物理交联刚果红—聚乙烯醇凝胶膜的敏感特性研究*

刘 捷，刘广力，李 霞，刘 琳，汤克勇

（郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州 450052）

0 引言

pH的准确和快速测量在工农业生产、医药卫生、环境分析等领域具有重要作用。近年来，人们利用凝胶的亲水性、网络结构以及敏感特性开发了一系列可用于光导纤维的凝胶基pH传感材料，这类材料具有不带电、抗电磁干扰能力强、无污染等优点［1，2］。将常用的化学指示剂固定于惰性凝胶基质中是制备凝胶基pH传感器的重要方法之一。常用的指示剂固定方法有3种:吸附法、共价键结合法、包埋法。吸附法通常比较简单，但指示剂容易发生泄漏;共价键结合的方法相对比较麻烦，而且时间较长，但是指示剂一般不容易泄漏;包埋法是将指示剂包埋在多孔的聚合物基质里，这种方法同样容易实现，但也可能发生指示剂泄漏或改变指示剂的响应范围［3］。对于基质材料的选择，通常要求具有质子选择透过性、光透过性、高亲水性、耐强酸碱性和优良的机械性能等。pH指示剂与凝胶网络通过共价键、离子键或氢键等作用结合均可制备pH敏感材料。陈天禄等人以化学交联聚乙烯醇固定刚果红和苯酚红低聚物等，制备光响应性 pH 传感材料［4，5］。Hashemi P等人用琼脂糖作为固定载体固定刚果红、中性红等指示剂，制备了一系列凝胶基pH传感材料［6，7］。但是，上述凝胶中的化学交联剂可能会对凝胶结构和响应特性产生不利影响，而研究无交联剂的物理交联凝胶作为传感基质材料的报道不多。聚乙烯醇是一种无毒、无刺激性的亲水性、半结晶性高聚物，具有良好的吸水性、机械强度和化学稳定性，是固定指示剂最理想的载体之一。将聚乙烯醇溶液反复低温冷冻，然后室温解冻处理，可形成具有三维网状结构的水凝胶，其交联点由冷冻—解冻过程中形成的微晶区构成，是典型的物理交联水凝胶［8］。物理交联的优点在于从根本上避免了交联剂对凝胶结构和分子链上活性基团的影响，有利于其在传感、生物、组织工程等领域的应用［9］。

本文研究通过循环冷冻—解冻法制备了刚果红—聚乙烯醇凝胶膜，利用紫外—可见光谱仪测试了该凝胶膜的pH敏感特性，探讨了膜的响应时间和稳定性，并与化学交联刚果红—聚乙烯醇（CCGR—PVA）凝胶膜的pH敏感性进行了对比研究，分析了物理凝胶作为pH传感基质材料的优点。研究结果说明物理交联刚果红—聚乙烯醇（PCGR—PVA）凝胶膜作为化学或生物传感领域具有诱人的应用前景。

1 实验

1.1 PCGR—PVA 凝胶膜的制备

称取聚乙烯醇8 g，二甲基亚砜70 mL，去离子水30 mL，加入到250 mL的三口瓶中，90℃水浴加热，搅拌4 h，冷却、脱泡备用。将聚乙烯醇溶液注入自制的玻璃模具中密封，置入-20℃冰箱中冷冻20 h，取出室温解冻4 h，为一个循环。循环3次，制得PCGR—PVA凝胶膜。将膜放入100 mg/mL的刚果红溶液中室温下浸泡24 h，取出用去离子水充分洗涤，储存在去离子水中备用。

1.2 CCGR—PVA/CCGR-PVA 凝胶膜的制备

称取聚乙烯醇8g，去离子水92mL，加入到250mL的三口瓶中，90℃水浴加热，搅拌4 h。冷却、脱泡备用。称取10 g聚乙烯醇水溶液，加入0.25 mL 10 wt%的戊二醛溶液，磁力搅拌30 min，加入0.1 mL 4 mol/L的盐酸溶液，搅拌1 min后在自制的玻璃模具中铺膜，2 h后取出即得戊二醛交联的聚乙烯醇膜。将制得的膜用去离子水反复冲洗，然后放入不同浓度的刚果红溶液里浸泡24 h，取出用去离子水充分洗涤，储存在去离子水中备用。

1.3 PCGR—PVA/CCGR-PVA凝胶膜的pH敏感特性测定

将上述制备的凝胶膜固定于自制聚丙烯框式支撑架上，插入盛有缓冲溶液的石英比色皿中，以相应的缓冲溶液做参比，使用日本岛津UV—2550型紫外可见分光光度计扫描并记录不同pH值下吸光度达到稳定时的吸收光谱。

2 结果与讨论

2.1 PCGR—PVA和CCGR—PVA凝胶膜的pH敏感特性

图1（a）和（b）所示分别为 PCGR—PVA和 CCGR—PVA凝胶膜的可见光吸收谱，扫描范围300～700 nm。从图中可以看出:PCGR—PVA和CCGR—PVA凝胶膜在300～700nm范围内均存在最大吸收波长，且最大吸收波长随pH改变而变化。PCGR—PVA凝胶膜的最大吸收波长在pH由5.33降至0.29时从507 nm红移至594 nm（图1（a））。在光谱扫描范围内，PCGR—PVA凝胶膜的吸光度在不同波长范围内的变化趋势相反，以波长530 nm为分界点，当测量波长小于530 nm时，凝胶膜的吸光度随着pH的降低而下降;测量波长大于530 nm时，吸光度随着pH的降低而增加。CCGR—PVA凝胶膜的最大吸收波长和吸光度变化情况与PCGR—PVA凝胶膜相似，在pH由5.33降至0.29时从500 nm红移至612 nm（图1（b））。以540 nm波长为分界点，当测量波长小于540 nm时，吸光度随着pH的降低而下降;大于540 nm时，吸光度随着pH的降低而增加。

图1 PCGR—PVA和CCGR—PVA凝胶膜在不同pH缓冲溶液中的紫外—可见吸收光谱Fig 1 UV/Vis absorption spectrum of PCGR—PVA ＆CCGR—PVA gel membranes in different pH buffer solutions

Kostov Y等人将刚果红固定在醋酸纤维素上，与刚果红溶液相比，刚果红—醋酸纤维素复合物的光谱曲线在紫外区出现新的吸收峰，据此认为刚果红是通过化学键合固定到载体上，并指出这种键合方式导致刚果红的光谱性质发生变化［10］。陈天禄等人将刚果红固定在甲醛和环氧氯丙烷交联的聚乙烯醇膜上，认为刚果红和聚乙烯醇上的氢键作用以及交联剂引入的新的化学键是光谱在可见光区发生变化的原因［4］。对比图1（a）和图1（b）可以发现，相对于PCGR—PVA凝胶膜，随溶液pH的降低，CCGR—PVA凝胶膜的红移现象更明显，在相同pH变化范围内（5.33～0.29），PCGR—PVA和CCGR—PVA凝胶膜的红移波长数分别为87，112 nm。这表明CCGR—PVA对刚果红的敏感特性产生了更显著的影响，而PCGR—PVA凝胶依靠微晶区交联点形成的网络结构则对刚果红分子pH敏感性的影响较小。

2.2 PCGR—PVA和CCGR—PVA凝胶膜的线性响应范围

图2所示为PCGR—PVA与CCGR—PVA凝胶膜分别在峰值波长594nm和612nm处的吸光度随pH变化情况。在pH 4.33～0.29范围内，2种凝胶膜的吸光度均与pH呈较好的线性关系。随缓冲溶液pH的升高，凝胶膜的吸光度下降并接近0。对4.33～0.29范围内 PCGR—PVA与 CCGR—PVA凝胶膜实验结果进行线性拟合，其线性方程的斜率分别为-0.36，-0.159。拟合直线斜率绝对值越大，溶液单位pH的改变就能获得更大的吸光度改变量，拟合结果表明:PCGR—PVA凝胶膜对pH的响应比CCGR—PVA凝胶膜更灵敏。聚乙烯醇分子链上有大量羟基，这些羟基与刚果红分子之间稳定的氢键作用是刚果红能够固定在聚乙烯醇凝胶中的主要原因。与PCGR—PVA凝胶相比，CCGR—PVA凝胶膜由于戊二醛与PVA之间的缩醛化反应，会减少聚乙烯醇与刚果红结合的位点，因此，CCGR—PVA凝胶膜能够固定的刚果红较PCGR—PVA凝胶少，导致其对pH响应产生的光信号改变量较低，灵敏度也因此较差。

图2 PCGR—PVA和CCGR—PVA凝胶膜的响应曲线Fig 2 Response curves of PCGR—PVA ＆ CCGR—PVA gel membranes

2.3 响应时间与稳定性

传感器的响应时间是决定传感器实用性的一个重要评估参数，响应时间越短，越容易实现对刺激信号的快速和实时测量。通常降低凝胶传感器响应时间的方法有降低敏感层厚度、选择高亲水、高传质能力的载体以及改善测试环境等方法［11］。图3为PCGR—PVA凝胶膜分别在 pH为4.44，3.46，2.44，1.21 缓冲溶液中反复浸泡的响应时间曲线，凝胶膜的厚度为100 μm。从图中看出:当溶液酸性较弱时，PCGR—PVA凝胶膜对pH的响应迅速，响应时间小于10 s;当溶液酸性较强时，pH从2.44降至1.21时，响应曲线会出现先迅速上升，最后逐渐平缓的变化过程，响应平衡时间约为200 s。这主要是由于刚果红分子分布在整个凝胶内部，因此，氢离子的扩散是刚果红响应时间的控制因素，凝胶内部的刚果红需要一定的扩散时间，待溶液中的氢离子扩散到整个凝胶膜内才能发生完全的变色反应。

图4所示为PCGR—PVA凝胶膜在不同pH缓冲溶液中浸泡3个月之后的数码照片。对缓冲溶液和PCGR—PVA凝胶膜分别进行紫外—可见光谱扫描，结果并没有在缓冲溶液中检出刚果红，凝胶膜的吸光度也没有明显变化，表明PCGR—PVA凝胶膜具有良好的存储稳定性。

图3 PCGR—PVA凝胶膜在不同pH缓冲溶液中的响应过程Fig 3 Response process of PCGR—PVA gel membrane in different pH buffer solutions

图4 PCGR—PVA凝胶膜在不同pH缓冲溶液中存储3个月后的数码照片Fig 4 Digital images of PCGR—PVA gel membranes stored for 3 months in different pH buffer solutions

3 结论

凝胶基化学和生物传感器是近年来传感器领域的研究热点，而传感载体凝胶材料的结构与性能是影响传感器传感性能的重要因素。本文用冷冻—解冻法制备了高透明聚乙烯醇物理凝胶，并对指示剂刚果红进行了固定，然后，利用紫外—可见光谱法对比研究了PCGR—PVA和CCGR—PVA凝胶膜的pH敏感特性。结果发现:PCGR—PVA和CCGR—PVA凝胶膜在pH 0.29～4.33范围内对pH均呈较好的线性响应，但PCGR—PVA凝胶膜对pH响应的灵敏度远优于CCGR—PVA凝胶膜。PCGR—PVA凝胶膜的响应时间在弱酸中小于10 s，在强酸中小于200 s。说明PCGR—PVA凝胶是优异的pH传感材料。

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