蘇日輝， 夏 凌， 李攻科， 肖小華

(中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510275)

圖1 刺激響應(yīng)下發(fā)生響應(yīng)變化的智能水凝膠及其在分離分析中的主要應(yīng)用Fig.1 Stimuli response swelling intelligent hydrogels and their applications in separation and analysis

水凝膠是一種在水中溶脹并保持大量水分而又不溶解的交聯(lián)高分子聚合物。根據(jù)對(duì)外界刺激的響應(yīng)情況，水凝膠可分為普通水凝膠和智能水凝膠。普通水凝膠是傳統(tǒng)意義上的保水材料，而智能水凝膠可感知外界環(huán)境的細(xì)微物理化學(xué)變化，如溫度、pH、光、濕度、磁場(chǎng)、壓力、特定化學(xué)物質(zhì)以及離子強(qiáng)度等的變化，并通過(guò)體積的溶脹和收縮、形狀彎曲、顏色變化和釋放目標(biāo)物等來(lái)響應(yīng)這些來(lái)自外界的刺激，其中體積變化是智能水凝膠常見(jiàn)的響應(yīng)信號(hào)。圖1為各種類(lèi)型智能水凝膠具有的主要響應(yīng)變化，及其在分離分析中的應(yīng)用。根據(jù)刺激源的不同，智能水凝膠又可分為溫度響應(yīng)性水凝膠、pH響應(yīng)性水凝膠、光響應(yīng)性水凝膠、生物分子響應(yīng)性水凝膠、磁場(chǎng)響應(yīng)性水凝膠、電場(chǎng)響應(yīng)性水凝膠和壓力響應(yīng)性水凝膠等[1]。

目前研究最為廣泛的是溫度響應(yīng)性水凝膠，這一類(lèi)水凝膠的單體通常帶有親水基團(tuán)，并相連一個(gè)甲基、乙基或丙基，如N取代聚丙烯酰胺得到聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)、聚N,N-二乙基丙烯酰胺(PDEAM)、聚N-乙基甲基丙烯酰胺(PNEMAM)、聚N-乙烯基異丁酰胺(PNVIBAM)和聚N-乙烯基己內(nèi)酰胺(PNVCa)等[2]。其中PNIPAM水凝膠的低臨界相轉(zhuǎn)變溫度(LCST)接近人的生理溫度和可調(diào)的特點(diǎn)，因此引起了人們極大的興趣[3 - 4]。pH響應(yīng)性水凝膠的分子骨架中往往含有大量易水解的基團(tuán)，如羧酸、磺酸、伯胺、仲胺和季胺等，當(dāng)外界的pH發(fā)生變化時(shí)，這些基團(tuán)能產(chǎn)生不同程度的解離，水凝膠的內(nèi)外離子產(chǎn)生濃度差，引起網(wǎng)絡(luò)內(nèi)氫鍵的生成或斷裂，顯示出水凝膠的pH敏感性[5]。光響應(yīng)性水凝膠在受到光照下可發(fā)生體積相變，常見(jiàn)的是在溫敏性材料中摻入感光分子，感光分子能將光能轉(zhuǎn)化為熱能，使水凝膠內(nèi)溫度發(fā)生改變，當(dāng)溫度達(dá)到材料的相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，水凝膠發(fā)生物理化學(xué)變化從而實(shí)現(xiàn)光敏感性[6]。生物分子響應(yīng)性水凝膠則是模擬生命活動(dòng)過(guò)程中的特定分子識(shí)別，能對(duì)特定的生物分子產(chǎn)生刺激響應(yīng)性[7]。磁場(chǎng)響應(yīng)性水凝膠是將磁性材料預(yù)埋在水凝膠中，在施加磁場(chǎng)時(shí)將誘發(fā)水凝膠發(fā)生形狀或體積的變化[8]。電場(chǎng)響應(yīng)性水凝膠在受到電場(chǎng)后，自由離子發(fā)生定向移動(dòng)使得水凝膠內(nèi)外離子濃度或水凝膠pH的重新分布，引起滲透壓變化，導(dǎo)致水凝膠的體積或形狀的改變，此類(lèi)水凝膠主要應(yīng)用于傳感器、藥物釋放和防生材料等領(lǐng)域[9]。壓力響應(yīng)性水凝膠能隨著外界壓力變化出現(xiàn)體積相變現(xiàn)象，這種相變現(xiàn)象在低壓下出現(xiàn)坍塌，在高壓下出現(xiàn)溶脹[10]。對(duì)于具有壓力和溫敏雙重響應(yīng)性的水凝膠而言，水凝膠的LCST將隨著壓力的增加而上升，因此在常壓恒溫下處于收縮狀態(tài)的水凝膠將隨著壓力的增加出現(xiàn)溶脹[11]。表1列舉了各種類(lèi)型智能水凝膠的主要基團(tuán)、合成方法及響應(yīng)方式。智能水凝膠具有獨(dú)特的生物兼容性和響應(yīng)性，因此在傳感器、化學(xué)轉(zhuǎn)換器、分子的分離分析、形狀記憶開(kāi)關(guān)和藥物遞送等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本文綜述了智能水凝膠的制備方法，著重綜述智能水凝膠在分離分析中的應(yīng)用。

表1 智能水凝膠的分類(lèi)、主要官能團(tuán)、合成方法及響應(yīng)方式

1 智能水凝膠的制備

1.1 半互穿網(wǎng)絡(luò)智能水凝膠的制備

半互穿網(wǎng)絡(luò)智能水凝膠是由兩種或多種相互貫穿的交聯(lián)聚合物組成，其中至少有一種組分是緊鄰在另一種組分存在下聚合或交聯(lián)的，在三維空間中以不同的鑲嵌方式構(gòu)成的一種環(huán)連體。半互穿水凝膠既有化學(xué)交聯(lián)也有物理交聯(lián)，性能與組成通常呈非線性關(guān)系，即便一種組分含量很少，力學(xué)性能往往能超過(guò)其中的任一組分[16]。溫敏性PNIPAM水凝膠能夠在溫度刺激下實(shí)現(xiàn)可逆的體積溶脹和收縮，但PNIPAM水凝膠的機(jī)械性能差，限制了該水凝膠的實(shí)際應(yīng)用。Li等[17]將制備的聚N-異丙基丙烯酰胺-聚二烯丙基二甲基氯化銨(PNIPAM-PDADMAC)半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠涂在由金包裹的聚二甲硅氧烷的表面，該雙層膜結(jié)構(gòu)在溫度和pH刺激下可產(chǎn)生可逆重復(fù)的雙向彎曲響應(yīng)。PNIPAM水凝膠具有溫敏性，但材料存在柔軟，當(dāng)與聚二烯丙基二甲基氯化銨形成半互穿網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其機(jī)械強(qiáng)度得到提升，在溫度或pH控制下可作為軟觸手用于水中微型物體的搬運(yùn)。Means研究團(tuán)隊(duì)[18]將帶負(fù)電荷的聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(PAMPS)和溫敏性聚合物P(NIPAM-co-MEDSAH)構(gòu)筑成雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，其壓縮模量為1.5 MPa，拉伸強(qiáng)度達(dá)到23 MPa，研究發(fā)現(xiàn)2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氫氧化銨(MEDSAH)兩種單體的用量影響水凝膠的抗壓強(qiáng)度，得到的半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠仍具有與聚異丙基丙烯酰胺相似的溫敏特性。

單體和交聯(lián)劑類(lèi)型對(duì)智能水凝膠響應(yīng)性能和抗壓強(qiáng)度有重要影響，但在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)單體和交聯(lián)劑的選擇非常有限，因此需要對(duì)材料進(jìn)行功能化修飾，通過(guò)改變功能單體的親水性和疏水性，可有效調(diào)節(jié)水凝膠的溶脹-收縮性能、抗拉強(qiáng)度和透光性等。Ma等[19]采用物理和化學(xué)交聯(lián)的方法將甲基丙烯?；揎椀臍ぞ厶?MACS)引入PNIPAM溫敏材料中，制備成具有雙重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的溫度響應(yīng)性水凝膠，隨著MACS用量的增加，水凝膠的消溶脹速度明顯加快。Huang等[20]將表面功能化氧化石墨烯(GO)、殼聚糖(CS)和N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)單體組成的預(yù)聚液制備出pH-溫度雙敏性PNIPAM復(fù)合納米水凝膠。溫敏測(cè)試表明，經(jīng)3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基丙烯酸酯功能化修飾的GO復(fù)合水凝膠的交聯(lián)度明顯增大，有效地改善消溶脹率和力學(xué)性能，相比之下該水凝膠的pH響應(yīng)性?xún)H次于溫敏性能。

1.2 多孔智能水凝膠的制備

水凝膠在吸水前呈緊束狀態(tài)，初始階段的吸水是一種毛細(xì)管吸附和擴(kuò)散的物理過(guò)程，作用力弱，水分子的擴(kuò)散速度慢，因此初始階段的吸水速率較低。多孔水凝膠很好地解決了這些問(wèn)題，在水凝膠中引入孔狀結(jié)構(gòu)，有效增加水凝膠內(nèi)部的比表面積，水能迅速地進(jìn)入水凝膠內(nèi)部，使更多的水分子和親水基團(tuán)接觸，有效地提高材料的吸水速率和刺激響應(yīng)速度[21]。

多孔水凝膠的制備方法有發(fā)泡法、致孔法、冷凍干燥法、相分離法及模板法等。通過(guò)發(fā)泡法可制備孔徑幾十至幾百微米的超孔凝膠，它是在聚合體系中加入發(fā)泡劑或低沸點(diǎn)的致孔劑來(lái)形成多孔的方法，生成的氣體被蒸發(fā)放出，留下泡狀多孔結(jié)構(gòu)。常用的致孔劑有NaHCO3、烷類(lèi)和醇類(lèi)等。在水凝膠預(yù)聚液中加入一定量的發(fā)泡劑NaHCO3，使得在反應(yīng)過(guò)程中不斷產(chǎn)生氣體，產(chǎn)生空腔區(qū)域，容易得到多孔水凝膠，該方法有效地增加水凝膠的吸水性和膨脹性[22]。Ovadia等[23]以環(huán)己烷為致孔劑，制備甲基丙烯酸羥乙酯-甲基丙烯酸(HEMA-MAA)水凝膠，得到的多孔性水凝膠具有更強(qiáng)的吸水性。冷凍干燥法是將預(yù)聚液冷凍至致孔劑的冰點(diǎn)溫度形成冰晶，此時(shí)單體從冰晶中被擠壓出來(lái)，分散在冰晶周?chē)诘蜏叵戮酆戏磻?yīng)完成，經(jīng)解凍后冰晶融解留下空腔，得到多孔結(jié)構(gòu)的水凝膠。Thomas等[24]在光引發(fā)聚合下采用冷凍干燥法制備聚乙二醇多孔水凝膠，得到的大孔水凝膠適合用于多肽的功能化修飾和負(fù)載細(xì)胞。

對(duì)多孔水凝膠功能化修飾可改變水凝膠的形態(tài)、刺激響應(yīng)源和機(jī)械強(qiáng)度。Guo等[25]發(fā)現(xiàn)采用丙烯酰胺胞嘧啶對(duì)PNIPAM功能化后，在pH=7.5時(shí)，聚合物以溶液狀態(tài)存在；在pH=5.2時(shí)形成水凝膠。若將水凝膠基質(zhì)加熱至45 ℃時(shí)，水凝膠轉(zhuǎn)變成收縮的固體，將固體冷卻至25 ℃時(shí)水凝膠溶脹恢復(fù)。Wei等[26]將2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基氧化竹纖維素納米纖維(TO -CNF)通過(guò)原位聚合修飾在PNIPAM表面，可有效地改善材料的熱響應(yīng)性和機(jī)械性能，其透光性和未修飾之前的材料無(wú)明顯差異。

1.3 智能微凝膠的制備

微凝膠是一種微米級(jí)的凝膠顆粒，具有分子內(nèi)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，相對(duì)于塊狀水凝膠，具有比表面積大和環(huán)境響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。常見(jiàn)的微凝膠有互貫網(wǎng)絡(luò)型微凝膠和核-殼型微凝膠?；ヘ灳W(wǎng)絡(luò)型微凝膠是指由兩種或兩種以上各自交聯(lián)的聚合物形成相互貫穿或纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的微凝膠，兩種聚合物網(wǎng)絡(luò)間沒(méi)有化學(xué)鍵的存在，分別可以對(duì)不同的外部刺激保持各自的響應(yīng)性。Ma等[27]以溫度響應(yīng)的PNIPAM為種子，交聯(lián)聚(三丁基已基溴化膦-甲基丙烯酸3-磺酸丙酯鉀鹽)(P[P4,4,4,6][MC3S])離子液體，得到PNIPAM/P[P4,4,4,6][MC3S]半互穿網(wǎng)絡(luò)型溫度響應(yīng)微凝膠，動(dòng)態(tài)光散射表明在20 ℃水中微凝膠粒子的直徑約為250 nm。在核-殼結(jié)構(gòu)型的微凝膠中，其內(nèi)部的核材料和殼材料都有響應(yīng)行為，然而核和殼各自的溶脹-消溶脹行為并不是獨(dú)立的，而是相互影響與制約，各自的相變特性產(chǎn)生的一些特殊現(xiàn)象可以通過(guò)散射和量熱學(xué)等手段進(jìn)行檢測(cè)[28]。Kang等[29]通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移活性自由基聚合的方法制備了具有雙親性及溫度響應(yīng)性PNIPAM復(fù)合水凝膠球形膠束，該微球膠束材料以乙基纖維素(EC)為核，PNIPAM為殼，且接枝聚合反應(yīng)活性可控，可用于合成結(jié)構(gòu)明確且可控的EC-g PNIPAM溫敏共聚物。Liang等[30]以甲基丙烯酸正丁酯-丙烯胺核-殼結(jié)構(gòu)的微凝膠作為交聯(lián)劑和引發(fā)劑，將其和丙烯酰胺-丙烯酸水凝膠氫鍵交聯(lián)后，再浸入FeCl3溶液離子交聯(lián)形成復(fù)合水凝膠，由于復(fù)合材料中同時(shí)兼有微凝膠的共價(jià)鍵、Fe3+配位鍵和水凝膠本身的氫鍵協(xié)同作用，使得該復(fù)合水凝膠具有好的柔韌性和快速恢復(fù)形變性能。

2 智能水凝膠在分離分析中的應(yīng)用

2.1 生物傳感器

水凝膠表面含有羥基、羧基、氨基和酰胺基團(tuán)等，同時(shí)具有生物兼容性，容易在表面修飾具有生物識(shí)別基團(tuán)，并且三維水凝膠的多孔性有助于氧化還原的分子和生物識(shí)別基團(tuán)在傳感界面發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，利于信號(hào)放大和提高檢測(cè)靈敏度[31]。表2為水凝膠電化學(xué)免疫傳感器的檢測(cè)性能對(duì)比。

王立世課題組[32]在玻碳電極表面合成溫敏性水凝膠，制備具有溫度響應(yīng)的自清潔蛋白質(zhì)分子印跡生物傳感器，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度，水凝膠薄膜對(duì)牛血清白蛋白(BSA)具有吸附和解吸的作用，在最優(yōu)條件下，對(duì)BSA的檢出范圍為0.02～10 μmol/L，檢出限為0.012 μmol/L。Mac Kenna等[33]將脂肪族二胺和聚乙二醇縮水甘油醚快速交聯(lián)聚合形成pH響應(yīng)性水凝膠，并將葡萄糖氧化酶固定在陽(yáng)離子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠中，滴在碳布電極表面制備葡萄糖響應(yīng)生物傳感器，利用電化學(xué)阻抗譜可測(cè)到1～100 μmol/L的線性范圍，有望在可穿戴設(shè)備中用于汗水或組織液血糖濃度的測(cè)定。Hao等[34]在多孔性三維氮摻雜石墨烯水凝膠(3DNGH)表面引入Ag和TiO2金屬納米粒子，利用Ag納米粒子的局部表面等離子體共振得到放大的光電化學(xué)性能。研究人員在水凝膠表面接聯(lián)適配體用于凝血酶的無(wú)標(biāo)記測(cè)定，其線性范圍為0.01～10 pmol/L，檢測(cè)限低至3 fmol/L，表明Ag/TiO2/3DNGH光敏水凝膠在生物傳感器中具有應(yīng)用前景。

表2 水凝膠電化學(xué)免疫傳感器的檢測(cè)性能對(duì)比

上述是將溫敏性、pH和光響應(yīng)水凝膠直接用于生物傳感器，另外還可以在其它類(lèi)水凝膠表面修飾生物識(shí)別基團(tuán)用于生物傳感。苯硼酸及衍生物材料對(duì)糖蛋白具有特異性吸附，在一定條件下能捕獲和釋放糖蛋白。Mesch等[35]在Au納米線表面鋪設(shè)苯硼酸修飾的水凝膠薄層，該薄層對(duì)低濃度的葡萄糖具有敏感性，相應(yīng)地產(chǎn)生可逆性收縮-溶脹響應(yīng)，成功測(cè)到眼淚中的葡萄糖。Tang等[13]采用靜電和配位方法制備具有氧化還原和導(dǎo)電型的海藻酸鈉-Pb2+-氧化石墨烯(SA-Pb2+-GO)水凝膠。GO具有比表面積大和導(dǎo)電性好的優(yōu)點(diǎn)，水凝膠表面的殼聚糖可吸附Pb2+得到信號(hào)放大和提供活性位點(diǎn)固定化CA242抗體。Rong等[36]在玻碳電極表面通過(guò)氧化聚合方法合成水凝膠酶標(biāo)記的電流型癌胚抗原免疫傳感器，水凝膠具有的π-π共軛長(zhǎng)鏈和三維連續(xù)結(jié)構(gòu)，其比表面積大和吸附容量高的特點(diǎn)，因此能產(chǎn)生強(qiáng)的電流信號(hào)，其檢測(cè)靈敏度達(dá)到0.16 g/mL。Choi等[37]提出聚合酶鏈?zhǔn)剿z微柱用于檢測(cè)阿茲海默病(AD)中的miRNAs策略，該研究首次采用多次紫外照射將丙烯酸多縮乙二醇雙酯(PEGDA)微柱固定在塑料微孔上，成功用于測(cè)定人血漿樣品中的AD -miRNAs，檢測(cè)到10 pg/μL的靶標(biāo)分子。

2.2 熒光信號(hào)放大

智能水凝膠具有網(wǎng)絡(luò)孔狀結(jié)構(gòu)，將熒光染料放置在水凝膠網(wǎng)孔中，在刺激響應(yīng)下水凝膠發(fā)生收縮，染料分子密度增大使得熒光信號(hào)得到放大，該策略在溫度響應(yīng)水凝膠比較常見(jiàn)。Kim等[46]在PNIPAM和葡糖氧化酶水凝膠復(fù)合材料中包埋pH敏感性熒光染料，相比于其它糖類(lèi)和金屬離子，水凝膠復(fù)合材料對(duì)葡萄糖具有較高的選擇性，在葡萄糖水溶液中的熒光顯色線性范圍為100 μmol/L～100 mmol/L。Xu等[47]提出一種反蛋白石PNIPAM水凝膠光子晶體條形碼檢測(cè)蛋白的策略，該條碼在體溫下保持溶脹狀態(tài)，此時(shí)材料中的反蛋白石結(jié)構(gòu)孔洞處于連通狀態(tài)，目標(biāo)蛋白擴(kuò)散到條形碼孔洞中參與反應(yīng)，在檢測(cè)階段，條形碼收縮體積，熒光分子密度相對(duì)增大，熒光信號(hào)增強(qiáng)。該檢測(cè)策略對(duì)甲胎蛋白和癌胚抗原的檢出限分別為0.623 ng/mL和0.492 ng/mL。Li等[48]在常溫水相中通過(guò)原子自由基聚合合成“高亮發(fā)光”的PNIPAM水凝膠，該研究小組在水凝膠預(yù)聚液中摻入帶雙官能團(tuán)螯合配合基的二元羧酸，其中一個(gè)官能團(tuán)能螯合Tb3+和Eu3+，另一個(gè)官能團(tuán)起到引發(fā)自由基聚合的作用，引入不同摩爾濃度的鑭系元素能使水凝膠發(fā)出5種不同的冷光。

2.3 可視化檢測(cè)

圖2 智能光子晶體水凝膠在可視化檢測(cè)中的應(yīng)用Fig.2 The applications of smart photonic crystal hydrogel in visual detection

光子晶體存在周期性結(jié)構(gòu)，特定波長(zhǎng)的入射光在其表面產(chǎn)生布拉格衍射，由布拉格方程：nλ=2dsinθ(其中n為反射級(jí)數(shù)，λ為波長(zhǎng)，d為晶面間距，θ為入射光與晶面之間的夾角)可知，改變其中的一個(gè)變量，都將使布拉格衍射峰偏移，使光子晶體的顏色發(fā)生變化[49]。如圖2所示，智能水凝膠在刺激源作用下發(fā)生體積變化，故將此水凝膠與光子晶體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，容易制備出響應(yīng)性光子晶體，結(jié)合復(fù)合水凝膠光子晶體的顏色類(lèi)型及強(qiáng)度變化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的定性和定量分析[50]。Tan等[51]利用斥力誘發(fā)沉淀自組裝的方法將光子晶體凝膠材料包埋在溫敏性水凝膠中，得到的薄膜材料具有色彩顯著、半帶寬窄和寬幅度變化的特點(diǎn)，可用于快速檢測(cè)痕量離子、表面活性劑、乙醇和pH值，實(shí)現(xiàn)了痕量目標(biāo)物的特異性識(shí)別和檢測(cè)。Luo等[52]采用微注射和紫外光聚合技術(shù)構(gòu)建磁性水凝膠光子晶體微球，通過(guò)改變磁場(chǎng)方向可輕易實(shí)現(xiàn)顏色的“開(kāi)”和“關(guān)”的功能，同時(shí)具有溫度和試劑響應(yīng)性，并成功用于可視化檢測(cè)甲醇和乙醇。Hu等[53]將水凝膠制備技術(shù)和分子印跡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，制得茶堿分子印跡微凝膠光子晶體，發(fā)現(xiàn)印跡水凝膠隨著茶堿濃度的升高產(chǎn)生規(guī)律性紅移，對(duì)茶堿分子具有好的識(shí)別能力，對(duì)尿中茶堿成分的檢出限為0.1 fmol/L。Xu等[54]將條形碼技術(shù)用于捕獲和測(cè)定復(fù)雜樣品中的致病菌，該條形碼為聚乙二醇(PEG)多孔水凝膠反蛋白石結(jié)構(gòu)，多孔水凝膠的高比表面積有利于固定適配體探針?lè)肿?，?shí)驗(yàn)表明，該材料在2.5 h可有效捕獲濃度為100 CFU/mL的細(xì)菌，明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)方法。Martínez等[55]采用自由基聚合技術(shù)制備鄰二氮菲復(fù)合水凝膠，成功用于高通量可視化檢測(cè)牛奶中的游離Fe3+。

2.4 樣品分離

智能水凝膠在特定條件下(如pH、溫度和離子強(qiáng)度)呈疏水性，對(duì)疏水目標(biāo)物具有吸附作用，當(dāng)改變這些外界條件時(shí)則呈親水性，對(duì)疏水目標(biāo)物的親和力明顯減弱，如將PNIPAM水凝膠制備成吸附材料和智能分離膜，可用于蛋白質(zhì)分離、油水分離和鹽水淡化等。Liu等[56]將丙烯酸、聚氧乙烯醚和N-異丙基丙烯酰胺單體合成成一種高聚物復(fù)合水凝膠，水凝膠在37 ℃時(shí)具有吸附牛血清白蛋白的功能，當(dāng)溫度降至25 ℃時(shí)，水凝膠能完全解析牛血清白蛋白，表現(xiàn)出溫度敏感性能。Li等[57]研究熱敏磁性PNIPAM蛋白質(zhì)分子印跡復(fù)合微球，該微球具有良好的蛋白質(zhì)模板分子識(shí)別能力，高溫時(shí)水凝膠易形成形狀記憶，有利于捕獲模板分子，低溫環(huán)境下有利于模板分子從印跡腔中釋放。姚克儉課題組[58]將PNIPAM溫敏性水凝膠用于水楊酸的分子印跡，實(shí)現(xiàn)水凝膠的智能識(shí)別和可控釋放。于謙等[59]在氨基化硅片表面通過(guò)引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)接枝PNIPAM聚合物刷，改性后的材料對(duì)血漿中纖維蛋白原具有吸附作用，在不同溫變下材料的吸附容量也不一樣。Chen等研究小組[60]將二茂鐵摻入PNIPAM制備成具有溫度響應(yīng)、離子強(qiáng)度響應(yīng)和磁性響應(yīng)的水凝膠，在響應(yīng)源刺激下水凝膠發(fā)生變色、收縮或溶脹變化，成功用于染色油的可控釋放。針對(duì)商用鹽水淡化水凝膠粉末通量低的問(wèn)題，Wei等[61]在商業(yè)聚氨酯泡沫結(jié)構(gòu)中采用控制自由基單體(N-異丙基丙烯酰胺和丙烯酸鈉)方法制備聚氨酯PNIPAM復(fù)合水凝膠，該水凝膠的鹽水淡化通量明顯高于商用水凝膠粉末。Teng等[62]采用原位自由基聚合方法制備PNIPAM粘土納米復(fù)合水凝膠過(guò)濾膜，膜材料在水中具有超疏油性、抗粘附性和自清潔功能，適合用于油/水分離。Keplinger等[63]在100 μm云杉橫截面表層制備PNIPAM水凝膠，云杉的各向異性分層微孔結(jié)構(gòu)起到支架作用，能有效提高復(fù)合水凝膠的機(jī)械性能，有望應(yīng)用于膜分離材料。

水凝膠具有高溶脹和高吸水性，機(jī)械強(qiáng)度弱，材料本身的非特異性吸附限制了其高效結(jié)合目標(biāo)物的能力和靈敏檢測(cè)。層狀雙氫氧化物和水凝膠之間具有強(qiáng)的作用力，將層狀雙氫氧化物和水凝膠制備成色譜整體柱，既能有效地改善水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，又可作為吸附劑用于樣品分離。本課題組已做過(guò)凝膠色譜柱的研究，將凝膠色譜柱成功用于復(fù)雜樣品中黃曲霉毒素、磺胺類(lèi)藥物和熒光劑的在線分離[66 - 67]。

2.5 表面增強(qiáng)拉曼(SERS)基底

圖3 智能水凝膠在SERS基底材料中的應(yīng)用Fig.3 The applications of intelligent hydrogels in SERS substrate

待測(cè)樣品成分復(fù)雜，目標(biāo)物濃度低，對(duì)目標(biāo)物預(yù)富集可有效提高靈敏度。水凝膠具備柔性和環(huán)境友好性，已作為SERS基底用于無(wú)損識(shí)別古畫(huà)中的有機(jī)染色劑[68]。此外，水凝膠的網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)使得其質(zhì)量傳遞速率快，適合作為SERS基底用于目標(biāo)物的快速捕獲富集[69]。圖3為智能水凝膠在SERS基底中的主要應(yīng)用。Bao等[70]在海藻酸鈉網(wǎng)絡(luò)中合成金納米顆粒用于多環(huán)芳烴(PAHs)的拉曼測(cè)定，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物進(jìn)入水凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與水凝膠中的Au納米顆粒形成拉曼熱點(diǎn)，得到強(qiáng)的SERS信號(hào)，該拉曼基底材料成功用于4種PAHs的測(cè)定，得到苯并(a)芘的檢出限為0.365 nmol/L。水凝膠在干燥和水化兩種條件可形成收縮和溶脹兩種形態(tài)，將水凝膠用于負(fù)載具有SERS活性的納米顆粒，經(jīng)過(guò)刺激響應(yīng)使水凝膠體積減小，致使SERS納米顆粒相互靠近，使SERS信號(hào)增強(qiáng)，如圖3A所示，該方法已成功用于滴滴涕和殺蟲(chóng)劑的拉曼測(cè)定[71 - 72]。納米粒子均勻分散在水凝膠三維結(jié)構(gòu)中所形成的熱點(diǎn)，促使水凝膠的體積收縮形成更強(qiáng)的拉曼信號(hào)。Wu等[73]將Au納米粒子沉積在PNIPAM溫敏性水凝膠表面，當(dāng)溫度升高時(shí)水凝膠收縮致使Au納米粒子相互靠近，呈現(xiàn)出強(qiáng)的SERS信號(hào)，成功用于福美雙殺菌劑的測(cè)定。Liu等[74]在多孔水凝膠微球表面接枝抗體，再單獨(dú)制備具有核殼結(jié)構(gòu)外包二抗的金銀染料拉曼探針微球，使用時(shí)水凝膠表層的抗體識(shí)別腫瘤標(biāo)志物分子，再與拉曼探針微球表面的二抗組成雙抗夾心結(jié)構(gòu)，經(jīng)拉曼檢測(cè)雙抗夾心結(jié)構(gòu)中的金銀染料拉曼探針信號(hào)，間接得到腫瘤標(biāo)志物的濃度，比傳統(tǒng)電化學(xué)發(fā)光免疫法具有更高的靈敏度和寬的線性范圍。Jiang等[75]將聚(N-異丙基丙烯酰胺-N-乙烯基吡咯烷酮)(P(NIPAM-NVP))制備成水凝膠薄膜，再在水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中合成具有金銀核殼結(jié)構(gòu)的納米棒(GNRs)，在溫度控制下水凝膠發(fā)生收縮，金銀納米棒之間的距離被拉近，SERS信號(hào)顯著增強(qiáng)。研究小組將P(NIPAM-NVP)/GNRs作為SERS基底材料用于測(cè)定農(nóng)藥殘留，發(fā)現(xiàn)這種水凝膠具有富集目標(biāo)物的特性，實(shí)驗(yàn)表明對(duì)敵草快的富集因子達(dá)到4，檢出限為2.7×10-13mol/L。Song等[76]發(fā)現(xiàn)一種在水中可再生的拉曼探針，他們?cè)谀z體晶體水凝膠表面包裹貴金屬單分散納米晶層，調(diào)節(jié)水溫后納米晶層發(fā)生可逆性折皺，間接調(diào)整貴金屬納米顆粒之間的距離，其表面等離激元相應(yīng)地發(fā)生可逆性的“開(kāi)”和“關(guān)”。

細(xì)菌在生物膜中是通過(guò)群體感應(yīng)調(diào)節(jié)(QS)來(lái)交流的，QS與細(xì)菌的致病能力息息相關(guān)，為了研究QS的作用機(jī)理，Bodelón等[77]將Au納米顆粒包裹在PNIPAM多孔水凝膠中，接著在水凝膠表面生長(zhǎng)生物膜，大顆粒雜質(zhì)被截留在水凝膠薄膜外層，生物膜的小分子分泌物則可以通過(guò)水凝膠孔洞到達(dá)Au納米顆粒表面而發(fā)出強(qiáng)SERS信號(hào)，該研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)綠濃桿菌分泌物綠膿菌素的檢測(cè)，如圖3B所示。

3 結(jié)論和展望

綜述了半互穿網(wǎng)絡(luò)智能水凝膠、多孔智能水凝膠和智能微凝膠的制備方法，通過(guò)功能化修飾改變水凝膠的親水性和疏水性，得到響應(yīng)速度、力學(xué)性能、消溶脹和透光性等各異的水凝膠。智能水凝膠在刺激源下具有不同的親疏水性、收縮溶脹性和體積各異性，因此在生物傳感器、熒光信號(hào)放大、可視化檢測(cè)、樣品分離和SERS基底等分離分析中有重要應(yīng)用。智能水凝膠因其性能獨(dú)特得到人們關(guān)注，但該類(lèi)水凝膠固有的響應(yīng)速度慢、力學(xué)性能差和難降解性等問(wèn)題限制了其在眾多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。因此，未來(lái)將圍繞智能水凝膠的結(jié)構(gòu)改性及性能研究開(kāi)展深入研究，開(kāi)發(fā)實(shí)用型產(chǎn)品，制備出快速響應(yīng)、高力學(xué)性能、高柔韌性和降解性可調(diào)的智能柔性材料。