PVDF膜在碱性DMSO中的变色反应

黎勇坤，邵立东，云 宇，段为钢*

(1.云南中医药大学 云南省中医药学分子生物学重点实验室，云南 昆明 650500；2.昆明医科大学基础医学院药理学系，云南 昆明 650500)

PVDF(polyvinylidene fluoride)是偏二氟乙烯的聚合物，其结构式如图1所示。

图1 偏二氟乙烯和PVDF的结构式

PVDF膜是蛋白质印迹法中常用的一种固相支持物，具有很多优良性能[1-2]：机械强度较高、对蛋白质具有很强的吸附能力、不易燃易爆等，不仅可替代硝酸纤维素膜[3-4]应用于分子生物学领域，在其它领域也有广泛应用[5-6]，因此，关于PVDF膜的研究备受关注，如PVDF膜的改性[7]以及替代研究[8]等。PVDF膜是一种耐腐蚀材料，但也有报道[9]表明强碱对PVDF膜有损伤。PVDF膜呈白色或灰白色，作者所在课题组在分子生物学实验(蛋白质印迹)中意外发现其在碱性(含NaOH)二甲基亚砜(DMSO)中能够快速变色，但罕见碱性有机溶剂导致PVDF膜变色的报道。鉴于此，作者将PVDF膜用不同碱性溶液浸泡后置于DMSO或其它有机溶剂中，观察膜片的颜色变化和反应体系的pH值变化，然后将置于碱性DMSO中得到的棕黑色物质用水溶解，制成KBr压片后扫描其红外光谱，对变色反应进行研究，并探讨反应机理，为拓展PVDF膜的应用领域提供帮助。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

PVDF膜(免疫印迹用)，MilliPore公司；聚四氟乙烯粉(1.2 μm)，麦克林公司。

甲醇，分析纯，天津盛奥化学试剂有限公司；DMSO(>99%)，Biotopped公司；NaOH，分析纯，北京鼎国生物技术有限公司；Tris溶液，BioFroxx公司；甘油、冰醋酸，分子生物纯，生工生物工程(上海)股份有限公司；浓硫酸、氯仿，分析纯，云南杨林开发区汕滇药业有限公司；Na2CO3、乙酸乙酯、无水乙醇，分析纯，天津风船化学试剂科技有限公司；异丙醇，分析纯，西陇科技股份有限责任公司；溴化钾，光学纯，天津光复精细化工研究所。

MOV-112S型烘箱，日本SANYO；GQ70E型红外线快速干燥器，上海吴淞五金厂；SSPA-10A型KBr压片机，日本岛津；IRPrestige-21型傅立叶变换红外光谱仪，岛津集团(香港)有限公司。

1.2 PVDF膜在碱性有机溶剂中的颜色变化

剪取一小片PVDF膜，用甲醇湿润后浸泡于不同碱性溶液中，数秒后取出，沥干；然后置于1 mL不同有机溶剂中，观察PVDF膜的颜色变化。

1.3 PVDF膜在碱性DMSO中的酸碱性

剪取两小片面积约为0.3 cm2的PVDF膜，用甲醇湿润后浸泡于0.2 mol·L-1NaOH溶液中，数秒后取出，沥干；然后将一片PVDF膜置于1 mL DMSO中，另一片PVDF膜置于1 mL蒸馏水中，过夜后加入蒸馏水稀释至10 mL，用广泛pH试纸检测反应体系的酸碱性。

1.4 PVDF膜与碱性DMSO反应物的红外光谱

将PVDF膜在碱性DMSO中反应得到的棕黑色液体于10 000×g离心5 min，去上清，得少量黑色沉淀；将黑色沉淀用0.5 mL蒸馏水溶解后(仍为棕黑色)，分次加入到100 mg KBr中，烤干过夜，以0.5 mL蒸馏水替代黑色沉淀分次加入到100 mg KBr中作为对照；然后置于玛瑙研钵中充分研磨混匀，用压片机压片(80 kN，10 min)；以对照压片为背景，将含棕黑色沉淀的KBr压片用傅立叶变换红外光谱仪进行扫描，累积扫描12次，光谱数据采集范围500～4 000 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 PVDF膜在碱性DMSO中的颜色变化

将PVDF膜用甲醇湿润后，分别采用不同方式(直接置于DMSO中、先浸泡于2.5 mol·L-1NaOH溶液中数秒再沥干置于DMSO中、直接置于含NaOH颗粒的DMSO中、先浸泡于1.0 mol·L-1Na2CO3溶液中数秒再沥干置于DMSO中、先浸泡于2.0 mol·L-1Tris溶液中数秒再沥干置于DMSO中)置于碱性DMSO中，观察膜片的颜色变化，结果如图2所示。

由图2可以看出，将PVDF膜用甲醇湿润后，直接置于DMSO中不变色(图2a)；先浸泡于2.5 mol·L-1NaOH溶液中数秒再沥干置于DMSO中，膜片颜色在10 s内由灰白色快速变成棕黑色，变色反应从膜片边缘开始，很快扩散到整个膜片(图2b)；直接置于含NaOH颗粒的DMSO中，膜片开始变色较慢，但随着浸泡时间的延长，变色迅速，甚至碎裂脱落，溶剂被染色(图2c)；先浸泡于1.0 mol·L-1Na2CO3溶液中数秒再沥干置于DMSO中不变色(图2d)；先浸泡于2.0 mol·L-1Tris溶液中数秒再沥干置于DMSO中也不变色(图2e)。

实验还发现，PVDF膜用2.5 mol·L-1NaOH溶液浸泡风干后再置于DMSO中也会发生快速变色反应；如果用2.5 mol·L-1NaOH溶液浸泡后再用自来水短暂洗涤，再置于DMSO中也会变色；碱处理的PVDF膜如果洗涤非常充分后，再置于DMSO中则不变色；碱处理的PVDF膜如果再用盐酸或醋酸处理后，再置于DMSO中也不会变色；PVDF膜变色反应也可发生在N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，效果与DMSO相似。PVDF膜用2.5 mol·L-1NaOH溶液浸泡后再置于50%DMSO中，变色反应也可进行，但明显减慢减弱；如果用0.2 mol·L-1NaOH溶液浸泡后再置于DMSO中也会变色，但变色反应也会减慢减弱。

2.2 PVDF膜在脱水剂中的颜色变化

分别采用不同方式(直接置于1 mL浓硫酸中、先浸泡在2.5 mol·L-1NaOH溶液中数秒再沥干置于1 mL浓硫酸中、先浸泡于2.5 mol·L-1NaOH溶液中数秒再沥干置于1 mL甘油中)将PVDF膜置于脱水剂(浓硫酸或甘油)中，观察膜片的颜色变化，结果如图3所示。

由图3可以看出，采用3种方式将PVDF膜置于脱水剂中，膜片均不变色。

a.直接置于1 mL浓硫酸中 b.先浸泡于2.5 mol·L-1 NaOH溶液中数秒再沥干置于1 mL浓硫酸中 c.先浸泡于2.5 mol·L-1NaOH溶液中数秒再沥干置于1 mL甘油中

2.3 PVDF膜在其它碱性有机溶剂中的颜色变化

将PVDF膜用2.5 mol·L-1NaOH溶液浸泡后，分别置于无水乙醇、甲醇、异丙醇、乙酸乙酯、氯仿中，24 h后观察膜片的颜色变化，结果如图4所示。

a.无水乙醇 b.甲醇 c.异丙醇 d.乙酸乙酯 e.氯仿

由图4可以看出，将PVDF膜用2.5 mol·L-1NaOH溶液浸泡后，置于无水乙醇、甲醇、异丙醇和乙酸乙酯中24 h后均会发生不同程度的颜色变化(棕黑-棕黄色)，置于氯仿中无颜色变化；在不同有机溶剂中的颜色自深到浅大体是无水乙醇>甲醇>异丙醇>乙酸乙酯。

2.4 PVDF膜在碱性DMSO中的pH值变化(图5)

a.蒸馏水 b.DMSO

由图5可以看出，将PVDF膜用0.2 mol·L-1NaOH溶液浸泡后置于蒸馏水中，膜片不变色，反应体系稀释到10 mL时仍为强碱性(图5a)；将PVDF膜用0.2 mol·L-1NaOH溶液浸泡后置于DMSO中，膜片变成棕黑色，反应体系稀释到10 mL时pH试纸的颜色变为黄色，提示反应体系已接近中性或为弱酸性(图5b)。

2.5 PVDF膜在碱性DMSO中生成的棕黑色物质的红外光谱

PVDF膜在碱性DMSO中生成的棕黑色物质可溶于水，KBr压片后测试其红外光谱(图6)。在1 635.64 cm-1处可见明显的吸收峰，符合共轭二烯的红外吸收特征；1 436.97 cm-1处的吸收峰符合双键碳氟键吸收特征；1 022.27 cm-1处的吸收峰符合饱和碳氟键吸收特征。

图6 PVDF膜在碱性DMSO中生成的棕黑色物质的红外光谱

2.6 PVDF膜在碱性DMSO中的变色反应机理

本研究支持PVDF膜并不是高惰性的物质[9]，在强碱条件下具有不稳定性。有报道[10]称某些有机溶剂如DMF能损伤PVDF膜，甚至能生成共轭二烯而变色。变色意味着PVDF膜的物质基础发生了改变，继而会影响其理化性质。PVDF膜是疏水膜，需要用甲醇湿润后才能和水性液体充分接触。变色后，其亲水性有所提高，机械强度减弱甚至发生碎裂。

PVDF聚合单元的2个氟集中在1个碳上(图1)，对所连接的碳原子会产生较大的吸电子效应，具有典型的卤代烷性质。从反应效果看，应该是形成了较大的共轭体系才导致PVDF膜颜色变深。本研究中，PVDF膜的碱处理和DMSO作用既可以分步完成，又可以一步完成。由于有报道[7]称微波强化强碱处理可以使PVDF膜脱氟，因此猜测PVDF可能先发生碱水解(即氟被羟基取代)，然后再在DMSO中脱水形成长链共轭体系而变色。浓硫酸是公认的强脱水剂，甘油也具有一定的脱水作用，碱处理的PVDF膜置于浓硫酸或甘油中并未变色，故可以排除PVDF“水解-脱水”作用，更可能是发生了直接的脱卤(氟)化氢作用。

本研究发现，只有强无机碱处理才能导致PVDF膜在DMSO或其它有机溶剂中变色，这符合氟代烷脱氟化氢的特点。根据碱处理PVDF膜在不同溶剂中的变色反应强烈程度，说明该变色反应的溶剂效应强烈，非质子极性溶剂有利于该变色反应的发生，这也符合卤代烷脱卤化氢的反应特点。由于卤化氢为酸性，所以反应后溶剂中的碱性会减弱。

长链共轭烯(聚乙炔)具有较深的颜色[11]。红外光谱数据支持变色产物存在共轭二烯结构(聚一氟乙炔)、双键碳氟键和饱和碳氟键结构，因而提示该反应产物是一个混合物。如果变色程度深，则产物中的共轭二烯和双键碳氟键信号就比较强；如果变色程度较浅，饱和碳氟键的信号就会增强。理论上，含有卤素的共轭二烯可以进一步脱卤化氢生成共轭二炔，但本研究未观察到共轭二炔结构信号。如果聚一氟乙炔要进一步脱氟化氢，可能还需要更强烈的反应条件。

因此，PVDF膜在碱性DMSO中的变色反应机理可用图7表示。即，PVDF在强碱作用下生成中间体(具有可逆性)，该中间体于非质子极性溶剂中可以发生脱氟化氢而生成聚一氟乙炔。

图7 PVDF膜在碱性DMSO中可能的变色反应机理

需要说明的是，与文献[10]报道的机理(认为是有机胺腐蚀PVDF膜)不同，本研究报道的变色反应属于卤代烷E2反应，中间产物(碱处理的PVDF膜)是可逆且相对稳定的。

3 结论

PVDF膜具有碱不稳定性，用NaOH溶液浸泡后置于非质子极性溶剂DMSO中，膜片很快变为棕黑色，反应体系由强碱性变为近中性或弱酸性。可能的变色反应机理为：PVDF在强碱作用下生成中间体(具有可逆性)，该中间体于非质子极性溶剂中可以发生脱氟化氢而生成聚一氟乙炔，聚一氟乙炔具有共轭二烯、双键碳氟键和饱和碳氟键结构。