蔣 姝 廖定容 王康銳 楊清林 黃承洪

(1. 重慶科技學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院， 重慶 401331； 2. 重慶輕工職業(yè)學(xué)院食品藥品系， 重慶 401325)

蔣 姝1廖定容2王康銳1楊清林1黃承洪1

(1. 重慶科技學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院， 重慶 401331； 2. 重慶輕工職業(yè)學(xué)院食品藥品系， 重慶 401325)

顏色陣列以多孔疏水膜(PVDF)為基底進(jìn)行呈色反應(yīng)得到差譜圖，對(duì)重大疾病呼出氣進(jìn)行檢測(cè)，存在重復(fù)性較差的問(wèn)題。為了改善此問(wèn)題，研究采用溶膠-凝膠法制備卟啉化殼聚糖碳納米管(PCCNTs)復(fù)合物薄膜。與常規(guī)PVDF膜相比，PCCNTs復(fù)合物膜厚度0.2 mm，透光性良好，疏水，可以解決溶液在PVDF膜表面引起的不可控?cái)U(kuò)散和呈色反應(yīng)后信號(hào)扣除的邊際效應(yīng)問(wèn)題。

顏色陣列； 聚偏氟乙烯； 卟啉； 殼聚糖； 碳納米管

近年來(lái)，傳感器陣列在生化檢測(cè)中的應(yīng)用研究取得了很大的進(jìn)展[1-7]。各類應(yīng)用的基本原理是，結(jié)合VOCs的傳感物質(zhì)或者染料在多孔疏水基底膜 ( Polyvinylidenefluoride，PVDF)上的點(diǎn)樣形成樣品點(diǎn)，通過(guò)成像系統(tǒng)得到反應(yīng)前的紅-綠-藍(lán)(Red-green-blue，RGB)彩色圖譜，當(dāng)被檢測(cè)氣體與傳感物質(zhì)或者染料結(jié)合后通過(guò)成像系統(tǒng)得到反應(yīng)后的圖譜，反應(yīng)前后的RGB差譜圖對(duì)應(yīng)于被檢測(cè)氣體的特征圖譜。這種方法雖然靈敏、簡(jiǎn)單且成本低廉，但液態(tài)化學(xué)物質(zhì)或者染料在PVDF上擴(kuò)散各異使得樣品點(diǎn)呈色差異較大，而且還存在邊際效應(yīng)，RGB值誤差較大，最終檢測(cè)結(jié)果存在可重復(fù)性差的問(wèn)題[8]。因此，需要研制一種新型基底膜，使其具備液態(tài)傳感物質(zhì)或者染料能夠均勻分散、形貌一致，且氣體富集功能良好等特性。

殼聚糖具有良好的成膜能力，形成的膜還具有多孔結(jié)構(gòu)。卟啉及卟啉衍生物具有大環(huán)共軛芳香體系和生色基團(tuán)，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得分子中官能團(tuán)與客體分子之間可產(chǎn)生良好的相互作用從而可對(duì)其周邊卟啉進(jìn)行較好地控制。本次研究將利用卟啉化殼聚糖外面親水、里面疏水的獨(dú)特微球結(jié)構(gòu)，與碳納米管形成卟啉化殼聚糖碳納米管復(fù)合物，將其加工成疏水性的卟啉化殼聚糖碳納米管復(fù)合物薄膜(PCCNTs)，應(yīng)用于生化檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

單臂碳納米管(SWCNTs)，購(gòu)自成都有機(jī)化學(xué)試劑公司(純度>90%)；EDC(BCBF916V)，購(gòu)自Sigma公司；NHS (F20110210) 和殼聚糖(MW2×104；85-90%脫乙?；?，F(xiàn)20110519)，均購(gòu)自國(guó)藥試劑公司；單氨基或單羧基卟啉，為本實(shí)驗(yàn)室合成；聚偏氟乙烯膜，購(gòu)自Millipore公司(Bedford， MA， USA)；醋酸纖維素膜，購(gòu)自重慶博鑫生物試劑有限公司；染料，購(gòu)自Sigma-Aldrichs(t.Louis， MO， USA)公司；其他無(wú)機(jī)試劑，購(gòu)自重慶川東化工試劑有限公司，均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1) PCCNT前體物及復(fù)合物合成與表征。0.1 molL硝酸氧化SWCNT后用離心純凈水清洗3次，pH為4.5的稀鹽酸溶解殼聚糖，采用EDCNHS(摩爾比1 ∶0.5)活化單羧基卟啉，逐滴加入殼聚糖稀鹽酸溶液，以60 rmin轉(zhuǎn)速至少反應(yīng)30 min，用0.2 molL氫氧化鈉滴定至沉淀，回收后干燥至成粉末，也可以直接將反應(yīng)后的50 mL溶液在塑料盤(pán)中置4 ℃下自然成膜[9-10]。

(2) PCCNTs復(fù)合物薄膜制備與表征。采用溶膠-凝膠法制備PCCNTs復(fù)合物薄膜。加工的PCCNTs復(fù)合物經(jīng)高溫100 ℃熔融成溶膠狀，冷卻到50 ℃后調(diào)整pH為7.0的復(fù)合物溶液；然后置室溫冷卻至20 ℃，保持相對(duì)濕度70%以上，澆灌平底面板后保存至濕盒；最后降溫至4 ℃保存至少10 h，或者直接在室溫?cái)傞_(kāi)晾干，成膜后備用。

(3) PCCNTs復(fù)合物薄膜表征。PCCNTs復(fù)合物薄膜水溶性采用接觸角測(cè)量；粗糙度肉眼觀察；光學(xué)顯微鏡觀察PCCNTs微觀結(jié)構(gòu)；透光性以透光率測(cè)定。

(4) PCCNTs復(fù)合物薄膜應(yīng)用。將硅酸四乙酯(TEOS)、超純水、鹽酸、乙醇、指示劑溶液以體積比25 ∶4 ∶3 ∶15 ∶10的比例混勻，再將染料分子溶解在混勻的混合物溶液中，調(diào)節(jié)pH為7.0，用濾紙過(guò)濾，石英毛細(xì)管分別在PVDF和PCCNTs復(fù)合物膜上按照4×4陣列進(jìn)行點(diǎn)樣，點(diǎn)樣后的PVDF膜置50 ℃溫度下烘干，PCCNTs復(fù)合物膜置常溫晾干。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 PCCNTs復(fù)合物溶液

將制備好的新鮮卟啉化殼聚糖溶液存放于溫度為4 ℃的冰箱中。開(kāi)始試驗(yàn)前，將SWCNTs用濃硫酸氧化30 min，同時(shí)用80 kHz的超聲進(jìn)行處理。將多次淘洗的SWCNTs與卟啉化殼聚糖溶液在磁力下攪拌，60 rmin，混合組裝30 min，得到PCCNTs復(fù)合物的混懸溶液。圖1所示為復(fù)合物溶液。殼聚糖很難溶解于水，在水溶液中形成沉淀；而溶解于稀酸中，液體呈均一透明狀；卟啉不能溶解于水，能溶解于四氫呋喃溶液，呈紅色；卟啉功能化的殼聚糖呈黃色的渾濁液；當(dāng)與碳納米管溶液混合組裝后，呈穩(wěn)定均一的黑色懸液，可短期放置后不分層。

a — 殼聚糖水溶液；b — 殼聚糖酸溶液；c — 卟啉四氫呋喃溶液；d — 卟啉功能化殼聚糖；e — 卟啉功能化殼聚糖與碳納米管混合溶液。

2.2 PCCNTs復(fù)合物膜

PCCNTs復(fù)合物溶膠置于溫度為4 ℃的冰箱內(nèi)過(guò)夜成膜，膜厚與制備容器溶劑和溶膠黏度有關(guān)。圖2所示為PCCNTs 復(fù)合物膜及其顯微鏡下觀察圖。采用0.20%卟啉、0.01% SWCNT溶膠制備成膜，膜厚0.6 mm，保留殼聚糖黏性，置60 ℃烘箱內(nèi)30 min后黏性減弱，接觸角為68～82°。置顯微鏡下觀察，可見(jiàn)不均勻分布的團(tuán)塊。這是因?yàn)闅ぞ厶前策纬赏饷嬗H水里面的球狀物，少量CNTs包含或者鑲嵌在卟啉化殼聚糖球體里面所致。

圖2 PCCNTs 復(fù)合物膜及其顯微鏡下觀察圖

殼聚糖可以形成透明的膜[11]，但卟啉和CNTs具有很深的顏色，因此少量的卟啉和CNTs制備的膜均具有較深的顏色，這會(huì)影響染料與VOCs結(jié)合后的呈色效果。分別添加0.010% ～ 0.050%卟啉及0.010% ～ 0.050%CNTs制備成薄膜，如圖3所示。卟啉含量0.010%的膜幾乎無(wú)色透明，具有良好的光學(xué)透性;而卟啉含量0.025%的膜稍帶顏色;卟啉含量0.050%的膜具有十分明顯的淺黃色，在傳感物質(zhì)或者染料與VOCs結(jié)合后會(huì)影響假性RGB值，因此卟啉的用量以不超過(guò)0.025%為宜。CNTSs對(duì)于顏色的影響更加明顯，CNTs的用量超過(guò)0.010%時(shí)制備的膜可看出明顯的顏色。在后面的加工過(guò)程中，卟啉和CNTs的用量分別固定以0.010%和0.050%為宜。

圖3 制備的PCCNTs復(fù)合物膜

2.3 PCCNTs復(fù)合物膜與PVDF膜

分別在PVDF膜和PCCNTs復(fù)合物膜上添加3μL的染料溶膠，其4×4陣列在PVDF膜與PCCNT復(fù)合物膜上的呈色和形貌見(jiàn)圖4。

圖4 染料溶液在PVDF膜與PCCNT復(fù)合物膜上的呈色和形貌

PVDF膜具有一定的硬度，輕度疏水性。PVDF膜用于可視陣列傳感檢測(cè)氣體的最大缺點(diǎn)是，不具氣體吸附能力。

相比PVDF膜，制備的PCCNTs復(fù)合物膜具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1) 透光性。由于這種膜透光，因此在可視陣列光學(xué)成像時(shí)，對(duì)比度更好，成像更清晰。

(2) 疏水性。不同顯色劑溶劑的極性不同，在PVDF膜上擴(kuò)散速度快，導(dǎo)致不同的顯色劑的擴(kuò)散速度不同，因此陣列樣品點(diǎn)的大小差別很大。顯色劑在PCCNTs膜上相容性差，擴(kuò)散速度慢，顯色劑各樣品點(diǎn)的大小一致，有利于取色。

(3) 結(jié)構(gòu)性。PVDF膜不具有孔狀結(jié)構(gòu)，對(duì)被檢測(cè)氣體的容量有限，氣體只是在膜的表面存在。PCCNTs復(fù)合物膜具有多孔結(jié)構(gòu)，大容量的被檢測(cè)氣體吸附在膜的縫隙中，有利于顯色，更有利于提高檢測(cè)的敏感性。

(4) 制備簡(jiǎn)單。相對(duì)于PVDF膜的制備，PCCNTs膜的制備過(guò)程簡(jiǎn)單，且成本更低。

3 結(jié) 語(yǔ)

相對(duì)于常規(guī)PVDF膜，采用溶膠-凝膠法制備的卟啉化殼聚糖碳納米管(PCCNTs)復(fù)合物膜具有輕薄、柔性、透光、疏水、多孔結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。卟啉和碳納米管含量決定薄膜的呈色效果，進(jìn)而影響應(yīng)用過(guò)程中的RGB值獲取，引起檢測(cè)誤差，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別以0.010%和0.050%為宜。

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Porphyrin Chitosan/Carbon Nanotubes (PCCNTs) Composite Membrane Preparation and Application

JIANGShu1LIAODingrong2WANGKangrui1YANGQinglin1HUANGChenghong1

(1.Chemical Engineering College, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China; 2.Department of Food and Drug, Chongqing Light Industry Career Academy, Chongqing 401325, China )

Colorimetric array acquires a substraction differntiate map based on porous hydrophobic embrane(PVDF) with color generation, which is applied in disease diagnosis of inspired and expired air from patients. However, it exists inferior reproducibity caused the reagent′s uncontroled diffusion on substrate. This study utilizes sol-gel method for preparation of thin film composed of porphrinfunctionalzed chitosan/carbon nanotube(PCCNTs) composite. Compared with ordinary PVDF film, the CHS film is only 0.2 mm thick with excellent transpparency as well as some extent hydrophobic characteriscs. This holds the hope for overcoming the problems both solution random diffusion on the substrate surface and boundary effect of substraction artifacts after imaging.

colorimetric array; PVDF; Porphin; Chitosan; carbon nanotube tubes(CNTs)

2017-04-02

重慶市科委社會(huì)民生科技創(chuàng)新專項(xiàng)“木聚糖酶發(fā)酵法生產(chǎn)技術(shù)研究及應(yīng)用”(CSTC2016SHMSZX0600)；重慶科技學(xué)院研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目“ 卟啉化殼聚糖超分子合成及其安全性研究 ”(YKJCX1620518)

蔣姝(1993 — )，女，四川綿陽(yáng)人，重慶科技學(xué)院2016級(jí)碩士研究生，研究方向?yàn)樯锘ぐ踩?/p>

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1673-1980(2017)04-0080-04