卟啉化壳聚糖碳纳米管复合物膜的实验制备

蒋 姝 廖定容 王康锐 杨清林 黄承洪

(1. 重庆科技学院化学化工学院， 重庆 401331； 2. 重庆轻工职业学院食品药品系， 重庆 401325)

蒋 姝1廖定容2王康锐1杨清林1黄承洪1

(1. 重庆科技学院化学化工学院， 重庆 401331； 2. 重庆轻工职业学院食品药品系， 重庆 401325)

颜色阵列以多孔疏水膜(PVDF)为基底进行呈色反应得到差谱图，对重大疾病呼出气进行检测，存在重复性较差的问题。为了改善此问题，研究采用溶胶-凝胶法制备卟啉化壳聚糖碳纳米管(PCCNTs)复合物薄膜。与常规PVDF膜相比，PCCNTs复合物膜厚度0.2 mm，透光性良好，疏水，可以解决溶液在PVDF膜表面引起的不可控扩散和呈色反应后信号扣除的边际效应问题。

颜色阵列； 聚偏氟乙烯； 卟啉； 壳聚糖； 碳纳米管

近年来，传感器阵列在生化检测中的应用研究取得了很大的进展[1-7]。各类应用的基本原理是，结合VOCs的传感物质或者染料在多孔疏水基底膜 ( Polyvinylidenefluoride，PVDF)上的点样形成样品点，通过成像系统得到反应前的红-绿-蓝(Red-green-blue，RGB)彩色图谱，当被检测气体与传感物质或者染料结合后通过成像系统得到反应后的图谱，反应前后的RGB差谱图对应于被检测气体的特征图谱。这种方法虽然灵敏、简单且成本低廉，但液态化学物质或者染料在PVDF上扩散各异使得样品点呈色差异较大，而且还存在边际效应，RGB值误差较大，最终检测结果存在可重复性差的问题[8]。因此，需要研制一种新型基底膜，使其具备液态传感物质或者染料能够均匀分散、形貌一致，且气体富集功能良好等特性。

壳聚糖具有良好的成膜能力，形成的膜还具有多孔结构。卟啉及卟啉衍生物具有大环共轭芳香体系和生色基团，这种特殊的结构使得分子中官能团与客体分子之间可产生良好的相互作用从而可对其周边卟啉进行较好地控制。本次研究将利用卟啉化壳聚糖外面亲水、里面疏水的独特微球结构，与碳纳米管形成卟啉化壳聚糖碳纳米管复合物，将其加工成疏水性的卟啉化壳聚糖碳纳米管复合物薄膜(PCCNTs)，应用于生化检测。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

单臂碳纳米管(SWCNTs)，购自成都有机化学试剂公司(纯度>90%)；EDC(BCBF916V)，购自Sigma公司；NHS (F20110210) 和壳聚糖(MW2×104；85-90%脱乙酰化，F20110519)，均购自国药试剂公司；单氨基或单羧基卟啉，为本实验室合成；聚偏氟乙烯膜，购自Millipore公司(Bedford， MA， USA)；醋酸纤维素膜，购自重庆博鑫生物试剂有限公司；染料，购自Sigma-Aldrichs(t.Louis， MO， USA)公司；其他无机试剂，购自重庆川东化工试剂有限公司，均为分析纯。

1.2 实验方法

(1) PCCNT前体物及复合物合成与表征。0.1 molL硝酸氧化SWCNT后用离心纯净水清洗3次，pH为4.5的稀盐酸溶解壳聚糖，采用EDCNHS(摩尔比1 ∶0.5)活化单羧基卟啉，逐滴加入壳聚糖稀盐酸溶液，以60 rmin转速至少反应30 min，用0.2 molL氢氧化钠滴定至沉淀，回收后干燥至成粉末，也可以直接将反应后的50 mL溶液在塑料盘中置4 ℃下自然成膜[9-10]。

(2) PCCNTs复合物薄膜制备与表征。采用溶胶-凝胶法制备PCCNTs复合物薄膜。加工的PCCNTs复合物经高温100 ℃熔融成溶胶状，冷却到50 ℃后调整pH为7.0的复合物溶液；然后置室温冷却至20 ℃，保持相对湿度70%以上，浇灌平底面板后保存至湿盒；最后降温至4 ℃保存至少10 h，或者直接在室温摊开晾干，成膜后备用。

(3) PCCNTs复合物薄膜表征。PCCNTs复合物薄膜水溶性采用接触角测量；粗糙度肉眼观察；光学显微镜观察PCCNTs微观结构；透光性以透光率测定。

(4) PCCNTs复合物薄膜应用。将硅酸四乙酯(TEOS)、超纯水、盐酸、乙醇、指示剂溶液以体积比25 ∶4 ∶3 ∶15 ∶10的比例混匀，再将染料分子溶解在混匀的混合物溶液中，调节pH为7.0，用滤纸过滤，石英毛细管分别在PVDF和PCCNTs复合物膜上按照4×4阵列进行点样，点样后的PVDF膜置50 ℃温度下烘干，PCCNTs复合物膜置常温晾干。

2 实验结果讨论

2.1 PCCNTs复合物溶液

将制备好的新鲜卟啉化壳聚糖溶液存放于温度为4 ℃的冰箱中。开始试验前，将SWCNTs用浓硫酸氧化30 min，同时用80 kHz的超声进行处理。将多次淘洗的SWCNTs与卟啉化壳聚糖溶液在磁力下搅拌，60 rmin，混合组装30 min，得到PCCNTs复合物的混悬溶液。图1所示为复合物溶液。壳聚糖很难溶解于水，在水溶液中形成沉淀；而溶解于稀酸中，液体呈均一透明状；卟啉不能溶解于水，能溶解于四氢呋喃溶液，呈红色；卟啉功能化的壳聚糖呈黄色的浑浊液；当与碳纳米管溶液混合组装后，呈稳定均一的黑色悬液，可短期放置后不分层。

a — 壳聚糖水溶液；b — 壳聚糖酸溶液；c — 卟啉四氢呋喃溶液；d — 卟啉功能化壳聚糖；e — 卟啉功能化壳聚糖与碳纳米管混合溶液。

2.2 PCCNTs复合物膜

PCCNTs复合物溶胶置于温度为4 ℃的冰箱内过夜成膜，膜厚与制备容器溶剂和溶胶黏度有关。图2所示为PCCNTs 复合物膜及其显微镜下观察图。采用0.20%卟啉、0.01% SWCNT溶胶制备成膜，膜厚0.6 mm，保留壳聚糖黏性，置60 ℃烘箱内30 min后黏性减弱，接触角为68～82°。置显微镜下观察，可见不均匀分布的团块。这是因为壳聚糖包裹卟啉形成外面亲水里面的球状物，少量CNTs包含或者镶嵌在卟啉化壳聚糖球体里面所致。

图2 PCCNTs 复合物膜及其显微镜下观察图

壳聚糖可以形成透明的膜[11]，但卟啉和CNTs具有很深的颜色，因此少量的卟啉和CNTs制备的膜均具有较深的颜色，这会影响染料与VOCs结合后的呈色效果。分别添加0.010% ～ 0.050%卟啉及0.010% ～ 0.050%CNTs制备成薄膜，如图3所示。卟啉含量0.010%的膜几乎无色透明，具有良好的光学透性;而卟啉含量0.025%的膜稍带颜色;卟啉含量0.050%的膜具有十分明显的浅黄色，在传感物质或者染料与VOCs结合后会影响假性RGB值，因此卟啉的用量以不超过0.025%为宜。CNTSs对于颜色的影响更加明显，CNTs的用量超过0.010%时制备的膜可看出明显的颜色。在后面的加工过程中，卟啉和CNTs的用量分别固定以0.010%和0.050%为宜。

图3 制备的PCCNTs复合物膜

2.3 PCCNTs复合物膜与PVDF膜

分别在PVDF膜和PCCNTs复合物膜上添加3μL的染料溶胶，其4×4阵列在PVDF膜与PCCNT复合物膜上的呈色和形貌见图4。

图4 染料溶液在PVDF膜与PCCNT复合物膜上的呈色和形貌

PVDF膜具有一定的硬度，轻度疏水性。PVDF膜用于可视阵列传感检测气体的最大缺点是，不具气体吸附能力。

相比PVDF膜，制备的PCCNTs复合物膜具有以下优势：

(1) 透光性。由于这种膜透光，因此在可视阵列光学成像时，对比度更好，成像更清晰。

(2) 疏水性。不同显色剂溶剂的极性不同，在PVDF膜上扩散速度快，导致不同的显色剂的扩散速度不同，因此阵列样品点的大小差别很大。显色剂在PCCNTs膜上相容性差，扩散速度慢，显色剂各样品点的大小一致，有利于取色。

(3) 结构性。PVDF膜不具有孔状结构，对被检测气体的容量有限，气体只是在膜的表面存在。PCCNTs复合物膜具有多孔结构，大容量的被检测气体吸附在膜的缝隙中，有利于显色，更有利于提高检测的敏感性。

(4) 制备简单。相对于PVDF膜的制备，PCCNTs膜的制备过程简单，且成本更低。

3 结 语

相对于常规PVDF膜，采用溶胶-凝胶法制备的卟啉化壳聚糖碳纳米管(PCCNTs)复合物膜具有轻薄、柔性、透光、疏水、多孔结构等特点。卟啉和碳纳米管含量决定薄膜的呈色效果，进而影响应用过程中的RGB值获取，引起检测误差，其质量分数分别以0.010%和0.050%为宜。

[1] CHEN Q， HU W， SU J， et al. Nondestructively sensing of total viable count (TVC) in chicken using an artificial olfaction system based colorimetric sensor array[J]. Journal of Food Engineering， 2016，168(1):259-266.

[2] LI Z， SUSLICK K S. Portable Optoelectronic Nose for Monitoring Meat Freshness[J]. Acs Sensors， 2016，11(1):1330-1335.

[3] Adiguzel Y， Kulah H. Breath sensors for lung cancer diagnosis[J]. Biosensors & Bioelectronics， 2014，65(10):121-138.

[4] HUO D， XU Y， HOU C， et al. A novel optical chemical sensor based AuNR-MTPP and dyes for lung cancer biomarkers in exhaled breath identification[J]. Sensors & Actuators B Chemical， 2014， 199(6):446-456.

[5] HOU C， DONG J， ZHANG G， et al. Colorimetric artificial tongue for protein identification.[J]. Biosensors & Bioelectronics， 2011， 26(10):3981-3982.

[6] HUO D， WU Y， YANG M， et al. Discrimination of Chinese green tea according to varieties and grade levels using artificial nose and tongue based on colorimetric sensor arrays.[J]. Food Chemistry， 2014， 145(7):639-645.

[7] QIN H， HUO D， ZHANG L， et al. Colorimetric artificial nose for identification of Chinese liquor with different geographic origins[J]. Food Research International， 2012， 45(1):45-51.

[8] FITZGERALD J E， BUI E T， SIMON N M， et al. Artificial Nose Technology: Status and Prospects in Diagnostics[J]. Trends in Biotechnology， 2016， 35(1):33-34.

[9] HUANG C， YANG Q， CHEN C， et al. Single carboxyl porphyrin-functionalized chitosan can take shape into polymer molecule microsphere[C]//In 4th International Conference on Sustainable Energyand Environmental Engineering.Shenzhen， China： Atlantis Press， 2015:772-775.

[10] 刘露露，殷英，黄晓宇，等.卟啉化壳聚糖超分子微球的制备与表征[J].纳米科技， 2015(6):73-76.

[11] SYNYTSYA A， GRAFOVá M， SLEPICKA P， et al. Modification of chitosan-methylcellulose composite films with meso-tetrakis(4-sulfonatophenyl)porphyrin[J]. Biomacromolecules， 2012， 13(2):489-490.

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

重庆市科委社会民生科技创新专项“木聚糖酶发酵法生产技术研究及应用”(CSTC2016SHMSZX0600)；重庆科技学院研究生科技创新计划项目“ 卟啉化壳聚糖超分子合成及其安全性研究 ”(YKJCX1620518)

蒋姝(1993 — )，女，四川绵阳人，重庆科技学院2016级硕士研究生，研究方向为生物化工安全。

O636

A

1673-1980(2017)04-0080-04