gehalten, bei 350 min⁻¹ gerührt und mit 14 g FeCl₃·6H₂O und 5,2 g FeCl₂·4H₂O versetzt. Natriumhydroxid (2 mol L⁻¹) wurde zugegeben, bis ein pH von 9,5 erreicht war. Die Reaktion wurde nach 30 min gestoppt und der Feststoff filtriert. Die SPION-dekorierten cCNTs wurden in einem Gefriertrockner Alpha 1–2 LDplus (Martin Christ Gefriertrocknungsmaschinen GmbH) lyophilisiert, bevor sie weiter analysiert wurden.

Methoden

Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM)

Geringe Mengen getrockneter Nanoröhren wurden in deionisiertem Wasser suspendiert und mit einem Branson-Sonifier entagglomeriert. Die Suspension wurde auf ein TEM-Gitter aufgebracht und mit einem JEOL 100 CX analysiert. Die Mikrographen wurden ausgewertet und mindestens 100 Partikel pro Bild gezählt.

Röntgenbeugung (XRD)

Getrocknete Proben wurden mit einem Stadi-P-Diffraktometer (STOE & Cie GmbH, Deutschland) mit einer MoKα-Quelle (λ = 0,7093 Å) in Transmissionsgeometrie vermessen. Daten wurden im Bereich von 2° bis 50° (2ϴ) erfasst. Die Software STOE WinXPOW (STOE & Cie GmbH, Deutschland) wurde für Indexierung und Verfeinerung genutzt. Die Halbwertsbreite und die Position der ⟨2 2 0⟩-Reflexionen dienten zur Bestimmung des Primärteilchendurchmessers nach der Scherrer-Gleichung. Ein Faktor von 0,89, der mit kugelförmigen Partikeln übereinstimmt, wurde gewählt.

Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)

Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie erfolgte mit einem Leybold-Heraeus LHS 10 XPS-System im Ultrahochvakuum (UHV) mit einer nicht-monochromatisierten Al-Kα-Quelle (1486,7 eV). Die Pulverproben wurden auf einem vakuumkompatiblen Kupferfolien-Klebeband fixiert. Die Spektren wurden im konstanten Passenergie-Modus bei 100 eV und einer Halbwertsbreite (FWHM) von ~1,1 eV aufgenommen. Der C 1s-Peak (284,5 eV) des adventiven Kohlenstoffs diente als Energie-Referenz. Die Spektren der C 1s-, O 1s- und Fe 2p-Bereiche wurden durch 30-faches wiederholtes Scannen derselben Region zur Rauschreduzierung aufgezeichnet. Alle Messungen erfolgten im UHV bei Drücken unter 5 × 10⁻⁸ mbar. Die Kernniveauspektren wurden durch eine Mischung aus Gauß- und Lorentz-Funktionen gefittet (Gauß-Linienbreite 0,7 eV, Lorentz-Linienbreite 0,3 eV).

Tensiometrie

Die Kontaktwinkel von CNTs, cCNTs und cCNT-SPIONs wurden mit einem Krüss T100 MK3 Tensiometer gemessen. Dazu wurde ein 2 cm hohes, gleichmäßig komprimiertes Packbett der Nanoröhren für alle Proben hergestellt. Die Kapillarität der Packbetten wurde mit n-Hexan bestimmt. Kontaktwinkel wurden mit den Flüssigkeiten Diiodmethan, Dimethylsulfoxid, Ethylenglycol, Glycerin und deionisiertem Wasser ermittelt. Die freie Oberflächenenergie wurde nach der OWRK-Methode (Owens, Wendt, Rabel und Kälble) berechnet [48].

Adsorptionsversuche

Adsorptionsisothermen von L-Lysin bei verschiedenen Konzentrationen in 100 mM Phosphatpuffer bei pH 7,8 wurden mit SPIONs, cCNTs und cCNT-SPIONs durchgeführt. Die Aminosäure wurde 24 h bei 25 °C unter kräftigem Schütteln mit dem Adsorbens inkubiert. Unterschiedliche Lysin-Konzentrationen wurden mit 1 g L⁻¹ cCNTs oder cCNT-SPIONs bzw. 2 g L⁻¹ SPIONs inkubiert. Die Überstandskonzentration wurde durch einen Assay nach der Cayot-Methode bestimmt, basierend auf photometrischer Detektion bei 420 nm nach Modifikation der Aminosäure mit TNBSA bei pH 8,5 [49].

Chromatographieversuche

Die dynamischen Bindungskapazitäten (DBC) von CNTs, cCNTs und cCNT-SPIONs wurden mit einer Chromatographiesäule (Omnifit) mit 6,6 mm Innendurchmesser, beidseitig justierbar und mit einem 25 µm PE-Frit ausgestattet, bestimmt. Alle Proben wurden dynamisch unter fließendem Wasser gepackt, bis eine Höhe von 6 bis 8 cm erreicht war. Die Chromatographieversuche erfolgten bei einem Fluss von 0,3 mL min⁻¹. Die Höhe, die einem theoretischen Boden entspricht (HETP), und die Totzeit wurden mit einer 1 M NaCl-Lösung gemäß einer modifizierten van-Deemter-Gleichung bestimmt: HETP = L · σ²/μ²; L ist die Säulenlänge, σ die Varianz des Chromatographiepeaks und μ das erste Peak-Moment. Die Asymmetrie der gepackten Säule wurde vor den Versuchen bei 10 % Peakhöhe bewertet: Aₛ = b/a; a ist die Breite des vorderen Peakteils geteilt am Peakmaximum, b die Breite des hinteren Teils. Zur Berechnung der DBCs verschiedener Aminosäuren (Glycin, L-Lysin, L-Histidin, L-Glutaminsäure und L-Cystein) wurden die Lösungen auf 10 mM bei pH 6 mit HCl oder NaOH eingestellt. Die Aminosäuren wurden mit einem Diodenarray-Detektor bei 200 nm detektiert. Die Säulen wurden mit 30 mL Wasser gewaschen, mit 15 mL Aminosäurelösung beladen, mit 20 mL Wasser nachgewaschen, mit 20 mL 1 M NaCl eluiert und mit weiteren 20 mL Wasser regeneriert. Die dynamische Bindungskapazität wurde bei 10 % des Peakenmaximums gemessen. Alle Experimente wurden in Triplikaten durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Mehrwand-Kohlenstoffnanoröhren sind stark hydrophob und interagieren daher nur schwach mit polaren Eisenoxid-Nanopartikeln. Um die CNTs polarer zu machen und Wechselwirkungen mit Eisenoxiden zu ermöglichen, wurde die Oberfläche mit Salpetersäure und Schwefelsäure behandelt. Diese Behandlung erzeugt Oberflächendefekte und sogar geladene Oberflächengruppen, die als Keime für die Nanopartikel-Ko-Fällung und als Bindungsstellen für Eisenoxid-Nanopartikel fungieren. Mehrere Methoden und Reagenzien zur Erzeugung von Defektstellen wurden getestet und mittels Raman-Spektroskopie analysiert (Zusatzdatei 1: Abb. S1). Die Raman-Spektroskopie liefert die Verhältnisse des Defektbands (D) zum Graphitband (G) [41, 42, 50, 51]. Das Verhältnis der Integrale von G- zu D-Band hängt von der verwendeten Laserwellenlänge ab [52]. Der Anstieg dieses Verhältnisses ist jedoch üblicherweise ein guter Indikator für die Oxidation der Nanoröhrenoberfläche und somit zur Identifikation der besten Methode zur CNT-Oberflächenmodifikation [52–55]. Während unsere Ergebnisse nach Salpetersäurebehandlung der Nanoröhrensuspension ein sehr hohes D:G-Verhältnis zeigen, führte das Gemisch aus Salpeter- und Schwefelsäure zu einem leichten Anstieg dieses Verhältnisses (Zusatzdatei 1: Tabelle S1). Für die weiteren Versuche wurden nur CNTs verwendet, die mit dem Säuregemisch behandelt wurden, da dies die reproduzierbarste Methode darstellte, die Nanoröhren lieferte, die gemäß unseren Experimenten und der Literatur [54] in Chromatographiesäulen gepackt werden können. Diese Nanoröhren werden als carboxylierte CNTs (cCNTs) bezeichnet.

Eisenoxid-Nanopartikel, die durch Ko-Fällung in Gegenwart von cCNTs synthetisiert wurden, ergeben SPIONs mit etwas größerem durchschnittlichem Durchmesser als ähnlich synthetisierte Partikel ohne cCNTs (Abb. 1c). Die Größenverteilung ist jedoch breiter im Bereich von 5–20 nm, und die mit cCNTs synthetisierten Partikel sind an den Nanoröhren gebunden. Das synthetisierte Kompositmaterial besitzt im Wesentlichen die Eigenschaften der Eisenoxid-Nanopartikel und ist homogen dekoriert. Die Dekoration der cCNTs mit Eisenoxid-Nanopartikeln, die als dunkle Punkte erscheinen, ist mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie beobachtbar und stimmt gut mit der Literatur überein [32, 36–38]. Unsere Ergebnisse zeigen eine homogene Beladung der cCNTs mit SPIONs, da in den Bildern keine größeren Nanopartikelaggregate sichtbar sind (Abb. 1b).

Abb. 1: TEM-Bilder von cCNTs (a) und cCNT-SPIONs (b). Größenverteilung aus vier Bildern mit Zählung von mindestens 30 Partikeln pro Bild für jedes Material (c).

Magnetisierungsmessungen bei Raumtemperatur zeigen ein superparamagnetisches Kompositmaterial mit einer Sättigungsmagnetisierung von 67 emu g⁻¹ und ohne magnetische Remanenz (< 1 emu g⁻¹). Die Sättigungsmagnetisierung ist nur geringfügig niedriger als die von reinem, unbedecktem Eisenoxid-Nanopartikeln, und die Form der Hysteresekurve ist ähnlich (Abb. 2) [45, 56, 57]. Daher sind Oberflächenschicht und Kernzusammensetzung von SPIONs und cCNT-SPIONs-Kompositen ähnlich [57]. Die kristallographische Analyse des Kompositmaterials zeigt eine Spinellstruktur, die entweder Magnetit oder Maghemit entspricht, während keine kristalline Struktur der CNTs beobachtet werden kann (Abb. 2b) [37, 57]. Das Signal bei 11,8°, das in CNTs und cCNTs auftritt, kann als ⟨0 0 2⟩-Reflexion der hexagonalen Graphitstruktur indiziert werden [17]. Die Dekoration der cCNTs mit Eisenoxid-Nanopartikeln führt zum Auftreten der Reflexionen: ⟨1 1 1⟩ bei 5,4°, ⟨2 2 0⟩ bei 13,7°, ⟨3 1 1⟩ bei 16,1°, ⟨4 0 0⟩ bei 19,4°, ⟨4 2 2⟩ bei 23,8°, ⟨5 1 1⟩ bei 25,3° und ⟨4 4 0⟩ bei 25,6° [29, 41]. Diese Reflexionen stimmen mit den Standard-XRD-Daten für die kubische Phase Fe₃O₄ (JCPDS Nr. 89-4319) mit flächenzentriert kubischer Struktur und unseren eigenen Referenz-SPIONs überein [17, 32]. Die Reflexionen des Kompositmaterials zeigen eine größere FWHM, was zu einem kleineren Scherrer-Durchmesser des kristallinen Materials führt. Dieses Verhalten lässt sich durch die größere Partikelgrößenverteilung des Kompositmaterials, wie per TEM beobachtet, und die zusätzlichen Keimbildungsstellen auf der cCNT-Oberfläche erklären [46]. Höhere Keimzahlen führen üblicherweise zu kleineren Primärkristalliten [36, 46]. Magnetisierung und Beugungsmuster stimmen gut mit anderen Dekorationsmethoden wie elektrostatischer Modifikation durch Polyethylenimin oder Polyacrylsäure überein [18, 22]. Die Intensität der dem Graphit entsprechenden Reflexion ist im reinen Material und im Komposit ähnlich, ohne signifikante Änderungen. Die Intensitäten der den Eisenoxid-Strukturen entsprechenden Reflexionen sind jedoch deutlich stärker.

Abb. 2: Magnetische Hysteresekurve, erhalten mit einem SQUID von -50.000 bis 50.000 Oe bei 300 K (a), und Pulver-XRD-Muster von cCNT-SPIONs, cCNTs, CNTs und SPIONs, erhalten mit einer MoKα-Quelle (b).

Das Kompositmaterial vereint somit die Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren und magnetischen Nanopartikeln. Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie, eine sehr oberflächenempfindliche Methode, zeigt die Anlagerung von Eisenoxid an cCNTs (Zusatzdatei 1: Abb. S2). Hier sind Magnetit und/oder Maghemit vorhanden, da das Fe 2p³/²-Band der cCNT-SPIONs ein Maximum bei 711 eV und das Fe 2p¹/²-Band ein Maximum bei 724 eV aufweist [37, 57]. Die Form der Shake-Up-Satelliten deutet ebenfalls auf Magnetit statt Hämatit hin [57, 58]. Der O 1s-Bereich zeigt C–O- und COO⁻-Bindungen sowohl für cCNTs als auch für cCNT-SPIONs, während das Kompositmaterial eine zusätzliche Bande bei 529,5 eV aufweist, die Fe–O-Bindungen entspricht [37, 41]. Die Bindungen zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff im O 1s-Bereich stimmen gut mit den Beobachtungen im C 1s-Bereich überein, der unterschiedlich oxidierte Kohlenstoffspezies anzeigt (Abb. 3). Hier sind nicht nur Carboxygruppen (289 eV), sondern auch andere C–O-Bindungen (286–287,5 eV) sowie sp²-hybridisierter Kohlenstoff (284,5 eV), der dem Rückgrat der CNTs entspricht, beobachtbar [41, 51].

Abb. 3: XP-Spektren im C 1s-Bereich von cCNTs (a) und cCNT-SPIONs (b). Die Spektren wurden mit einer Kombination aus Gauß- und Lorentz-Funktionen mithilfe des Programms Origin gefittet.

Die Dekoration der cCNTs mit SPIONs ist auch mittels ATR-IR-Spektroskopie nachweisbar. In Abb. 4 ist die Bande bei 550 cm⁻¹, die einer T₁u-Schwingung von Magnetit-Kristallen entspricht, für das Kompositmaterial am stärksten ausgeprägt [17, 58]. Auf den carboxylierten CNTs lassen sich die symmetrischen und asymmetrischen Streckschwingungen der COO⁻-Gruppe bei 1325, 1400 (s) und 1624 cm⁻¹ (as) beobachten [17, 36, 50, 59]. Zudem weisen O–H-Streckschwingungen um 3250 cm⁻¹ auf Carboxygruppen an den cCNTs hin [17, 29, 32, 50]. Der Intensitätsabfall der Peaks, die C–O-Schwingungen der cCNT-SPIONs entsprechen, kombiniert mit der prominenten Bande für Fe–O-Schwingungen, ist ein guter Indikator für eine homogene Beschichtung. Eisenoxid-Nanopartikel absorbieren Infrarotstrahlung stärker, weshalb die Ergebnisse nicht quantitativ sind, sondern nur einen Anstieg des Eisenoxids an der Oberfläche bei gleichzeitigem Verschwinden der C–O-Banden anzeigen.

Abb. 4: ATR-IR-Spektren von cCNT-SPIONs und cCNTs.

Das Zeta-Potenzial des Kompositmaterials ist nur geringfügig höher als das von blanken SPIONs, obwohl die saure Behandlung ein stark negativ geladenes Material ergeben sollte. Zeta-Potenzialmessungen an CNTs waren nicht durchführbar, da diese in wässrigen Umgebungen aggregieren. Der isoelektrische Punkt des Kompositmaterials liegt weiterhin im neutralen Bereich bei pH 7,5 im Vergleich zu pH 6,5 für die blanken Nanopartikel (Abb. 5a) [57]. Dies deutet auf eine gute Beschichtung oder Dekoration der cCNTs mit Eisenoxid-Nanopartikeln hin und stützt die anderen analytischen Charakterisierungen des Komposits. Das amphiphile Verhalten des Zeta-Potenzials ist für beide Materialien bei steigendem und fallendem pH ähnlich, was ebenfalls darauf hindeutet, dass Eisenoxide die dominierenden Oberflächenarten sind. Ein sehr ähnliches Verhalten zeigen Benetzungsexperimente mit der Kapillaraufstiegsmethode (Zusatzdatei 1: Abb. S3). Hierbei sind die freie Oberflächenenergie sowie der polare und dispersive Anteil, ermittelt durch Mehrfachversuche mit verschiedenen Lösungsmitteln, für Komposit und blanke Eisenoxid-Nanopartikel ähnlich. Die Kapillarität der Materialien wurde mit Ethylenglycol für blanken CNTs gemäß Literatur [60, 61] bestimmt. Für alle anderen Materialien wurde Hexan als Flüssigkeit mit sehr geringer Oberflächenspannung (18,4 mJ m⁻²) gewählt, um die Kapillarität zu bestimmen. Blanke Eisenoxid-Nanopartikel besitzen eine gesamte freie Oberflächenenergie von 55,9 mJ m⁻², während das Kompositmaterial eine Oberflächenenergie von 47,1 mJ m⁻² aufweist (Abb. 5b). Das Kompositmaterial hat einen leicht höheren polaren Anteil. Unbehandelte CNTs und cCNTs verhalten sich jedoch völlig anders. Unbehandelte CNTs zeigen eine hohe dispersive freie Oberflächenenergie, während cCNTs nach der Methode von Owens, Wendt, Rabel und Kälble [48] stark polar sind. Aus dieser Methode lassen sich die polaren und dispersiven Anteile der Benetzungsflüssigkeiten und die resultierenden Kontaktwinkel aus Kapillaraufstiegsexperimenten vergleichen (Zusatzdatei 1: Abb. S4). Die Oberflächenfreie Energie der CNTs, ermittelt mit dieser Methode, liegt leicht über den Ergebnissen von Dresel und Teipel, die ebenfalls Kapillaraufstiegsexperimente mit Baytube-CNTs durchführten [60]. Die Tensiometrie-Ergebnisse der Kapillaraufstiegsmethode sind ein interessanter Indikator, um Unterschiede wie Polarität und Benetzung mit Wasser von Nanomaterialoberflächen zu beschreiben. Besonders bei nanostrukturierten Oberflächen und Kapillaren kann diese Methode jedoch fehleranfällig sein. Alle Materialien weisen eine hohe spezifische Oberfläche auf (Zusatzdatei 1: Abb. S5). Blanke Eisenoxid-Nanopartikel zeigen eine spezifische Oberfläche von 110 m² g⁻¹, cCNTs besitzen 228 m² g⁻¹ und das Kompositmaterial 131 m² g⁻¹. Diese spezifische Oberfläche liegt in einem ähnlichen Bereich, besonders wenn man die volumetrische Oberfläche berücksichtigt, da die Dichten von cCNTs (1,46 g cm⁻¹), cCNT-SPIONs (2,38 g cm⁻¹) und SPIONs (3,8 g cm⁻¹) stark variieren. Die Dichte der CNTs stimmt gut mit der Variationsbreite der Dichte für Kohlenstoffnanoröhren überein [53].

Abb. 5: Zeta-Potenzial von SPIONs und cCNT-SPIONs von pH 4 bis 10 (a) und freie Oberflächenenergie aus Kapillaraufstiegsexperimenten nach der OWRK-Methode (b).

Um das Kompositmaterial für Festphasenextraktion und Chromatographieprozesse nutzbar zu machen, wurden die statische und dynamische Bindungskapazität von Aminosäuren verglichen. Ein Hauptziel dieser Studie war es zu prüfen, ob das Kompositmaterial in einem Chromatographiesystem eingesetzt werden kann, in dem Eisenoxid-Nanopartikel als stationäre Phase fungieren. Die blanken Nanopartikel können aufgrund des großen Druckabfalls und möglicher Verluste durch den Filter nicht allein als stationäre Phase in einer Chromatographiesäule verwendet werden. Daher kann das Bindungsverhalten von Aminosäuren an blanken Nanopartikeln nur mit Adsorptionsisothermen im Gleichgewicht verglichen werden. In Abb. 6a lässt sich ein ähnliches Verhalten der Adsorptionsisotherme von L-Lysin an cCNT-SPIONs und SPIONs beobachten. Die Gleichgewichtsbindungskonstante (K_D) liegt in einem ähnlichen Bereich (0,17 g L⁻¹ für cCNT-SPIONs und 0,72 g L⁻¹ für SPIONs), während die maximale Bindungskapazität stark differiert (0,91 g g⁻¹ für cCNT-SPIONs und 0,15 g g⁻¹ für SPIONs). Die Unterschiede in Affinität und Bindungskapazität lassen sich durch starke elektrostatische Wechselwirkungen zwischen Lysin und negativ geladenen Materialien wie cCNTs im Vergleich zu den Wechselwirkungen mit amphiphilen Eisenoxiden erklären [62]. Eisenoxid-Nanopartikel sind jedoch in PBS-Puffer meist ebenfalls negativ geladen, da sie durch Phosphationen komplexiert werden [63]. L-Lysin wurde gewählt, da diese Aminosäure mit der TNBSA-Methode leichter detektierbar ist als andere Aminosäuren [49]. Die maximale Beladung liegt in einem ähnlichen Bereich wie in der Literatur für kationische Adsorbentien wie Methylenblau oder Anilin an eisenoxid-dekorierten Kohlenstoffnanoröhren [17, 51]. Für die dynamische Bindungskapazität, ermittelt durch inverse Flüssigchromatographie-Versuche, zeigen sich große Unterschiede zwischen cCNTs und cCNT-SPIONs. Während positiv geladenes L-Lysin eine höhere DBC an cCNTs aufweist, zeigt negativ geladenes L-Glutamat eine signifikant höhere DBC an cCNT-SPIONs. Dieses Verhalten stimmt gut mit der Literatur überein, in der L-Glutamat eine hohe Affinität zu Eisenoxid-Nanopartikeln demonstriert [59, 64]. Die hohe Affinität von L-Lysin zu cCNTs lässt sich durch elektrostatische Wechselwirkungen zwischen der positiv geladenen Aminosäure und den negativ geladenen, carboxylfunktionalisierten Nanoröhren erklären. Glycin zeigt eine höhere dynamische Bindungskapazität an cCNT-SPIONs als an cCNTs, was durch den amphiphileren Charakter der Eisenoxidoberflächen erklärt werden könnte. Die hohe dynamische Bindungskapazität von L-Cystein am Kompositmaterial stimmt gut mit der Literatur und der Bildung von Cystin durch Wechselwirkung von L-Cystein mit Eisenionen überein [59]. L-Histidin zeigt eine hohe dynamische Bindungskapazität an allen Materialien, da elektrostatische, koordinative und hydrophobe Wechselwirkungen möglich sind. Während die mit cCNT-SPIONs gepackte Säule einen höheren HETP-Wert im Vergleich zu CNTs und cCNTs aufweist, ist die Asymmetrie von cCNT-SPIONs ähnlich wie bei cCNTs und liegt mit ca. 0,7 in einem Bereich, der die Analyse von Durchbruchskurven erlaubt (Zusatzdatei 1: Abb. S6 und Tabelle S2). Die Porosität aller Systeme liegt in einem ähnlichen Bereich zwischen 0,78 und 0,94 und stimmt gut mit anderen stationären Phasen überein, die für inverse Chromatographieversuche verwendet werden [65].

Abb. 6: Statische Bindungskapazitäten von L-Lysin mit cCNTs, cCNT-SPIONs und SPIONs bei pH 7,8 in 100 mM Phosphatpuffer (a). Dynamische Bindungskapazitäten bei 10 % des Durchbruchs von cCNT-SPIONs, CNTs und cCNTs aus inversen Chromatographieversuchen mit verschiedenen Aminosäuren bei pH 6 (b).

Fazit

In dieser Studie wurde ein Kompositmaterial synthetisiert, das superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel und Kohlenstoffnanoröhren kombiniert. Das erste Ziel war die Untersuchung der Oberflächeneigenschaften des Kompositmaterials, um den Anteil jedes Ausgangsmaterials am finalen Komposit zu verstehen. Zudem diente die Studie als Machbarkeitsnachweis, um den Effekt solcher Materialien für die Molekültrennung mit Fokus auf das Retentionsverhalten von Aminosäuren in der Flüssigchromatographie zu testen. Die Idee war, die Oberflächenreaktivität von Eisenoxid-Nanopartikeln mit den Packungseigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren zu verbinden – einer chromatographischen Matrix, die zu sehr geringem Druckabfall führt. Es gelang, ein Chromatographiesystem zu etablieren und die Wechselwirkung von positiv oder negativ geladenen sowie ungeladenen Aminosäuren mit dem Kompositmaterial zu charakterisieren. Daher könnte dieses Material ein guter Indikator für Interaktionen mit einer CNT-basierten Matrix sein. Nicht nur der Einsatz in einem Chromatographiesystem, sondern auch Prozesse wie Festphasenextraktion sind mit dem erzeugten Material möglich, aufgrund der hohen Sättigungsmagnetisierung, die mit dem beschriebenen Dekorationsverfahren erzielt wurde [33]. Die magnetischen Eigenschaften ermöglichen eine einfache magnetische Trennung, während die Kohlenstoffnanoröhren die makroskopische Struktur und die Zugänglichkeit der Zielmoleküle zur Oberfläche regulieren. Mit dieser Studie möchten wir die Ähnlichkeit von magnetischer Trennung und analytischer Chromatographie hervorheben, da ähnliche Materialien und Adsorptionsgleichgewichte demonstriert werden können, trotz vielfältiger Unterschiede. Für die zukünftige Nutzung dieses einzigartigen magnetischen Materials scheinen insbesondere seine hydrodynamischen Eigenschaften interessant und sollten analysiert werden, z. B. für Mixed-Mode-Anwendungen in der Chromatographie. Darüber hinaus könnten die elektrischen Eigenschaften des Komposits den Weg für weitere elektrochemische Anwendungen ebnen. Tabassum et al. fassten vielfältige Anwendungen für metallbasierte Nanopartikel zusammen, die in Kohlenstoffnanoröhren eingeschlossen sind, und eröffneten Möglichkeiten für Elektrokatalyse, Energieumwandlung und Speichergeräte [66].

Das Verständnis und Design von Kompositmaterialien sowie die Beschreibung von Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften ist anspruchsvoll. Dennoch haben Kompositmaterialien das Potenzial, Türen für höhere Komplexität in Anwendungen aller Bereiche in der Zukunft zu öffnen. Chromatographie ist gewissermaßen eine Pioniertechnologie, die für alle erdenklichen Zielverbindungen anwendbar ist und ein sehr breites Portfolio an Methoden und Verarbeitungslösungen bietet. Wir glauben, dass Materialien wie das in dieser Studie vorgestellte notwendig sind, um den Anteil verschiedener Eigenschaften in einer bestimmten Verarbeitungsform zu verstehen und wie Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung den endgültigen Output von Prozessen beeinflussen, die auf Wechselwirkungen an der Fest-Flüssig-Grenzfläche basieren.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

Abkürzungen

BET:

Brunauer-Emmett-Teller

cCNT:

Carboxylierte Kohlenstoffnanoröhren

cCNT-SPIONs:

Carboxylierte Kohlenstoffnanoröhren mit anhaftenden superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln

CNTs:

Kohlenstoffnanoröhren

D-Band:

Defektband (Diamond band)

DBC:

Dynamische Bindungskapazität

EMG:

Exponentiell modifizierter Gauss

FWHM:

Halbwertsbreite (Full width at half maximum)

HETP:

Höhe, die einem theoretischen Boden entspricht (Height equivalent to a theoretical plate)

G-Band:

Graphitband

OWRK:

Owens, Wendt, Rabel, Kälble

PBS:

Phosphateingepufferte Kochsalzlösung

SPIONs:

Superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel

TEM:

Transmissionselektronenmikroskop

TNBSA:

2,4,6-Trinitrobenzolsulfonsäure

UHV:

Ultrahochvakuum

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgenbeugung