低化学交联反蛋白石水凝胶的制备及多重刺激响应性

李 锦，郑 航,2，郑 湾，刘乐荣，李飞虎，吕翰林，王宇航，王艺峰，陈艳军

(1. 武汉理工大学材料科学与工程学院高分子材料系，湖北武汉 430070；2. 上汽通用汽车武汉分公司，湖北武汉 430200)

光子晶体是一类能形成光子禁带的具有周期性电介质的结构材料[1,2]，能够调控光的传播，在动态仿生学、智能响应材料和传感器[3～5]等领域具有广泛的应用。然而，由于蛋白石结构光子晶体的折射率相对较低，难以产生完整的光子带隙，极大地限制了光子晶体的应用。有文献报道[6,7]，将蛋白石结构的光子晶体模板与聚合物水凝胶相结合制备具有多孔结构的反蛋白石水凝胶是解决上述问题的有效方法。

自Asher 等[8]基于胶体晶体水凝胶提出智能传感材料后，响应型光子晶体就成为了构建光学传感器的有效工具。目前，已有不少由反蛋白石水凝胶构筑的新型光学传感器被开发出来，如CO2气体传感器[9]、葡萄糖传感器[10]和pH 传感器[11]。然而，大多数报道的反蛋白石水凝胶仅具有单一的刺激响应性，难以应用于多重检测领域。因此向反蛋白石水凝胶体系中引入多重刺激响应性可以扩大其应用范围。Zhao 等[12]以单分散二氧化硅微球为模板，引入温度和pH 敏感性单体2-(二甲基氨)乙基甲基丙烯酸酯（DMAEMA）和光敏感性单体螺吡喃-甲基丙烯酸酯（SPMA），制备得到了具有多重刺激响应的化学交联反蛋白石水凝胶传感器。Wang 等[13]引入pH 敏感性单体丙烯酸（AA），利用丙烯酰胺与丙烯酸的化学交联共聚制备了用于检测酒精和pH 的双可调反蛋白石传感器。因此，具有刺激响应性单体的引入是赋予反蛋白石水凝胶多重刺激响应性的重要手段。

本文将pH 敏感性单体丙烯酸（AA）和温度敏感性单体N-异丙基丙烯酰胺（NIPAm）的共聚与蛋白石模板法相结合，制备了具有温度、pH 和溶剂响应性的低化学交联聚N-异丙基丙烯酰胺/丙烯酸（Cdots/BIS-P(NIPAm-AA)）反蛋白石结构光子晶体水凝胶(IOHP(NIPAm-AA))。碳点（C-dots）作为物理交联点被引入到凝胶体系中，可以有效降低毒交联剂用量（1%以下），同时保证了IOHP(NIPAm-AA)的结构稳定性和机械强度。制备的IOHP(NIPAm-AA)将具有多重刺激响应性，在温度、pH 和溶剂的刺激下能产生肉眼可见的结构色变化，在可视性传感器领域具有巨大的应用潜力。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

聚苯乙烯（PS）、N, N, N’, N’-四甲基乙二胺（TEMED）、N, N’-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）、过硫酸钾（KPS）：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；AA和NIPAm：分析纯，阿拉丁试剂有限公司；C-dots：以β-环糊精为碳源，用低温水热法制备[14]。

1.2 制备过程

1.2.1 单分散PS 胶粒的制备：采用无皂乳液聚合的方法制备单分散聚苯乙烯胶体粒子。选用油浴机械搅拌装置，向四口瓶内加入150 mL 去离子水和13 mL 苯乙烯单体，在氮气保护下，以300 r/min 的转速搅拌30 min，将0.2 g AA 和0.3 g KPS 加入到反应瓶中，然后将反应体系缓慢加热至75 ℃，聚合反应8 h，得到聚苯乙烯乳液，然后将PS 乳液离心洗涤得到单分散PS 胶体，通过动态光散射粒径仪测试PS胶体粒子的粒径尺寸及分布。

1.2.2 PS 光子晶体模板的制备：采用垂直沉积自组装方法制备光子晶体模板。将制得的聚苯乙烯胶粒配制成质量分数为2%的水分散液，将经浓硫酸和30%过氧化氢的混合溶液（体积比7:3）处理后的玻璃片垂直插入盛有PS 胶体分散液的烧杯中。然后将烧杯放入温度为65 ℃的烘箱，待水分完全蒸发后，升温至98 ℃，保持3 h，得到PS 光子晶体模板。

1.2.3 低化学交联IOHP(NIPAm-AA)的制备：采用毛细管诱导法制备IOHP(NIPAm-AA)。将0.13 g C-dots 加入到10 mL 去离子水中，再将1.13 g NIPAm，0.72 mL AA 和0.01 g BIS 加入到上述水分散液中，将混合液在冰水浴中通氮气并超声0.5 h，再加入0.01 g KPS 和10 TEMED，继续超声5 min 除去多余气泡，最后将水凝胶预聚液注入PS 光子晶体模板中进行填充。水凝胶预聚液的聚合反应在20～25 ℃进行24 h，得到带有PS 模板的低化学交联的C-dots/BIS-P(NIPAm-AA)蛋白石水凝胶。然后，将水凝胶在二甲苯中漂洗以完全除去聚苯乙烯光子晶体模板，最终获得具有反蛋白石结构的IOHP(NIPAm-AA)。

1.3 测试与表征

1.3.1 动态光散射分析：使用Nano Series 动态光散射仪（DLS，Malvern Instruments Co. UK）测试PS 胶体粒子的尺寸及粒径分布状态。激光光源为He-Ne、激光器波长为633 nm、测试温度为25 ℃。被测样品为PS 胶体粒子分散液，每个样品测3 次，取平均值。

1.3.2 场发射扫描电子显微镜分析：使用日本电子株式会社JSM-7500F 型场发射扫描电子显微镜（SEM），在5.0 kV 的电压下，对PS 蛋白石模板和IOHP(NIPAm-AA)的表面形貌进行观察。被测样品PS 蛋白石模板直接在真空干燥箱中干燥，IOHP(NIPAm-AA)用液氮脆冷后进行24 h 冷冻干燥。

1.3.3 光纤光谱仪分析：采用SP-1702 型光纤光谱仪（上海屹立科学仪器有限公司）测量IOHP(NIPAm-AA)的反射光谱。扫描波长范围为400～1000 nm，入射光与样品垂直，测试温度为25 ℃，IOHP(NIPAm-AA)样品表面需用水润湿再进行测量。

1.3.4 溶胀率测试：IOHP(NIPAm-AA)的溶胀率（R）是通过测量在不同条件下圆柱状水凝胶溶胀前后的直径变化来进行计算：

式中：D0——圆柱状凝胶溶胀前的直径，mm；D——溶胀后的直径，mm。

Fig.1 Formation scheme of IOHP(NIPAm-AA)

2 结果与讨论

2.1 IOHP(NIPAm-AA)的形成与结构

Fig.1 为IOHP(NIPAm-AA)的制备过程示意图。水凝胶预聚液沿着载玻片从PS 蛋白石模板的边缘渗入模板内部（Fig.1(a)）。在PS 光子晶体模板中，PS 微球紧密堆积在一起，微球与微球之间留出一定空隙，为凝胶预聚液的填充提供位置，预聚液渗透入这些间隙后在20 ℃聚合24 h 生成水凝胶膜。由于C-dots 的力学强化作用[15]，形成的水凝胶膜容易从基材上剥离且没有明显外观缺陷（Fig.1(b)）。然后，将水凝胶膜浸入二甲苯中，通过浸泡除去PS 微球，得到反蛋白石结构的IOHP(NIPAm-AA)(Fig.1(c))。

对PS 模板和IOHP(NIPAm-AA)进行扫描电镜分析，结果如Fig.2 所示。粒径均一的PS 微球堆积成紧密的面心立方结构（Fig.2(a)），与Fig.1(a)中的结构模型相吻合。IOHP(NIPAm-AA)表面呈现均匀有序的大孔结构，孔洞边缘光滑无破损，表明水凝胶具有良好的力学强度和结构稳定性(Fig.2(b))。由Fig.2(a)和Fig.2(b)的SEM图像可以统计得到模板中的PS 胶粒和IOHP(NIPAm-AA)中孔洞的平均尺寸分别为235 nm 和205 nm。与PS 胶粒相比，孔洞的尺寸缩小了12%左右，说明在移除PS 模板后，IOHP(NIPAm-AA)产生了轻微的收缩。

Tab.1 给出了不同AA 添加量下，IOHP(NIPAm-AA)的颜色变化及其最大反射峰波长的位置。当加入的AA含量从0.54 mL 增加到0.9 mL 时，IOHP(NIPAm-AA)的结构颜色由蓝色转为蓝绿色再变为黄绿色，IOHP(NIPAm-AA)的最大反射峰波长(λmax)分别为463 nm，512 nm 和582 nm。

Fig.2 SEM images of (a) the PS opal template and(b) the surface of IOHP(NIPAm-AA)

Tab.1 Structural color and wavelength change of IOHP(NIPAm-AA) with different contents of AA

随着AA含量的增大，IOHP(NIPAm-AA)的反射光谱发生红移（Fig.3）。这是由于在高AA含量下，IOHP(NIPAm-AA)亲水性增强，凝胶网络进一步吸水溶胀。另一方面，AA 的存在使得凝胶聚合物分子链上电离产生了大量羧酸根离子（—COO—），离子间的相互排斥作用导致内部分子链的扩展。这2 种因素都使得IOHP(NIPAm-AA)的溶胀率增加，根据修正后的布拉格衍射定律[16]，反蛋白石结构的最大反射峰波长（λmax）与溶胀率呈正比，因此当丙烯酸含量增大时，IOHP(NIPAm-AA)对应的λmax向长波方向移动，发生红移。

Fig.3 Reflectance spectra of IOHP(NIPAm-AA)with different contents ofAA

Tab.2 Structural color and wavelength change of IOHP(NIPAm-AA)in different pH environments

Fig.4 (a) Reflection spectra of IOHP(NIPAm-AA) in different pH environments; (b)reflection peaks as a function of pH value

2.2 IOHP(NIPAm-AA)的pH 响应性

由于水凝胶网络分子结构中AA 单体单元对pH敏感，因此IOHP(NIPAm-AA)对pH 具有响应性。选取AA体积为0.72 mL 制备得到的IOHP(NIPAm-AA)浸泡在不同pH 的水溶液中（pH= 2.5, 4.5, 6.4, 7.3, 8.5），其结构色的变化和最大反射峰波长位置如Tab.2 所示。随着溶液pH 值的增大，IOHP(NIPAm-AA)的结构色由蓝绿色向橘红色转变，λmax分别为550nm，574nm，590nm，605nm 和650nm。

IOHP(NIPAm-AA)的反射光谱及其与pH 之间的关系如Fig.4 所示。当IOHP(NIPAm-AA)浸泡在pH 为2.5 的水溶液时，反射峰处于最低值（550 nm）。随着pH值 从2.5 增 加 到7.3，λmax从550 nm 缓 慢 增 加 到605 nm。这是由于IOHP(NIPAm-AA)处于酸性环境时，反蛋白石水凝胶聚合物链上羧基的电离受到抑制，从而限制了IOHP(NIPAm-AA)的溶胀。当pH 值从7.3 增大到8.5 时，羧基的电离增大，凝胶亲水性进一步增强，促进了IOHP(NIPAm-AA)吸水溶胀，λmax从605 nm 迅速增加到650 nm。随着pH 进一步升高（pH＞8.5），水溶液的离子强度增大，导致水凝胶渗透压增大，反而使IOHP(NIPAm-AA)收缩，λmax由650 nm 降低至610 nm，反射光谱发生蓝移。

2.3 IOHP(NIPAm-AA)的溶剂响应性

将IOHP(NIPAm-AA)浸泡在不同体积分数（0%, 20%,40%, 60%, 80%和100%）的甲醇水溶液中，其对应的结构色光学照片和最大反射峰位置如Tab.3 所示。随着甲醇体积分数增大，IOHP(NIPAm-AA)的结构色逐渐由橙红色向蓝色转变，λmax分别为684 nm，646 nm，619 nm，608 nm 和510 nm。

IOHP(NIPAm-AA)对应的反射光谱图及其与甲醇体积分数之间的关系如Fig.5 所示。Fig.5(b)为IOHP(NIPAm-AA)的λmax和甲醇体积分数的关系曲线。当甲醇体积分数为0%时，IOHP(NIPAm-AA)的最大反射峰波长位于710 nm。由于甲醇不是水凝胶的良溶剂，随着甲醇含量的逐渐增大，IOHP(NIPAm-AA)在甲醇水溶液中的溶胀程度下降，水凝胶膜发生收缩，λmax明显降低，产生明显蓝移，当甲醇体积分数达到100 %时，λmax降低至510 nm。这说明IOHP(NIPAm-AA)对甲醇具有明显的溶剂响应。

Tab.3 Structural color and wavelength change of IOHP(NIPAm-AA) in different volume fractions of methanol aqueous solution

Fig.5 (a) Reflection spectra of IOHP(NIPAm-AA) in different volume fractions of methanol aqueous solution; (b)reflection peaks as a function of volume fraction of methanol

2.4 IOHP(NIPAm-AA)的温度响应性

NIPAm 是温敏性单体，聚合得到的聚（N-异丙基丙烯酰胺）是一种具有温度响应性的聚合物，其在接近36 ℃的人体温度时，聚合物大分子链会随着温度的变化，产生可逆的收缩与伸展。因此，以NIPAm为基材制备的反蛋白石水凝胶膜IOHP(NIPAm-AA)也同样具备温敏性。

将IOHP(NIPAm-AA)浸泡在一系列温度不同（25 ℃，28 ℃，31 ℃，34 ℃，37 ℃，40 ℃，43 ℃和46 ℃）的去离子水中，发现反蛋白石凝胶膜在25 ℃时表现出明亮的蓝色结构色，如Fig. 6(a)左侧照片。当温度超过40 ℃时，IOHP(NIPAm-AA)发生构象转变，凝胶由亲水状态转变为疏水状态，大量的水分流失导致凝胶收缩，反蛋白石结构色几乎消失，凝胶膜呈现不透明的乳白色，如Fig.6(a)右侧照片。将相转变后的IOHP(NIPAm-AA)再次浸泡在25 ℃去离子水中，其结构色又恢复为原本的颜色，表明在温度的影响下，该IOHP(NIPAm-AA)结构色的出现-消失是可逆的。

Fig.6(b)为不同温度下IOHP(NIPAm-AA)的溶胀率（D/D0）和最大反射峰波长（λmax）的关系曲线。当IOHP(NIPAm-AA)处于25 ℃的环境时，其λmax位于590 nm 处，溶胀率为1.13。随着温度逐渐升高，反射光谱向短波方向移动，当温度接近40 ℃时，IOHP(NIPAm-AA)急剧收缩，失水迅速发生相变，溶胀率降至0.82，λmax也迅速蓝移至510 nm，其变化趋势与溶胀率相似。当温度进一步上升至46 ℃时，反蛋白石凝胶膜已经达到去溶胀平衡，λmax和D/D0的变化都趋于平缓。因此，IOHP(NIPAm-AA)的结构色响应温度与水凝胶临界相转变温度一致，约为40 ℃，并具有可逆的特点。

Fig.6 (a)Conformational transformation of IOHP(NIPAm- AA); (b)swelling ratioandreflectionpeakwavelengthofIOHP(NIPAm-AA)indifferent temperaturesofdistilledwater

3 结论

基于PS光子晶体模板合成了低化学交联的C-dots/BIS-P(NIPAm-AA)反蛋白石水凝胶膜（IOHP(NIPAm-AA)）。IOHP(NIPAm-AA)的初始结构色和反射峰波长可以通过改变共聚单体AA 的含量来调控。随着AA 用量的增加，反蛋白石水凝胶膜结构色由蓝色向黄绿色转变，对应的反射峰波长发生红移。在酸性环境下，IOHP(NIPAm-AA)的结构色偏向蓝绿，随着环境pH 增大，结构色由蓝绿向橙红转变，反射峰波长先增大后减小。当甲醇水溶液中的甲醇体积分数从0%升至100%时，IOHP(NIPAm-AA)的结构色逐渐由红色转变为蓝色，反射光谱向短波方向移动，发生蓝移。在温度刺激下，IOHP(NIPAm-AA)鲜艳的结构色在接近40 ℃时呈现出可逆的出现-消失，其反射峰波长与溶胀比的变化相符，两者具有较好的关联性。因此，这种低化学交联反蛋白石水凝胶在溶剂/pH/温度传感器等多重检测领域具有潜在的应用价值。