基于科教融合的綜合化學實驗設計

劉士榮, 楊兆昆, 陳明清

(江南大學 化學與材料工程學院, 江蘇 無錫 214122)

實驗教學研究

基于科教融合的綜合化學實驗設計

劉士榮, 楊兆昆, 陳明清

(江南大學 化學與材料工程學院, 江蘇 無錫 214122)

將科研成果移植入綜合化學實驗:分子印跡水凝膠光子晶體對L-色氨酸的比色檢測。實驗體現了乳液聚合、自組裝及超分子化學等前沿領域的相互滲透與交叉,實驗結果清晰可比、有趣。通過實驗,有助于學生全面了解科學研究的全過程,提高學生的實驗設計能力、動手能力和分析、解決問題的能力。

科教融合； 綜合化學實驗； 凝膠光子晶體； 比色檢測

綜合化學實驗是近10年來各高校化學實驗課程改革的重點內容。開設于基礎化學實驗課程后的綜合化學實驗課程,實驗內容力求體現出不同化學學科分支的融合和交叉。因此,將教師的科研成果及時地移植到綜合化學實驗中,不僅豐富了實驗內容,而且對學生科學思維能力和創新能力也有重要的促進作用。本文設計了一個綜合化學實驗——分子印跡水凝膠光子晶體對L-色氨酸的比色檢測，該綜合化學實驗很好地體現了內容的前沿性和科學性、手段的多樣性以及結果的有趣性。

1 實驗原理

水凝膠是由三維交聯的親水性聚合物網絡組成,能夠吸收水分發生溶脹但不會溶解。當水凝膠的高分子鏈上被賦予各種類型的活性功能團時,水凝膠就會對某些物理、化學、生物刺激產生響應性,在不同的刺激下引起水凝膠網絡的可逆溶脹—收縮[1]。如在水凝膠結構中引入苯硼酸以后,可以制成對葡萄糖有響應性的水凝膠[2]。

分子印跡技術是構建對特定分子具有特異識別性的分子印跡聚合物的先進技術[3]。在分子印跡技術中,模板分子先與聚合物單體通過物理或化學作用形成多重作用點,這種作用通過聚合過程 “記憶”下來,除掉模板分子后,聚合物中形成與模板分子在尺寸、形狀及功能基排列相匹配的納米空腔,可以選擇性地再與模板分子重新結合,實現對目標分子的特異性識別[4-5]。它與水凝膠相結合,可以制備出對分子有特異性識別響應的“分子印跡水凝膠”。分子印跡水凝膠具有與印跡分子大小、形狀及功能團相匹配的印跡空腔,當分子印跡水凝膠處于印跡分子體系時,隨印跡分子濃度的變化,分子印跡水凝膠發生可逆的溶脹—收縮,即對分子識別過程產生響應。但需要一種特殊裝置才能將水凝膠體積變化予以記錄和變換[6-7]。

光子晶體是由2種或2種以上具有不同介電常數的材料在空間上按照光波波長尺度呈周期性排列形成的一種結構材料[8]。這種周期性結構使得電磁波在其中傳播時受到調制,造成特定波段的電磁波不能在光子晶體的這種周期性勢場中傳播,而形成光子帶。因此光子晶體具有特征的Bragg衍射峰,且Bragg衍射峰波長處在可見光(400～800 nm),即能觀察到光子晶體鮮艷的結構顏色[9]。繽紛多彩的蝴蝶翅膀就是自然界中存在的具有光子晶體結構的物質。實驗室中,單分散性優良的二氧化硅微球、聚苯乙烯微球等可以組裝成結構規整的光子晶體,又稱蛋白石光子晶體或膠體晶體。研究者還在光子晶體縫隙中填充進一種新材料,采用一定手段去除光子晶體模板后,得到具有光子晶體結構的物質——反蛋白石光子晶體[10-11]。

依據上述基本原理,將含有印跡分子、聚合單體等組成的前驅液填充在光子晶體縫隙中,一定條件下聚合以后再除去印跡分子和光子晶體,可以得到反蛋白石結構的分子印跡水凝膠光子晶體。當該分子印跡水凝膠光子晶體對印跡分子響應的同時,引起水凝膠體系溶脹—收縮行為,并導致反蛋白石結構參數變化,Bragg衍射峰波長隨之變化,宏觀上呈現出不同的顏色。因此,將分子印跡水凝膠和光子晶體相結合,可以賦予水凝膠信號自表達的特性。

2 實驗步驟

本實驗制備L-MIPHs膜包括3個連續步驟:

(1) 將預聚合溶液填入“三明治”結構的膠體晶體模板間隙中,紫外光引發聚合；

(2) 在去離子水中浸泡數分鐘即可得到從基底剝離的復合蛋白石膜；

(3) 除去PS膠球及印跡分子制得反蛋白石結構的L-MIPHs膜(見圖1)。

圖1 實驗過程示意

2.1 聚苯乙烯膠體晶體模板的制備

用無皂乳液聚合法制備單分散聚苯乙烯(PS)乳液。在裝有機械攪拌、冷凝管和氮氣導管的三口燒瓶中加入蒸餾水(100 mL)、苯乙烯(St,13.5 mL)和丙烯酸(AA,1 mL),在300 r/min下,水浴加熱至75 ℃,加入25 mL過硫酸銨(APS,0.1028 g)水溶液,保溫反應8 h制得PS膠球(～200 nm)乳液。將其配置成質量分數為的乳液用于PS膠體晶體模板的制備[12]。

用垂直沉積法制備膠體晶體模板。1% PS乳液置于小燒杯中,將處理過的玻璃片垂直插入乳液中,燒杯置于恒溫恒濕箱(溫度:60 ℃,濕度:40 %)至水分完全揮發得到PS膠體晶體模板。玻璃片(76.2×24.5×1 mm3)依次置于丙酮、乙醇、超純水中,超聲清洗,用氮氣吹干備用。

2.2 L-Trp分子印跡水凝膠光子晶體(L-MIPHs)的制備

預聚合溶液:L-色氨酸(L-Trp,0.3 mmol),丙烯酰胺(AM,20 mmol)和N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺(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:用石英玻璃片蓋在有膠體晶體模板的玻璃片上,將二者固定得到“三明治”結構,然后垂直插入預聚合溶液的燒杯中,預聚合溶液借助毛細作用力進入膠體晶體模板的縫隙中,待膠體晶體模板變為透明后再將其置于紫外燈下照射2 h,得到L-Trp分子印跡水凝膠光子晶體復合蛋白石膜。

模板和印跡分子去除:將復合蛋白石膜浸于去離子水12 h以上,直到復合蛋白石膜從玻璃片上自動脫落,再將其置于二甲苯中24 h,得到去除模板的反蛋白石分子印跡光子晶體水凝膠膜。最后將其放入甲醇-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為7.4的磷酸鹽緩沖溶液中浸泡,使其達到平衡狀態進行表征[13]。

采用相同方法制備出非印跡分子水凝膠光子晶體(NIPHs),區別在于預聚合溶液中不加入印跡分子L-Trp。

2.3 表征和L-色氨酸的比色檢測

表征:用場發射掃描電子顯微鏡觀察PS膠體晶體模板和L-MIPHs膜的表面形貌；用光纖光譜儀或紫外—可見分光光度儀測試L-MIPHs膜反射光譜(Bragg衍射峰)；用數碼相機拍攝L-MIPHs膜的光學照片。

比色檢測:將L-MIPHs膜置于不同濃度的L-Trp緩沖溶液(pH=7.3)中,平衡30 s以后記錄其Bragg衍射峰,同時用數碼相機拍攝L-MIPHs膜的宏觀顏色變化。

3 實驗結果討論

3.1 聚苯乙烯膠體晶體模板的形貌與結構

圖2是PS膠體晶體模板表面和截面的SEM照片。可以明顯看出PS膠球呈六邊形有序排列且相互間留有一定的空隙,呈現規整的面心立方密堆積(fcc)結構。具有規整結構的膠體晶體模板是構建分子印跡水凝膠光子晶體的前提條件。通過改變無皂乳液聚合的組成配比、溫度、時間和攪拌速度,可以制備不同粒徑的膠體晶體模板。

圖2 PS膠體晶體表面(a)和截面(b)的掃描電鏡圖

3.2 L-MIPHs膜的制備和形貌

圖3分別是L-MIPHs膜的SEM圖和宏觀照片。從圖看出,L-MIPHs膜很好地維持了膠體晶體模板的面心立方密堆積結構,具有相互貫穿且高度有序的三維大孔結構,是膠體晶體模板的反復制。宏觀上得到了可以與基底很好剝離、尺寸較大的L-MIPHs膜,為響應性的研究奠定了良好的基礎。

圖3 L-MIPHs膜的SEM圖和宏觀照片

印跡分子色氨酸與功能單體丙烯酰胺在預聚合溶液中,通過氫鍵相互作用形成穩定的復合物,是形成特異性識別色氨酸印跡空腔的前提[14]。此后,通過光聚合過程將色氨酸固定在水凝膠網絡中,待將其洗脫后即形成特異性識別納米空腔。此外,在“三明治”結構中發生的毛細誘導驅使的前驅液填充有助于得到高度有序的、雙連續結構(相互貫穿的孔結構和相互連續的聚合物凝膠)的反蛋白石凝膠光子晶體。此高度有序的反蛋白石結構可以形成良好的Bragg衍射信號,從而呈現出尖銳的Bragg衍射峰及鮮艷的結構顏色[15]。

3.3 L-Trp的比色檢測

圖4是L-MIPHs膜和非分子印跡的NIPHs膜在不同濃度L-Trp(0 mol/L, 10-10mol/L, 10-9mol/L, 10-8mol/L, 10-7mol/L, 10-6mol/L, 10-5mol/L)緩沖溶液中的Bragg衍射峰以及相應的膜顏色的變化。

圖4 L-Trp比色檢測結果

由圖4可以看出,L-MIPHs膜在不同濃度的L-Trp緩沖溶液中具有尖銳的Bragg衍射峰,且隨L-Trp濃度增大,Bragg衍射峰位置發生紅移,最大紅移量達到83 nm。而NIPHs浸泡在相應濃度的L-Trp緩沖溶液中時,Bragg衍射峰的位置僅發生微小的變化。與此同時,L-MIPHs膜在不同濃度的L-Trp緩沖溶液中顏色由藍色過渡到藍綠最后到紅色。當L-Trp被印跡空腔特異性吸附后,固定在水凝膠體系中造成水凝膠體系中L-Trp的濃度高于溶液中L-Trp的濃度,產生了一定的濃度梯度。為消除凝膠體系與其介質間的濃度差而達到穩定狀態,水凝膠會自發的吸收更多的水而發生溶脹,這種溶脹現象帶來了反蛋白石結構參數的變化,隨之引起Bragg衍射峰紅移。

4 實驗安排與效果

本實驗涉及到學科前沿,根據需要可安排20～35學時,在較多學時量情況下,建議在以下幾個方面進行延伸:

(1) 聚苯乙烯膠體晶體模板制備條件的優化。聚苯乙烯微球必須具有良好的單分散性和一定的粒徑,才能保證組裝得到結構規整的膠體晶體模板,繼而保證后續實驗效果。

(2) 前驅液組成配比對比色檢測的優化。印跡位點數目越多則分子印跡效應越明顯,造成水凝膠溶脹程度越大,進而引起的Bragg衍射峰位移量就越大,顏色變化就越明顯。前驅液中功能單體和印跡分子濃度等對印跡位點產生影響,因此前驅液組成配比對比色檢測的靈敏性和檢測限有明顯影響。

(3) L-Trp比色檢測的選擇性和重復使用性能。理想的選擇性應該是L-MIPHs膜只對色氨酸有比色響應,而對色氨酸的結構類似物沒有或很少有響應性。此外,L-MIPHs膜的重復使用次數,決定著實際應用的可能性。本實驗設計在色氨酸比色檢測的選擇性和重復使用性能方面都達到了較高水平。

5 結語

本實驗適合高分子材料工程、應用化學等專業在基礎化學實驗課程結束以后,作為綜合研究性實驗開設。本實驗設計從原理上,牽涉到高分子合成、超分子化學、材料自組裝等,從手段上,運用了乳液聚合、光聚合、SEM掃描和比色檢測。通過實驗,有助于學生全面了解科學研究的全過程,培養學生的實驗設計能力、實驗動手能力和分析問題解決問題的能力。值得指出的是,由于本實驗結果可以通過裸眼明顯觀察到,一方面大大增加了學生對實驗結果的期待,另一方面,極大地增強了學生對實驗的興趣,對學生熱愛科研、專注科研起到了很好的引領作用。

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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

國家自然科學基金項目(51173072)

劉士榮(1961—),男,江蘇無錫,碩士，副教授,研究方向為聚合物功能材料.

E-mail：liushirong1@aliyun.com

O658

A

1002-4956(2017)1-0168-04