基于科教融合的综合化学实验设计

刘士荣, 杨兆昆, 陈明清

(江南大学 化学与材料工程学院, 江苏 无锡 214122)

实验教学研究

基于科教融合的综合化学实验设计

刘士荣, 杨兆昆, 陈明清

(江南大学 化学与材料工程学院, 江苏 无锡 214122)

将科研成果移植入综合化学实验:分子印迹水凝胶光子晶体对L-色氨酸的比色检测。实验体现了乳液聚合、自组装及超分子化学等前沿领域的相互渗透与交叉,实验结果清晰可比、有趣。通过实验,有助于学生全面了解科学研究的全过程,提高学生的实验设计能力、动手能力和分析、解决问题的能力。

科教融合； 综合化学实验； 凝胶光子晶体； 比色检测

综合化学实验是近10年来各高校化学实验课程改革的重点内容。开设于基础化学实验课程后的综合化学实验课程,实验内容力求体现出不同化学学科分支的融合和交叉。因此,将教师的科研成果及时地移植到综合化学实验中,不仅丰富了实验内容,而且对学生科学思维能力和创新能力也有重要的促进作用。本文设计了一个综合化学实验——分子印迹水凝胶光子晶体对L-色氨酸的比色检测，该综合化学实验很好地体现了内容的前沿性和科学性、手段的多样性以及结果的有趣性。

1 实验原理

水凝胶是由三维交联的亲水性聚合物网络组成,能够吸收水分发生溶胀但不会溶解。当水凝胶的高分子链上被赋予各种类型的活性功能团时,水凝胶就会对某些物理、化学、生物刺激产生响应性,在不同的刺激下引起水凝胶网络的可逆溶胀—收缩[1]。如在水凝胶结构中引入苯硼酸以后,可以制成对葡萄糖有响应性的水凝胶[2]。

分子印迹技术是构建对特定分子具有特异识别性的分子印迹聚合物的先进技术[3]。在分子印迹技术中,模板分子先与聚合物单体通过物理或化学作用形成多重作用点,这种作用通过聚合过程 “记忆”下来,除掉模板分子后,聚合物中形成与模板分子在尺寸、形状及功能基排列相匹配的纳米空腔,可以选择性地再与模板分子重新结合,实现对目标分子的特异性识别[4-5]。它与水凝胶相结合,可以制备出对分子有特异性识别响应的“分子印迹水凝胶”。分子印迹水凝胶具有与印迹分子大小、形状及功能团相匹配的印迹空腔,当分子印迹水凝胶处于印迹分子体系时,随印迹分子浓度的变化,分子印迹水凝胶发生可逆的溶胀—收缩,即对分子识别过程产生响应。但需要一种特殊装置才能将水凝胶体积变化予以记录和变换[6-7]。

光子晶体是由2种或2种以上具有不同介电常数的材料在空间上按照光波波长尺度呈周期性排列形成的一种结构材料[8]。这种周期性结构使得电磁波在其中传播时受到调制,造成特定波段的电磁波不能在光子晶体的这种周期性势场中传播,而形成光子带。因此光子晶体具有特征的Bragg衍射峰,且Bragg衍射峰波长处在可见光(400～800 nm),即能观察到光子晶体鲜艳的结构颜色[9]。缤纷多彩的蝴蝶翅膀就是自然界中存在的具有光子晶体结构的物质。实验室中,单分散性优良的二氧化硅微球、聚苯乙烯微球等可以组装成结构规整的光子晶体,又称蛋白石光子晶体或胶体晶体。研究者还在光子晶体缝隙中填充进一种新材料,采用一定手段去除光子晶体模板后,得到具有光子晶体结构的物质——反蛋白石光子晶体[10-11]。

依据上述基本原理,将含有印迹分子、聚合单体等组成的前驱液填充在光子晶体缝隙中,一定条件下聚合以后再除去印迹分子和光子晶体,可以得到反蛋白石结构的分子印迹水凝胶光子晶体。当该分子印迹水凝胶光子晶体对印迹分子响应的同时,引起水凝胶体系溶胀—收缩行为,并导致反蛋白石结构参数变化,Bragg衍射峰波长随之变化,宏观上呈现出不同的颜色。因此,将分子印迹水凝胶和光子晶体相结合,可以赋予水凝胶信号自表达的特性。

2 实验步骤

本实验制备L-MIPHs膜包括3个连续步骤:

(1) 将预聚合溶液填入“三明治”结构的胶体晶体模板间隙中,紫外光引发聚合；

(2) 在去离子水中浸泡数分钟即可得到从基底剥离的复合蛋白石膜；

(3) 除去PS胶球及印迹分子制得反蛋白石结构的L-MIPHs膜(见图1)。

图1 实验过程示意

2.1 聚苯乙烯胶体晶体模板的制备

用无皂乳液聚合法制备单分散聚苯乙烯(PS)乳液。在装有机械搅拌、冷凝管和氮气导管的三口烧瓶中加入蒸馏水(100 mL)、苯乙烯(St,13.5 mL)和丙烯酸(AA,1 mL),在300 r/min下,水浴加热至75 ℃,加入25 mL过硫酸铵(APS,0.1028 g)水溶液,保温反应8 h制得PS胶球(～200 nm)乳液。将其配置成质量分数为的乳液用于PS胶体晶体模板的制备[12]。

用垂直沉积法制备胶体晶体模板。1% PS乳液置于小烧杯中,将处理过的玻璃片垂直插入乳液中,烧杯置于恒温恒湿箱(温度:60 ℃,湿度:40 %)至水分完全挥发得到PS胶体晶体模板。玻璃片(76.2×24.5×1 mm3)依次置于丙酮、乙醇、超纯水中,超声清洗,用氮气吹干备用。

2.2 L-Trp分子印迹水凝胶光子晶体(L-MIPHs)的制备

预聚合溶液:L-色氨酸(L-Trp,0.3 mmol),丙烯酰胺(AM,20 mmol)和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS,1.2 mmol)在5 mL水中充分混合,然后加入50 μL2,2’-二乙氧基苯乙酮(DEAP)。

填充和聚合:用石英玻璃片盖在有胶体晶体模板的玻璃片上,将二者固定得到“三明治”结构,然后垂直插入预聚合溶液的烧杯中,预聚合溶液借助毛细作用力进入胶体晶体模板的缝隙中,待胶体晶体模板变为透明后再将其置于紫外灯下照射2 h,得到L-Trp分子印迹水凝胶光子晶体复合蛋白石膜。

模板和印迹分子去除:将复合蛋白石膜浸于去离子水12 h以上,直到复合蛋白石膜从玻璃片上自动脱落,再将其置于二甲苯中24 h,得到去除模板的反蛋白石分子印迹光子晶体水凝胶膜。最后将其放入甲醇-乙酸(9:1,V/V)溶液中2 h,以除去L-Trp分子,得到L-MIPHs膜。L-MIPHs膜浸在pH为7.4的磷酸盐缓冲溶液中浸泡,使其达到平衡状态进行表征[13]。

采用相同方法制备出非印迹分子水凝胶光子晶体(NIPHs),区别在于预聚合溶液中不加入印迹分子L-Trp。

2.3 表征和L-色氨酸的比色检测

表征:用场发射扫描电子显微镜观察PS胶体晶体模板和L-MIPHs膜的表面形貌；用光纤光谱仪或紫外—可见分光光度仪测试L-MIPHs膜反射光谱(Bragg衍射峰)；用数码相机拍摄L-MIPHs膜的光学照片。

比色检测:将L-MIPHs膜置于不同浓度的L-Trp缓冲溶液(pH=7.3)中,平衡30 s以后记录其Bragg衍射峰,同时用数码相机拍摄L-MIPHs膜的宏观颜色变化。

3 实验结果讨论

3.1 聚苯乙烯胶体晶体模板的形貌与结构

图2是PS胶体晶体模板表面和截面的SEM照片。可以明显看出PS胶球呈六边形有序排列且相互间留有一定的空隙,呈现规整的面心立方密堆积(fcc)结构。具有规整结构的胶体晶体模板是构建分子印迹水凝胶光子晶体的前提条件。通过改变无皂乳液聚合的组成配比、温度、时间和搅拌速度,可以制备不同粒径的胶体晶体模板。

图2 PS胶体晶体表面(a)和截面(b)的扫描电镜图

3.2 L-MIPHs膜的制备和形貌

图3分别是L-MIPHs膜的SEM图和宏观照片。从图看出,L-MIPHs膜很好地维持了胶体晶体模板的面心立方密堆积结构,具有相互贯穿且高度有序的三维大孔结构,是胶体晶体模板的反复制。宏观上得到了可以与基底很好剥离、尺寸较大的L-MIPHs膜,为响应性的研究奠定了良好的基础。

图3 L-MIPHs膜的SEM图和宏观照片

印迹分子色氨酸与功能单体丙烯酰胺在预聚合溶液中,通过氢键相互作用形成稳定的复合物,是形成特异性识别色氨酸印迹空腔的前提[14]。此后,通过光聚合过程将色氨酸固定在水凝胶网络中,待将其洗脱后即形成特异性识别纳米空腔。此外,在“三明治”结构中发生的毛细诱导驱使的前驱液填充有助于得到高度有序的、双连续结构(相互贯穿的孔结构和相互连续的聚合物凝胶)的反蛋白石凝胶光子晶体。此高度有序的反蛋白石结构可以形成良好的Bragg衍射信号,从而呈现出尖锐的Bragg衍射峰及鲜艳的结构颜色[15]。

3.3 L-Trp的比色检测

图4是L-MIPHs膜和非分子印迹的NIPHs膜在不同浓度L-Trp(0 mol/L, 10-10mol/L, 10-9mol/L, 10-8mol/L, 10-7mol/L, 10-6mol/L, 10-5mol/L)缓冲溶液中的Bragg衍射峰以及相应的膜颜色的变化。

图4 L-Trp比色检测结果

由图4可以看出,L-MIPHs膜在不同浓度的L-Trp缓冲溶液中具有尖锐的Bragg衍射峰,且随L-Trp浓度增大,Bragg衍射峰位置发生红移,最大红移量达到83 nm。而NIPHs浸泡在相应浓度的L-Trp缓冲溶液中时,Bragg衍射峰的位置仅发生微小的变化。与此同时,L-MIPHs膜在不同浓度的L-Trp缓冲溶液中颜色由蓝色过渡到蓝绿最后到红色。当L-Trp被印迹空腔特异性吸附后,固定在水凝胶体系中造成水凝胶体系中L-Trp的浓度高于溶液中L-Trp的浓度,产生了一定的浓度梯度。为消除凝胶体系与其介质间的浓度差而达到稳定状态,水凝胶会自发的吸收更多的水而发生溶胀,这种溶胀现象带来了反蛋白石结构参数的变化,随之引起Bragg衍射峰红移。

4 实验安排与效果

本实验涉及到学科前沿,根据需要可安排20～35学时,在较多学时量情况下,建议在以下几个方面进行延伸:

(1) 聚苯乙烯胶体晶体模板制备条件的优化。聚苯乙烯微球必须具有良好的单分散性和一定的粒径,才能保证组装得到结构规整的胶体晶体模板,继而保证后续实验效果。

(2) 前驱液组成配比对比色检测的优化。印迹位点数目越多则分子印迹效应越明显,造成水凝胶溶胀程度越大,进而引起的Bragg衍射峰位移量就越大,颜色变化就越明显。前驱液中功能单体和印迹分子浓度等对印迹位点产生影响,因此前驱液组成配比对比色检测的灵敏性和检测限有明显影响。

(3) L-Trp比色检测的选择性和重复使用性能。理想的选择性应该是L-MIPHs膜只对色氨酸有比色响应,而对色氨酸的结构类似物没有或很少有响应性。此外,L-MIPHs膜的重复使用次数,决定着实际应用的可能性。本实验设计在色氨酸比色检测的选择性和重复使用性能方面都达到了较高水平。

5 结语

本实验适合高分子材料工程、应用化学等专业在基础化学实验课程结束以后,作为综合研究性实验开设。本实验设计从原理上,牵涉到高分子合成、超分子化学、材料自组装等,从手段上,运用了乳液聚合、光聚合、SEM扫描和比色检测。通过实验,有助于学生全面了解科学研究的全过程,培养学生的实验设计能力、实验动手能力和分析问题解决问题的能力。值得指出的是,由于本实验结果可以通过裸眼明显观察到,一方面大大增加了学生对实验结果的期待,另一方面,极大地增强了学生对实验的兴趣,对学生热爱科研、专注科研起到了很好的引领作用。

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Comprehensive chemical experiment design based on integration of scientific reseanch and teaching

Liu Shirong, Yang Zhaokun, Chen Mingqing

(School of Chemical and Material Engineering,Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Combined with research achievement, a comprehensive chemical experiment is reported. The colorimetric detection of L-tryptophan by using molecularly imprinted photonic hydrogels. The experimental results show that the penetration and cross of the front fields such as emulsion polymerization,self-assembly and supramolecular chemistry are reflected, and the experiment results are clear,comparable and interesting. Through the experiment, it is helpful for students to fully understand the whole process of scientific research,to improve students’ experiment design ability,practical ability, and the ability to analyze and solve problems.

integration of scientific research and teaching; comprehensive chemical experiment; colloidal crystal; colorimetric detection

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.039

2016-06-27

国家自然科学基金项目(51173072)

刘士荣(1961—),男,江苏无锡,硕士，副教授,研究方向为聚合物功能材料.

E-mail：liushirong1@aliyun.com

O658

A

1002-4956(2017)1-0168-04