氯离子响应性纳米纤维素荧光水凝胶的构筑

吴嘉茵， 王汉琛， 黄 彪， 卢麒麟

(1. 闽江学院 福建省新型功能性纺织纤维及材料重点实验室， 福建 福州 350108；2. 福建农林大学 材料工程学院， 福建 福州 350002)

水凝胶是一类高度水化的物理或化学交联的三维网络的软物质，它可能包含多种化学成分和结构形式。水凝胶一般可分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。纳米纤维素优异的性能还有其带电界面以及其在更疏水的溶剂或介质中聚合的趋势，非常有利于作为水凝胶的增强剂甚至构建材料。将纳米纤维素和其他高分子水凝胶混合，通过物理或化学的相互作用形成半互穿网络结构，可改善其力学性能，而且纳米纤维素良好的生物相容性和对纳米纤维的功能化改性使其在组织工程、伤口愈合材料和药物输送系统等领域具有潜在的应用价值[1-2]。荧光水凝胶是由荧光物质(如染料分子，无机半导体量子点(QDs)，金属纳米粒子(metal nanoparticles)，碳量子点(CDs)等)和高分子水凝胶基质结合的一类新型的纳米复合水凝胶，其荧光特性与水凝胶结合起来使其在形状记忆，分子开关和生物检测等方面具有潜在应用价值[3-4]。

聚乙烯醇(PVA)是一种廉价的工业原料，分子式是由聚合物链和侧链羟基构成[5]，良好的生物相容性，无毒性，生物可降解性使其在医药、食品包装、生物组织工程等方面得到广泛应用[6-7]。PVA在90 ℃以上时，易溶于水中成黏稠的液体，冷却形成凝胶。为获得具有良好力学性能的PVA水凝胶，需要对制备的PVA水凝胶进行化学交联或物理交联。化学交联方法主要是采用一些醛类物质与PVA发生羟醛缩合反应，但是一般经过化学交联后都会残留一些有毒交联剂[8-9]。物理交联法最常用的是冻融循环法，随着冻融循环次数的增加，PVA水凝胶结晶区增加，凝胶刚性增强，不透明度增加[10]，且循环过程中由于水被过度排挤出，使水凝胶内部网络结构变得致密，影响其多孔性[11]。这些交联方式都限制了PVA在一些领域的应用。

纳米纤维素作为天然可再生纳米材料，不仅具备高比表面积、高强度、低密度、良好的生物相容性与生物可降解能力，而且还具有纳米粒子在多个领域的特殊效应。纳米纤维素表面存在大量可化学修饰的羟基，可引入具有特殊功能的官能团，从而赋予纳米纤维素复合材料功能特性。另一方面，纳米纤维素表面的羟基可与亲水性聚合物形成多重氢键作用，制备出功能性纳米纤维素复合材料。

本文研究利用纳米纤维素和PVA的特性，对纳米纤维素进行功能化修饰，使其对Cl-具有响应性荧光淬灭，加入植酸(PA)作为交联剂，仅一次冻融循环，通过三者分子间的氢键作用制备了具有半互穿网络结构的氯离子响应性荧光复合水凝胶(PVA/F-CNCs/PA)。该复合水凝胶不仅具有良好的力学性能，且具有对氯离子的荧光敏感性。同时对PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的表面结构、力学性能、溶胀性能、微观形貌，流变性能进行分析表征。

1 实验部分

1.1 原料与试剂

漂白竹浆纤维(α-纤维素含量≥94%)，购于福建省南纸股份有限公司；L-半胱氨酸(分析纯)、植酸溶液(PA，50% H2O)、聚乙烯醇、磷钨酸(分析纯)、柠檬酸(分析纯)均购于阿拉丁试剂(上海)有限公司。

1.2 荧光纳米纤维素的制备

参照文献[12]的方法制备荧光纳米纤维素(F-CNCs)。 2 g漂白竹浆纤维，2.4 g磷钨酸，16 g柠檬酸，40 mL L-半胱氨酸溶液(1 mol/L)置入球磨罐中混合均匀，500 r/min球磨反应180 min。然后将混合液转移至圆底烧瓶中，130 ℃反应240 min，而后加入大量去离子水终止反应，10 000 r/min离心洗涤脱除未反应的柠檬酸、L-半胱氨酸，直至上清液呈中性。5 000 r/min收集上层乳白色悬浮液即为荧光纳米纤维素。

1.3 纳米纤维素荧光水凝胶的构筑

准确称取10 g PVA粉末加入到圆底烧瓶中，然后再加入90 g去离子水，100 ℃油浴条件下冷凝回流反应1.5 h；待PVA粉末完全溶解后得到10% PVA溶液，再取一定量(4%)的F-CNCs悬浮液加入到PVA溶液中，搅拌一段时间，加入10 g PA溶液搅拌至形成均一的溶液，超声去除气泡后倒入特定的模板中放入-20 ℃的冰箱2 h，解冻后得到PVA/F-CNCs/PA水凝胶。作为对照，由PVA与PA形成的凝胶(不添加F-CNCs)也按照上述方法制备，并标记为PVA/PA水凝胶。

1.4 性能表征

1.4.1 形貌观察

将制备好的复合水凝胶在液氮中冷冻淬断，然后再放入真空冷冻干燥机中冷冻干燥，断面经过喷金处理，采用场发射扫描电镜(SEM)对复合水凝胶的断面进行观察分析。

1.4.2 表面官能团与化学结构表征

将冷冻干燥的复合水凝胶研磨成粉末与溴化钾(KBr) 以1∶100的比例混合均匀压成薄片，通过傅里叶变换红外光谱仪以32 次/s的扫描频率，在4 000～400 cm-1的范围内扫描，对复合水凝胶的表面官能团和化学结构进行分析，得到样品的FT-IR图谱。

1.4.3 晶体结构表征

将冷冻干燥的复合水凝胶研磨成粉末取0.5 g放入试样架凹槽中，表面刮平与框架平面一致。复合水凝胶的晶体结构通过X射线粉末衍射仪进行表征。采用Cu Kα射线(λ=0.154 06 nm)，Ni片滤波，以5(°)/min的扫描频率，在5°～60°的范围内进行扫描，得到XRD图谱。结晶度N按照下式计算。

(1)

式中:Ak为结晶区的面积；AA为无定型区的面积。

1.4.4 溶胀性能测试

将不同F-CNCs含量的PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶在25 ℃的去离子水中放置一段时间，通过质量法测试PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的溶胀率。复合水凝胶达到溶胀平衡时，质量为mb，然后将复合水凝胶冷冻干燥，直至其质量不变，此时质量为md。测量3次取平均值，根据下式计算水凝胶的平衡溶胀速率(SR)。

(2)

通过测试不同F-CNCs含量的PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶再溶胀动力学，表征复合水凝胶吸水恢复能力。首先将冷冻干燥后的干凝胶置于25 ℃ 去离子水中一段时间后，将复合水凝胶表面残留的水分拭去后称量，质量记为mt。再溶胀率S按照下式计算。

(3)

1.4.5 力学性能测试

按照ISO 604—2002《塑料压缩性能的测定》对PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的压缩强度和压缩应变进行测试表征。先将水凝胶制作成直径为20 mm， 高为10 mm的圆柱体，采用万能材料试验机上25 ℃的室温下，以1 mm/min的压缩速度进行测试。所有试样测试3次取平均值。

1.4.6 流变性能测试

首先将PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶制作成直径为20 mm，高度为5 mm的圆柱形，通过旋转流变仪对复合水凝胶的力学性能进行测试，在室温(25 ℃) 下，首先扫描测试确定复合水凝胶的线性力学行为。然后在线性黏弹区的范围内，通过频率扫描确定复合水凝胶的储能模量(G′)和损耗模量(G″)。 在线性黏弹区的范围内，固定扫描频率，通过温度扫描分析复合水凝胶对温度敏感性。

1.4.7 热性能测试

将冷冻干燥的复合水凝胶5 mg研磨成粉末，放置到氧化铝坩埚中，通过热分析仪对其进行热稳定性分析，N2作为保护气，以5 ℃/min的升温速率，由30 ℃逐渐升温至600 ℃，表征试样的热性能。

1.4.8 氯离子响应性测试

将复合水凝胶切成长8 cm，宽1 cm，高0.2 cm的长条形，在pH=0.2时，观察加入Cl-离子后溶液荧光强度的变化。并用加入前后荧光强度的比值I0/ICl表示荧光淬灭的敏度，计算公式如下。

I0/ICl=K(Cl-)+K(H+)+1

(4)

式中：I0半胱氨酸的非淬灭荧光强度；ICl为在氯化物浓度下的淬灭荧光强度；K为荧光水凝胶对氯化物的敏感性。通常，淬灭速率(I0/ICl)与淬灭剂浓度(如Cl-)的SV图产生的斜率对于动态淬灭剂而言是线性的。因此，在固定的pH值(其中(K(H+)+1)项成为y截距常数)的情况下，可以从选定pH值下每条标准曲线的斜率获得氯离子敏感性K(Cl-)。

2 结果与讨论

2.1 形貌分析

图1为不同含量F-CNCs的复合水凝胶断面的扫描电镜照片。

从图1(a)可以看到PVA/PA复合水凝胶结构比较均一、平整，且无较大的孔隙。图1(b)中可以看出，随着F-CNCs的加入，复合水凝胶的孔隙增加。主要是因为F-CNCs表面富含的羟基、羧基使复合水凝胶的亲水性增加，更多的水分子在复合水凝胶孔隙中，经过液氮冷冻，能形成较多的冰晶，从而冷冻干燥后形成较多且比较大的孔径[13]。复合水凝胶呈现出不规则的多孔结构，显示了F-CNCs与PVA良好的共混相容性，同时F-CNCs和PVA之间构成了半互穿的交织网络。

2.2 化学结构分析

图2 不同F-CNCs含量的复合水凝胶及F-CNCs的红外光谱图

2.3 晶体结构分析

图3示出不同F-CNCs含量复合水凝胶和F-CNCs的XRD图。可看出，F-CNCs在2θ为15°、16.5°、22.7°、34.8°出现较强的衍射峰分别对应(110)、 (110)、(200)、(004)晶面，为纤维素Ⅰ型[24]。在2θ为20.2°、23.1°、41.1°处为PVA典型结晶峰，分别对应于(101)、(200)、(102)的晶格面，但由于PVA/PA复合水凝胶加入植酸使PVA的典型结晶峰逐渐消失[18]。随着PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶中F-CNCs含量的增加，PVA/PA复合水凝胶在2θ=20.2°，2θ=23.1°处的2个特征衍射峰逐渐加强。说明F-CNCs的添加使PVA/PA复合水凝胶分子结构有序性增加，PVA和PA分子中的羟基、P—OH可与F-CNCs中的羟基，羧基之间形成较强的氢键结合作用，增强了复合水凝胶的有序性，导致复合水凝胶的结晶度的增加[25]。

图3 不同F-CNCs含量复合水凝胶及F-CNCs的XRD谱图

2.4 溶胀性能分析

图4(a)示出不同F-CNCs含量的PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶在水中的平衡溶胀率。从图中可以看出，当F-CNCs含量较少(<0.4 g)时，F-CNCs 含量增加，复合水凝胶的平衡溶胀率也逐渐增加。这是由于F-CNCs分子中具有大量的羟基、羧基(亲水性基团)，复合水凝胶的亲水性增加，其吸水性增强[19,26]。但F-CNCs含量较多(>0.4 g) 时，PVA和PA与F-CNCs之间的氢键结合作用增强，从而导致复合水凝胶的分子链缠结更为致密，通过冷冻处理后，PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶中分子链的重新排列，形成了更为刚性的网络结构，减少了水分子的进入，导致复合水凝胶平衡溶胀率下降[26-27]。图4(b)示出不同F-CNCs含量的PVA/F-CNCs/PA 复合水凝胶冷冻干燥后在水中的再溶胀动力学曲线。从图中可以看出，在PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的再溶胀过程中，不同F-CNCs含量的复合水凝胶的再吸水速率均随时间的增加而迅速增大，随后逐渐平缓，在500 min左右时，复合水凝胶达到再溶胀平衡。随着F-CNCs含量的增加，复合水凝胶的再溶胀率呈现先增加后降低的趋势。因为随着F-CNCs的加入，纤维素分子间的氢键作用被破坏，此时纤维素与PVA和PA分子间形成的氢键作用还比较弱，复合水凝胶的结构较为疏松，且F-CNCs表面富含亲水性基团，PVA/F-CNCs/PA 复合水凝胶的吸水性较强，其溶胀率的恢复能力增强，当达到再溶胀平衡时，PVA/F-CNCs/PA 复合水凝胶的溶胀率可恢复至35%左右。随着F-CNCs含量的增加，F-CNCs与PVA和PA之间形成的氢键结合作用增强，在一次冻融循环过程后，PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶中的分子链进行重新排列，彼此之间相互缠结，组成了更为紧密的网络结构，阻碍了水分子的渗透到复合水凝胶中，且在冷冻干燥过程进一步减小了复合水凝胶内部交联点之间的平均距离，增加了其网络结构的致密性，再一次限制了水分子的进入，使复合水凝胶的再溶胀率下降[28]。

图4 不同F-CNCs含量的复合水凝胶的溶胀性能

2.5 力学性能分析

图5示出不同F-CNCs含量的PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的压缩应力-应变曲线。可以看出，不同F-CNCs含量的复合水凝胶样品均呈现出“J”字型，屈服应力变化在69%～92%之间，表明PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的弹性性能优异。随着F-CNCs含量的增加，PVA/F-CNCs/PA复合水凝的压缩应力逐渐增大，当F-CNCs含量为0.6 g时，复合水凝胶的压缩应力从1.8 MPa增加至3.2 MPa， 表明F-CNCs量少时(<0.6 g)，由于F-CNCs与PVA、PA分子间的氢键作用力，PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶中的孔径较小，结构相对均匀，且F-CNCs分子链的刚性特征对复合水凝胶的起到良好的支撑作用[29-30]。冻融循环过程中F-CNCs分子链进一步与PVA、PA彼此缠结，形成了较为紧密的结构，使得复合水凝胶的力学强度显著增加，F-CNCs限制了PVA分子链的运动，导致屈服应变下降。随着F-CNCs含量的继续增加到0.8 g 时，复合水凝胶的屈服应变继续降低，且压缩应力也降低至3 MPa。这是由于F-CNCs自身羟基容易自形成氢键作用，使F-CNCs团聚，在水凝胶中分散性变差，与PVA界面相容性减弱。导致PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶结构变得疏松，使其压缩应力降低。

图5 不同F-CNCs含量的压缩强度-应变曲线

2.6 流变性能分析

图6(a)示出不同F-CNCs含量的PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的储能模量(G′)和损耗模量(G″)与应变幅度的关系图。从图中可知，在应变振幅小于10%时，此时不同F-CNCs含量的PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的储能模量与损耗模量曲线保持水平，表明储能模量(G′)和损耗模量(G″)与应变振幅无关，复合水凝胶样品呈现出线性行为；且应变振幅的逐渐增大(>10%)水凝胶试样的储能模量逐渐减小，PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶样品呈现出非线性行为，因此在进行频率扫描测试时，应变幅度设定为10%。图8(b)为不同F-CNCs含量的PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的储能模量(G′)和损耗模量(G″)与扫描频率的关系图。PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶在频率扫描过程中，当频率的逐渐升高，储能模量(G′)和损耗模量(G″)曲线保持水平(见图6(b))，表明复合水凝胶结构比较稳定，这是由于F-CNCs与PVA、PA分子间之间的氢键作用力和分子链之间的相互缠绕所产生的机械作用力来维持的[31-32]。随着PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶中F-CNCs的含量的增加(<0.6 g)，复合水凝胶的储能模量由400 Pa增加到650 Pa。因为添加F-CNCs后，与PVA、PA之间之间的氢键作用加强，三者之间分子链彼此缠结，力学性能增加，说明F-CNCs对复合水凝胶的力学强度起到增强作用。随着F-CNCs含量的增加(>0.6 g)，储能模量下降，是由于F-CNCs自身的团聚，使F-CNCs与PVA界面结合能力减弱，复合水凝胶结构变得疏松，与力学测试一致。图6(c)、(d)分别示出不同F-CNCs含量的PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的损耗角正切(tanδ)与扫描频率的关系图和温度与储能模量(G′)和损耗模量(G″)的关系图。从图6(b)、(c)可以得出，不同F-CNCs含量PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的损耗模量值(G′)远小于其储能模量(G″)，且不同扫描频率条件下复合水凝胶的损耗角正切(tanδ)始终小于1，表明在频率扫描范围内PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶试样具有良好的弹性行为，其三维网状结构没有遭到破坏。

图6 不同F-CNCs含量的PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的流变性能

随着频率的增加，PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的损耗角正切(tanδ)逐渐增大，这也说明PVA/F-CNCs/PA 复合水凝胶的三维网状结构受到破坏，其稳定性逐渐减弱。从图8(d)可以看出，在20～80 ℃， PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶储能模量远远大于损耗模量，表明在温度范围内，复合水凝胶具有弹性行为。且PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的储能模量发生剧烈变化的温度随着F-CNCs含量的增加往后移(<0.6 g)。表明F-CNCs的添加与PVA、PA之间的氢键作用以及分子链的缠结增加了复合水凝胶的稳定性[33]。

2.7 热性能分析

图7示出PVA/PA复合水凝胶和PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的TG 和DTG 曲线。

图7 复合水凝胶PVA/PA和PVA/F-CNCs/PA的TG和DTG曲线

从图7中可以看出，复合水凝胶的热分解过程分为3个阶段：35～120 ℃之间的质量损失主要归因于复合水凝胶水分的脱失，且PVA/F-CNCs/PA水凝胶在这阶段质量损失比PVA/PA复合水凝胶多。这是由于F-CNCs的表面羟基和羧基的亲水基团，增加了复合水凝胶的吸湿性；150～270 ℃之间复合水凝胶的质量损失是由于PVA侧链羟基的断裂[19]，PVA/PA复合水凝胶在这阶段的起始分解温度和最大分解温度分别为155 ℃和190 ℃，而PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的起始温度为180 ℃，最大分解温度为225 ℃，比单纯PVA/PA复合水凝胶的要高。这是由于F-CNCs的添加，增加了复合水凝胶分子之间的氢键结合作用，热稳定性增加[34]。400～500 ℃阶段是复合水凝胶主链的断裂和降解。在400 ℃以下，F-CNCs的加入，使复合水凝胶第2阶段分解温度略微提高，而400 ℃以后，热分解温度都没有影响。说明F-CNCs的加入对PVA主链的热分解温度没有改变，其没有形成氢键相互作用。

2.8 Cl-响应性分析

基于在一定pH值下，F-CNCs中的氮和羰基质子化后处于内部电荷转移状态诱发羰基上sp3特性增强，导致共轭2-吡啶酮体系的平面性和刚性丧失，引起了平面外振动，其进入非辐射弛缓通道与氯离子相互作用使荧光淬灭的原理[35-36]，可以用于检测Cl-的浓度，研究PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶对Cl-的敏感性。首先配制不同浓度梯度的NaCl溶液(0～0.2 mol/L)，然后观察不同浓度Cl-对复合水凝胶荧光强度的影响，结果如图8(a)所示。根据图8(a) 统计复合水凝胶荧光强度(峰值)的变化，对不同Cl-浓度的PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的荧光强度变化进行线性拟合，得到荧光淬灭拟合曲线如10(b)所示。由图可以看出，当Cl-浓度在0～0.2 mol/L 范围内，复合水凝胶的荧光淬灭效率呈线性响应，校准曲线为y= 4.11x(Cl-)+1.07(R2=0.996)。

图8 PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的荧光性能

3 结 论

将荧光纳米纤维素(F-CNCs)与聚乙烯醇(PVA)结合，通过植酸(PA)的交联作用形成多重氢键，基于氢键结合作用，一次冻融循环制备了具有良好力学性能、热稳定性且能在一定pH值下对Cl-敏感的荧光水凝胶。并对PVA/F-CNCs/PA复合水凝胶的微观形貌，化学结构、晶型及性能进行研究发现，F-CNCs与PVA、PA分子链之间形成了氢键结合作用，复合水凝胶具有稳定的三维网状结构，良好的力学性能和热稳定性。且由于原料绿色、简单易得和仅一次冻融循环制备的复合水凝胶，对氯离子具有良好的荧光淬灭效率，在生物传感、化学传感及其他智能高分子凝胶材料等领域具有广阔的应用前景。