劉 捷，劉廣力，李 霞，劉 琳，湯克勇

（鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州 450052）

0 引言

pH的準(zhǔn)確和快速測量在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境分析等領(lǐng)域具有重要作用。近年來，人們利用凝膠的親水性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及敏感特性開發(fā)了一系列可用于光導(dǎo)纖維的凝膠基pH傳感材料，這類材料具有不帶電、抗電磁干擾能力強(qiáng)、無污染等優(yōu)點(diǎn)［1，2］。將常用的化學(xué)指示劑固定于惰性凝膠基質(zhì)中是制備凝膠基pH傳感器的重要方法之一。常用的指示劑固定方法有3種:吸附法、共價(jià)鍵結(jié)合法、包埋法。吸附法通常比較簡單，但指示劑容易發(fā)生泄漏;共價(jià)鍵結(jié)合的方法相對比較麻煩，而且時(shí)間較長，但是指示劑一般不容易泄漏;包埋法是將指示劑包埋在多孔的聚合物基質(zhì)里，這種方法同樣容易實(shí)現(xiàn)，但也可能發(fā)生指示劑泄漏或改變指示劑的響應(yīng)范圍［3］。對于基質(zhì)材料的選擇，通常要求具有質(zhì)子選擇透過性、光透過性、高親水性、耐強(qiáng)酸堿性和優(yōu)良的機(jī)械性能等。pH指示劑與凝膠網(wǎng)絡(luò)通過共價(jià)鍵、離子鍵或氫鍵等作用結(jié)合均可制備pH敏感材料。陳天祿等人以化學(xué)交聯(lián)聚乙烯醇固定剛果紅和苯酚紅低聚物等，制備光響應(yīng)性 pH 傳感材料［4，5］。Hashemi P等人用瓊脂糖作為固定載體固定剛果紅、中性紅等指示劑，制備了一系列凝膠基pH傳感材料［6，7］。但是，上述凝膠中的化學(xué)交聯(lián)劑可能會(huì)對凝膠結(jié)構(gòu)和響應(yīng)特性產(chǎn)生不利影響，而研究無交聯(lián)劑的物理交聯(lián)凝膠作為傳感基質(zhì)材料的報(bào)道不多。聚乙烯醇是一種無毒、無刺激性的親水性、半結(jié)晶性高聚物，具有良好的吸水性、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，是固定指示劑最理想的載體之一。將聚乙烯醇溶液反復(fù)低溫冷凍，然后室溫解凍處理，可形成具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水凝膠，其交聯(lián)點(diǎn)由冷凍—解凍過程中形成的微晶區(qū)構(gòu)成，是典型的物理交聯(lián)水凝膠［8］。物理交聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)在于從根本上避免了交聯(lián)劑對凝膠結(jié)構(gòu)和分子鏈上活性基團(tuán)的影響，有利于其在傳感、生物、組織工程等領(lǐng)域的應(yīng)用［9］。

本文研究通過循環(huán)冷凍—解凍法制備了剛果紅—聚乙烯醇凝膠膜，利用紫外—可見光譜儀測試了該凝膠膜的pH敏感特性，探討了膜的響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性，并與化學(xué)交聯(lián)剛果紅—聚乙烯醇（CCGR—PVA）凝膠膜的pH敏感性進(jìn)行了對比研究，分析了物理凝膠作為pH傳感基質(zhì)材料的優(yōu)點(diǎn)。研究結(jié)果說明物理交聯(lián)剛果紅—聚乙烯醇（PCGR—PVA）凝膠膜作為化學(xué)或生物傳感領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 PCGR—PVA 凝膠膜的制備

稱取聚乙烯醇8 g，二甲基亞砜70 mL，去離子水30 mL，加入到250 mL的三口瓶中，90℃水浴加熱，攪拌4 h，冷卻、脫泡備用。將聚乙烯醇溶液注入自制的玻璃模具中密封，置入-20℃冰箱中冷凍20 h，取出室溫解凍4 h，為一個(gè)循環(huán)。循環(huán)3次，制得PCGR—PVA凝膠膜。將膜放入100 mg/mL的剛果紅溶液中室溫下浸泡24 h，取出用去離子水充分洗滌，儲(chǔ)存在去離子水中備用。

1.2 CCGR—PVA/CCGR-PVA 凝膠膜的制備

稱取聚乙烯醇8g，去離子水92mL，加入到250mL的三口瓶中，90℃水浴加熱，攪拌4 h。冷卻、脫泡備用。稱取10 g聚乙烯醇水溶液，加入0.25 mL 10 wt%的戊二醛溶液，磁力攪拌30 min，加入0.1 mL 4 mol/L的鹽酸溶液，攪拌1 min后在自制的玻璃模具中鋪膜，2 h后取出即得戊二醛交聯(lián)的聚乙烯醇膜。將制得的膜用去離子水反復(fù)沖洗，然后放入不同濃度的剛果紅溶液里浸泡24 h，取出用去離子水充分洗滌，儲(chǔ)存在去離子水中備用。

1.3 PCGR—PVA/CCGR-PVA凝膠膜的pH敏感特性測定

將上述制備的凝膠膜固定于自制聚丙烯框式支撐架上，插入盛有緩沖溶液的石英比色皿中，以相應(yīng)的緩沖溶液做參比，使用日本島津UV—2550型紫外可見分光光度計(jì)掃描并記錄不同pH值下吸光度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的吸收光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 PCGR—PVA和CCGR—PVA凝膠膜的pH敏感特性

圖1（a）和（b）所示分別為 PCGR—PVA和 CCGR—PVA凝膠膜的可見光吸收譜，掃描范圍300～700 nm。從圖中可以看出:PCGR—PVA和CCGR—PVA凝膠膜在300～700nm范圍內(nèi)均存在最大吸收波長，且最大吸收波長隨pH改變而變化。PCGR—PVA凝膠膜的最大吸收波長在pH由5.33降至0.29時(shí)從507 nm紅移至594 nm（圖1（a））。在光譜掃描范圍內(nèi)，PCGR—PVA凝膠膜的吸光度在不同波長范圍內(nèi)的變化趨勢相反，以波長530 nm為分界點(diǎn)，當(dāng)測量波長小于530 nm時(shí)，凝膠膜的吸光度隨著pH的降低而下降;測量波長大于530 nm時(shí)，吸光度隨著pH的降低而增加。CCGR—PVA凝膠膜的最大吸收波長和吸光度變化情況與PCGR—PVA凝膠膜相似，在pH由5.33降至0.29時(shí)從500 nm紅移至612 nm（圖1（b））。以540 nm波長為分界點(diǎn)，當(dāng)測量波長小于540 nm時(shí)，吸光度隨著pH的降低而下降;大于540 nm時(shí)，吸光度隨著pH的降低而增加。

圖1 PCGR—PVA和CCGR—PVA凝膠膜在不同pH緩沖溶液中的紫外—可見吸收光譜Fig 1 UV/Vis absorption spectrum of PCGR—PVA ＆CCGR—PVA gel membranes in different pH buffer solutions

Kostov Y等人將剛果紅固定在醋酸纖維素上，與剛果紅溶液相比，剛果紅—醋酸纖維素復(fù)合物的光譜曲線在紫外區(qū)出現(xiàn)新的吸收峰，據(jù)此認(rèn)為剛果紅是通過化學(xué)鍵合固定到載體上，并指出這種鍵合方式導(dǎo)致剛果紅的光譜性質(zhì)發(fā)生變化［10］。陳天祿等人將剛果紅固定在甲醛和環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)的聚乙烯醇膜上，認(rèn)為剛果紅和聚乙烯醇上的氫鍵作用以及交聯(lián)劑引入的新的化學(xué)鍵是光譜在可見光區(qū)發(fā)生變化的原因［4］。對比圖1（a）和圖1（b）可以發(fā)現(xiàn)，相對于PCGR—PVA凝膠膜，隨溶液pH的降低，CCGR—PVA凝膠膜的紅移現(xiàn)象更明顯，在相同pH變化范圍內(nèi)（5.33～0.29），PCGR—PVA和CCGR—PVA凝膠膜的紅移波長數(shù)分別為87，112 nm。這表明CCGR—PVA對剛果紅的敏感特性產(chǎn)生了更顯著的影響，而PCGR—PVA凝膠依靠微晶區(qū)交聯(lián)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則對剛果紅分子pH敏感性的影響較小。

2.2 PCGR—PVA和CCGR—PVA凝膠膜的線性響應(yīng)范圍

圖2所示為PCGR—PVA與CCGR—PVA凝膠膜分別在峰值波長594nm和612nm處的吸光度隨pH變化情況。在pH 4.33～0.29范圍內(nèi)，2種凝膠膜的吸光度均與pH呈較好的線性關(guān)系。隨緩沖溶液pH的升高，凝膠膜的吸光度下降并接近0。對4.33～0.29范圍內(nèi) PCGR—PVA與 CCGR—PVA凝膠膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，其線性方程的斜率分別為-0.36，-0.159。擬合直線斜率絕對值越大，溶液單位pH的改變就能獲得更大的吸光度改變量，擬合結(jié)果表明:PCGR—PVA凝膠膜對pH的響應(yīng)比CCGR—PVA凝膠膜更靈敏。聚乙烯醇分子鏈上有大量羥基，這些羥基與剛果紅分子之間穩(wěn)定的氫鍵作用是剛果紅能夠固定在聚乙烯醇凝膠中的主要原因。與PCGR—PVA凝膠相比，CCGR—PVA凝膠膜由于戊二醛與PVA之間的縮醛化反應(yīng)，會(huì)減少聚乙烯醇與剛果紅結(jié)合的位點(diǎn)，因此，CCGR—PVA凝膠膜能夠固定的剛果紅較PCGR—PVA凝膠少，導(dǎo)致其對pH響應(yīng)產(chǎn)生的光信號(hào)改變量較低，靈敏度也因此較差。

圖2 PCGR—PVA和CCGR—PVA凝膠膜的響應(yīng)曲線Fig 2 Response curves of PCGR—PVA ＆ CCGR—PVA gel membranes

2.3 響應(yīng)時(shí)間與穩(wěn)定性

傳感器的響應(yīng)時(shí)間是決定傳感器實(shí)用性的一個(gè)重要評估參數(shù)，響應(yīng)時(shí)間越短，越容易實(shí)現(xiàn)對刺激信號(hào)的快速和實(shí)時(shí)測量。通常降低凝膠傳感器響應(yīng)時(shí)間的方法有降低敏感層厚度、選擇高親水、高傳質(zhì)能力的載體以及改善測試環(huán)境等方法［11］。圖3為PCGR—PVA凝膠膜分別在 pH為4.44，3.46，2.44，1.21 緩沖溶液中反復(fù)浸泡的響應(yīng)時(shí)間曲線，凝膠膜的厚度為100 μm。從圖中看出:當(dāng)溶液酸性較弱時(shí)，PCGR—PVA凝膠膜對pH的響應(yīng)迅速，響應(yīng)時(shí)間小于10 s;當(dāng)溶液酸性較強(qiáng)時(shí)，pH從2.44降至1.21時(shí)，響應(yīng)曲線會(huì)出現(xiàn)先迅速上升，最后逐漸平緩的變化過程，響應(yīng)平衡時(shí)間約為200 s。這主要是由于剛果紅分子分布在整個(gè)凝膠內(nèi)部，因此，氫離子的擴(kuò)散是剛果紅響應(yīng)時(shí)間的控制因素，凝膠內(nèi)部的剛果紅需要一定的擴(kuò)散時(shí)間，待溶液中的氫離子擴(kuò)散到整個(gè)凝膠膜內(nèi)才能發(fā)生完全的變色反應(yīng)。

圖4所示為PCGR—PVA凝膠膜在不同pH緩沖溶液中浸泡3個(gè)月之后的數(shù)碼照片。對緩沖溶液和PCGR—PVA凝膠膜分別進(jìn)行紫外—可見光譜掃描，結(jié)果并沒有在緩沖溶液中檢出剛果紅，凝膠膜的吸光度也沒有明顯變化，表明PCGR—PVA凝膠膜具有良好的存儲(chǔ)穩(wěn)定性。

圖3 PCGR—PVA凝膠膜在不同pH緩沖溶液中的響應(yīng)過程Fig 3 Response process of PCGR—PVA gel membrane in different pH buffer solutions

圖4 PCGR—PVA凝膠膜在不同pH緩沖溶液中存儲(chǔ)3個(gè)月后的數(shù)碼照片F(xiàn)ig 4 Digital images of PCGR—PVA gel membranes stored for 3 months in different pH buffer solutions

3 結(jié)論

凝膠基化學(xué)和生物傳感器是近年來傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，而傳感載體凝膠材料的結(jié)構(gòu)與性能是影響傳感器傳感性能的重要因素。本文用冷凍—解凍法制備了高透明聚乙烯醇物理凝膠，并對指示劑剛果紅進(jìn)行了固定，然后，利用紫外—可見光譜法對比研究了PCGR—PVA和CCGR—PVA凝膠膜的pH敏感特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn):PCGR—PVA和CCGR—PVA凝膠膜在pH 0.29～4.33范圍內(nèi)對pH均呈較好的線性響應(yīng)，但PCGR—PVA凝膠膜對pH響應(yīng)的靈敏度遠(yuǎn)優(yōu)于CCGR—PVA凝膠膜。PCGR—PVA凝膠膜的響應(yīng)時(shí)間在弱酸中小于10 s，在強(qiáng)酸中小于200 s。說明PCGR—PVA凝膠是優(yōu)異的pH傳感材料。

［1］Richter A，Paschew G，Klatt S，et al.Review on hydrogel-based pH sensors and microsensors［J］.Sensors，2008，8（1）:561-581.

［2］Zhao Changsheng，Nie Shengqiang，Tang Min，et al.Polymeric pH-sensitive membranes—A review［J］.Progress in Polymer Science，2011，36（11）:1499-1520.

［3］Rivolo P，Pirasteh P，Chaillou A，et al.Oxidised porous silicon impregnated with Congo Red for chemical sensoring applications［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，2004，100（1-2）:99-102.

［4］Liu Zhihong，Liu Junfeng，Chen Tianlu.Phenol red immobilized PVA membrane for an optical pH sensor with two determination ranges and long-term stability［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，2005，107（1）:311-316.

［5］Liu Zhihong，Luo Faliang，Chen Tianlu.Phenolphthalein immobilized membrane for an optical pH sensor［J］.Analytica Chimica Acta，2004，510（2）:189-194.

［6］Hashemi P，Abolghasemi M M.Preparation of a novel optical sensor for low pH values using agarose membranes as support［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，2006，115（1）:49-53.

［7］Hashemi P，Zarjani R A.A wide range pH optical sensor with mixture of neutral red and thionin immobilized on an agarose film coated glass slide［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，2008，135（1）:112-115.

［8］Christie M H，Nikolaos A P.Structure and applications of poly（vinyl alcohol）hydrogels produced by conventional crosslinking or by freezing/thawing methods［J］.Advances in Polymer Science，2000，153:37-65.

［9］劉 捷，楊旭陽，湯克勇，等.物理交聯(lián)聚乙烯醇/明膠復(fù)合水凝膠透明性的溶劑敏感性［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2012，28（9）:69-71.

［10］Kostov Y，Neykov A.Rapid covalent method for fabrication of optical pH sensitive membranes［J］.Analytical Letters，2000，33（3）:413-423.

［11］Shin J，Braun P V，Lee W.Fast response photonic crystal pH sensor based on templated photo-polymerized hydrogel inverse opal［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，2010，150（1）:183-190.