石墨烯掺杂高内相乳液聚合三维多孔材料在蛋白分离与分析中的应用研究

Polymerized high internal phase emulsions (PolyHIPEs) and three-dimensional graphene oxide (GO) materials both have a high porosity, low density, large surface areas, and good mass transfer capability. This project intends to prepare desirable and functional three-dimensional porous materials based on PolyHIPEs and PolyHIPEs doped with GO. Also, application of the materials for enzyme immobilization, protein separation and analysis will be studied. The main research including: Preparation of three-dimensional porous polyHIPEs by regulating the ratio of continuous/dispersed phase and optimization the polymerizable monomer and polymerization process; Graphene oxide functionalization by esterification, acylation and π-π conjugate systems for hydrophilicity or lipophilicity property; Preparation of PolyHIPEs doped with graphene oxide by using functionalized graphene oxide and inorganic nanoparticles to form a stable Pickering emulsion; Enzyme immobilization on the hybrid materials with carbodiimide or other specific recognition groups for efficient digestion of proteins; Polymeric materials preparation for enrichment and selectivity separation of low-abundance proteins/peptides and for LC-MS/MS sensitivity analysis. The main purpose is to develop a three-dimensional functional interoperable porous materials for enzyme immobilization and proteins separation and analysis in complex biological samples. Furthermore, it will provide technical support for the application of HIPEs and three-dimensional graphene oxide hybrid materials in biological macromolecules separation and enzyme immobilization.

高内相乳液聚合物(PolyHIPEs)及三维氧化石墨烯（3D-GO）均具有孔隙率高、密度低、比面积大及物质传输能力强等性质。本课题拟制备三维多孔PolyHIPEs及GO掺杂PolyHIPEs材料并应用于酶固定化及蛋白分离分析。主要研究：通过调控连续相/分散相组成，优化聚合单体及聚合过程，制备三维多孔PolyHIPEs分离富集材料；通过酯化、酰化及π－π共轭等改性GO使其具有良好亲水亲油性结合无机纳米粒子稳定Pickering乳液，制备GO掺杂PolyHIPEs三维多孔材料；通过碳二亚胺等固定化酶用于蛋白质的高效酶解；研究多孔聚合物分离富集小分子蛋白/肽结合LC-MS/MS实现蛋白质、多肽的高灵敏分离分析。总体目标是研究制备功能化的三维互通多孔性聚合物并实现蛋白酶的固定化与复杂生物样品中蛋白的分离与分析，为HIPE、三维氧化石墨烯杂化材料应用于固定化酶及生物大分子分离分析提供新技术平台。

高内相乳液（HIPEs）是一种包含有反应单体的有机相水相混合乳液，经聚合以后再将水相除去以后得到的高内相乳液聚合物（polyHIPEs）不仅孔隙率极高，还具有良好的通透性，网络骨架清晰的框架，因此HIPEs法也逐渐成为了制备多孔聚合物的一种重要方法。聚合过程中，分散相一般不参与多孔材料骨架的构建，因此固化后只剩有机聚合骨架，但无机内相的存在使得聚合后的材料形成许多空腔和孔洞结构，同时表面具有可修饰的官能基团，可很好地应用到色谱分离分析过程中，实现复杂基质下目标物的良好吸附与分离，在检测分离等方面也具有广泛的使用价值。. 通过四个年度的研究和探索，在组内成员的共同努力下，该项目基本完成预期指标：顺利完成石墨烯掺杂高内相乳液聚合三维多孔材料的构建及其在生物样本中蛋白及环境污染物分离与分析中的应用研究，即构建了石墨烯功能化的新型聚合材料应用于环境水样中13种多环芳烃的吸附清除性能研究和染料的光催化降解性能研究；构建了高内相乳液聚合物整体柱联合HPLC技术分离分析环境水样中雌激素；构建了磁性有机金属框架材料掺杂高内相乳液复合材料，以此作为固相萃取吸附剂结合HPLC分离分析环境水样中的四环素类抗生素；构建了聚乙烯吡咯烷酮修饰的氧化石墨烯高内相乳液聚合物联用HPLC技术分离分析人体尿液中的雌激素；构建了基于高内相乳液聚合物衍生的多孔碳材料结合HPLC技术分离分析环境水样中的环境样品中的农药和环境激素；构建了基于适配体掺杂高内相乳液聚合物联用LC-MS技术分离分析人体中的凝血酶。本项目开发的多孔材料可以为生物样本和环境污染物的分离与富集提供新的策略。项目取得了较好的成果，培养研究生9名，发表论文23篇，获得授权专利2项，获得广西科学技术奖三等奖1项。项目的开展不仅丰富了高内相乳液材料的制备与应用，同时也为样品前处理以及色谱分离分析提供了一种具有潜在应用前景的多孔型材料。