2017年，東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院張?jiān)〗淌趫F(tuán)隊(duì)在JACS上發(fā)表了題為“Simultaneous Noncovalent Modification and Exfoliation of 2D Carbon Nitride for Enhanced Electrochemiluminescent Biosensing”的文章。

該文章開創(chuàng)性地提出了一種對(duì)CN進(jìn)行非共價(jià)剝離和界面修飾的方式：通過機(jī)械研磨使塊狀CN與芳香分子共混，利用 π-π 堆疊相互作用（圖1），可同時(shí)實(shí)現(xiàn)CN的剝離與修飾，從而規(guī)避前述所有難題。這種非共價(jià)修飾在向CN表面引入新基團(tuán)時(shí)，并未改變CN自身的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)。該策略不僅改善了分散性，還為外來分子提供了親和連接位點(diǎn)，并賦予其性能提升。例如，文中就將含有主要平面芳香骨架的吡啶羧酸鈉修飾在CN上，進(jìn)而錨定DNA探針，最后成功構(gòu)建出高性能的電致發(fā)光DNA生物傳感器。

圖1.通過非共價(jià) π-π 堆積作用實(shí)現(xiàn)氮化碳（CN）普適性剝離與改性過程。

具體的過程為：將吡啶羧酸鈉（PyCOOH，鈉鹽）溶解在水中，然后加入塊狀CN粉末。隨后，通過手動(dòng)研缽研磨或球磨機(jī)研磨施加持續(xù)剪切力處理混合物2-4小時(shí)。去除大塊沉淀物后，得到了一種高度穩(wěn)定的乳白色分散液，其中含有吡啶羧酸鈉修飾的CNNS（命名為m-CNNS）。

為了探究在兩種研磨條件（手動(dòng)和球磨機(jī)）下是否添加吡啶羧酸鈉對(duì)塊狀CN的剝離效率的影響，研究者設(shè)置了未添加/添加吡啶羧酸鈉的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示：手動(dòng)研磨模式下，未添加吡啶羧酸鈉的體系上清液清澈透明，表明幾乎無CNNS被剝離；而添加吡啶羧酸鈉的體系可獲得乳白色上清液；球磨機(jī)模式下，未添加吡啶羧酸鈉時(shí)僅可獲得淺透明上清液；添加后，所得乳白渾濁分散液濃度顯著提高，表明剝離效率大幅提升。

圖2.兩種研磨條件下，是否添加吡啶羧酸鈉對(duì)CNNS剝離效率的影響。

在宏觀層面上，我們得知獲得了含有CNNS的分散液，研究者進(jìn)一步利用透射電子顯微鏡（TEM）和動(dòng)態(tài)光散射（DLS）分別觀察和測(cè)量了塊狀CN和CNNS的形態(tài)以及粒徑大小。如圖3所示：a為典型的塊狀顆粒結(jié)構(gòu)，而b中其近透明狀表明，CNNS是一種超薄的片狀結(jié)構(gòu)，并且橫向尺寸約為138.7 ± 0.7 nm，相較于塊狀CN顆粒（約數(shù)微米）變小了，但仍略大于傳統(tǒng)液相剝離法制備的CNNS（約111.4 ± 1.5 nm）。

圖3.(a)為塊狀CN的TEM圖，(b)為經(jīng)過研磨方式剝離后CNNS的TEM圖以及尺寸大小及分布。

除此之外，研究者還探究了不同的吡啶衍生物對(duì)CNNS剝離效率以及分散性的影響。分別選擇了帶負(fù)電荷的吡啶羧酸鈉和帶正電荷的1-芘甲胺鹽酸鹽作為對(duì)照來剝離CN。

圖4. (a) 1-芘甲胺鹽酸鹽（Py-NH₃Cl）與吡啶羧酸鈉（Py-COONa）的分子結(jié)構(gòu)，(b) 經(jīng)相同機(jī)械研磨及離心去除大顆粒后，水中CN/Py-NH₃Cl（左）與CN/Py-COONa（m-CNNS）（右）分散體系的照片，(c) 含不同濃度Py-NH₃Cl（從左至右：0、5、10、50、100及500 μg/mL）的CNNS分散液（0.1 mg/mL）照片，(d) 含不同濃度Py-COONa的CNNS分散液（0.1 mg/mL）照片，(e) 不同濃度Py-COONa溶液中CNNS分散液（0.1 mg/mL）的Zeta電位分布曲線。

我們可以發(fā)現(xiàn)，與使用1-芘甲胺鹽酸鹽的情況相比，在相同研磨條件下，通過吡啶羧酸鈉功能化的CN材料形成了更明顯的乳白色分散液（圖4.b）。此外，通過超聲輔助液相剝離法將不同濃度Py-NH₃Cl加入CNNS分散液進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著Py-NH₃Cl濃度增加，CNNS分散液發(fā)生聚集沉降（圖4.c）；而對(duì)照組CNNS分散液則保持穩(wěn)定（圖4.d）。這些現(xiàn)象表明帶負(fù)電的芘衍生物更有利于實(shí)現(xiàn)同步改性與剝離?？赡艿脑蚴牵河捎贑NNS分散在水溶液中呈電負(fù)性，雖然CN與Py-NH₂間的 π-π 堆積作用有利于剝離，但相反的電荷導(dǎo)致兩者相互吸引引發(fā)顯著聚集，從而降低了體系的穩(wěn)定性，使得CNNS在水中的分散性變差。

最后，研究者將不同濃度（0、5、10、50、100、500μg/mL）的吡啶羧酸鈉加入到1mg/mL的CNNS分散液中，觀察帶負(fù)電荷的吡啶羧酸鈉對(duì)整個(gè)CNNS分散體系穩(wěn)定性的影響。反應(yīng)分散體系穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)便是Zeta電位。從圖4.e可以看到由于吡啶羧酸鈉的整體添加量少，Zeta電位的變化其實(shí)并不明顯，這就使得傳統(tǒng)的電泳光散射（ELS）測(cè)量Zeta電位的靈敏度并不能夠滿足這個(gè)實(shí)驗(yàn)要求。最終研究者使用了配備布魯克海文儀器公司特有相位分析光散射（PALS）技術(shù)的NanoBrook Omni來測(cè)量Zeta電位，該技術(shù)使其Zeta電位的測(cè)量靈敏度相較于傳統(tǒng)ELS模式高出約1000倍。從圖4.e可以看出，隨著吡啶羧酸鈉的濃度不斷提高，Zeta電位在一點(diǎn)點(diǎn)升高，由此可知，帶負(fù)電的吡啶羧酸鈉可作為穩(wěn)定劑增強(qiáng)CNNS間的靜電斥力，從而提升CNNS分散體系的穩(wěn)定性。