PVDF膜在堿性DMSO中的變色反應

黎勇坤，邵立東，云 宇，段為鋼*

(1.云南中醫藥大學 云南省中醫藥學分子生物學重點實驗室，云南 昆明 650500；2.昆明醫科大學基礎醫學院藥理學系，云南 昆明 650500)

PVDF(polyvinylidene fluoride)是偏二氟乙烯的聚合物，其結構式如圖1所示。

圖1 偏二氟乙烯和PVDF的結構式

PVDF膜是蛋白質印跡法中常用的一種固相支持物，具有很多優良性能[1-2]：機械強度較高、對蛋白質具有很強的吸附能力、不易燃易爆等，不僅可替代硝酸纖維素膜[3-4]應用于分子生物學領域，在其它領域也有廣泛應用[5-6]，因此，關于PVDF膜的研究備受關注，如PVDF膜的改性[7]以及替代研究[8]等。PVDF膜是一種耐腐蝕材料，但也有報道[9]表明強堿對PVDF膜有損傷。PVDF膜呈白色或灰白色，作者所在課題組在分子生物學實驗(蛋白質印跡)中意外發現其在堿性(含NaOH)二甲基亞砜(DMSO)中能夠快速變色，但罕見堿性有機溶劑導致PVDF膜變色的報道。鑒于此，作者將PVDF膜用不同堿性溶液浸泡后置于DMSO或其它有機溶劑中，觀察膜片的顏色變化和反應體系的pH值變化，然后將置于堿性DMSO中得到的棕黑色物質用水溶解，制成KBr壓片后掃描其紅外光譜，對變色反應進行研究，并探討反應機理，為拓展PVDF膜的應用領域提供幫助。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

PVDF膜(免疫印跡用)，MilliPore公司；聚四氟乙烯粉(1.2 μm)，麥克林公司。

甲醇，分析純，天津盛奧化學試劑有限公司；DMSO(>99%)，Biotopped公司；NaOH，分析純，北京鼎國生物技術有限公司；Tris溶液，BioFroxx公司；甘油、冰醋酸，分子生物純，生工生物工程(上海)股份有限公司；濃硫酸、氯仿，分析純，云南楊林開發區汕滇藥業有限公司；Na2CO3、乙酸乙酯、無水乙醇，分析純，天津風船化學試劑科技有限公司；異丙醇，分析純，西隴科技股份有限責任公司；溴化鉀，光學純，天津光復精細化工研究所。

MOV-112S型烘箱，日本SANYO；GQ70E型紅外線快速干燥器，上海吳淞五金廠；SSPA-10A型KBr壓片機，日本島津；IRPrestige-21型傅立葉變換紅外光譜儀，島津集團(香港)有限公司。

1.2 PVDF膜在堿性有機溶劑中的顏色變化

剪取一小片PVDF膜，用甲醇濕潤后浸泡于不同堿性溶液中，數秒后取出，瀝干；然后置于1 mL不同有機溶劑中，觀察PVDF膜的顏色變化。

1.3 PVDF膜在堿性DMSO中的酸堿性

剪取兩小片面積約為0.3 cm2的PVDF膜，用甲醇濕潤后浸泡于0.2 mol·L-1NaOH溶液中，數秒后取出，瀝干；然后將一片PVDF膜置于1 mL DMSO中，另一片PVDF膜置于1 mL蒸餾水中，過夜后加入蒸餾水稀釋至10 mL，用廣泛pH試紙檢測反應體系的酸堿性。

1.4 PVDF膜與堿性DMSO反應物的紅外光譜

將PVDF膜在堿性DMSO中反應得到的棕黑色液體于10 000×g離心5 min，去上清，得少量黑色沉淀；將黑色沉淀用0.5 mL蒸餾水溶解后(仍為棕黑色)，分次加入到100 mg KBr中，烤干過夜，以0.5 mL蒸餾水替代黑色沉淀分次加入到100 mg KBr中作為對照；然后置于瑪瑙研缽中充分研磨混勻，用壓片機壓片(80 kN，10 min)；以對照壓片為背景，將含棕黑色沉淀的KBr壓片用傅立葉變換紅外光譜儀進行掃描，累積掃描12次，光譜數據采集范圍500～4 000 cm-1。

2 結果與討論

2.1 PVDF膜在堿性DMSO中的顏色變化

將PVDF膜用甲醇濕潤后，分別采用不同方式(直接置于DMSO中、先浸泡于2.5 mol·L-1NaOH溶液中數秒再瀝干置于DMSO中、直接置于含NaOH顆粒的DMSO中、先浸泡于1.0 mol·L-1Na2CO3溶液中數秒再瀝干置于DMSO中、先浸泡于2.0 mol·L-1Tris溶液中數秒再瀝干置于DMSO中)置于堿性DMSO中，觀察膜片的顏色變化，結果如圖2所示。

由圖2可以看出，將PVDF膜用甲醇濕潤后，直接置于DMSO中不變色(圖2a)；先浸泡于2.5 mol·L-1NaOH溶液中數秒再瀝干置于DMSO中，膜片顏色在10 s內由灰白色快速變成棕黑色，變色反應從膜片邊緣開始，很快擴散到整個膜片(圖2b)；直接置于含NaOH顆粒的DMSO中，膜片開始變色較慢，但隨著浸泡時間的延長，變色迅速，甚至碎裂脫落，溶劑被染色(圖2c)；先浸泡于1.0 mol·L-1Na2CO3溶液中數秒再瀝干置于DMSO中不變色(圖2d)；先浸泡于2.0 mol·L-1Tris溶液中數秒再瀝干置于DMSO中也不變色(圖2e)。

實驗還發現，PVDF膜用2.5 mol·L-1NaOH溶液浸泡風干后再置于DMSO中也會發生快速變色反應；如果用2.5 mol·L-1NaOH溶液浸泡后再用自來水短暫洗滌，再置于DMSO中也會變色；堿處理的PVDF膜如果洗滌非常充分后，再置于DMSO中則不變色；堿處理的PVDF膜如果再用鹽酸或醋酸處理后，再置于DMSO中也不會變色；PVDF膜變色反應也可發生在N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，效果與DMSO相似。PVDF膜用2.5 mol·L-1NaOH溶液浸泡后再置于50%DMSO中，變色反應也可進行，但明顯減慢減弱；如果用0.2 mol·L-1NaOH溶液浸泡后再置于DMSO中也會變色，但變色反應也會減慢減弱。

2.2 PVDF膜在脫水劑中的顏色變化

分別采用不同方式(直接置于1 mL濃硫酸中、先浸泡在2.5 mol·L-1NaOH溶液中數秒再瀝干置于1 mL濃硫酸中、先浸泡于2.5 mol·L-1NaOH溶液中數秒再瀝干置于1 mL甘油中)將PVDF膜置于脫水劑(濃硫酸或甘油)中，觀察膜片的顏色變化，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，采用3種方式將PVDF膜置于脫水劑中，膜片均不變色。

a.直接置于1 mL濃硫酸中 b.先浸泡于2.5 mol·L-1 NaOH溶液中數秒再瀝干置于1 mL濃硫酸中 c.先浸泡于2.5 mol·L-1NaOH溶液中數秒再瀝干置于1 mL甘油中

2.3 PVDF膜在其它堿性有機溶劑中的顏色變化

將PVDF膜用2.5 mol·L-1NaOH溶液浸泡后，分別置于無水乙醇、甲醇、異丙醇、乙酸乙酯、氯仿中，24 h后觀察膜片的顏色變化，結果如圖4所示。

a.無水乙醇 b.甲醇 c.異丙醇 d.乙酸乙酯 e.氯仿

由圖4可以看出，將PVDF膜用2.5 mol·L-1NaOH溶液浸泡后，置于無水乙醇、甲醇、異丙醇和乙酸乙酯中24 h后均會發生不同程度的顏色變化(棕黑-棕黃色)，置于氯仿中無顏色變化；在不同有機溶劑中的顏色自深到淺大體是無水乙醇>甲醇>異丙醇>乙酸乙酯。

2.4 PVDF膜在堿性DMSO中的pH值變化(圖5)

a.蒸餾水 b.DMSO

由圖5可以看出，將PVDF膜用0.2 mol·L-1NaOH溶液浸泡后置于蒸餾水中，膜片不變色，反應體系稀釋到10 mL時仍為強堿性(圖5a)；將PVDF膜用0.2 mol·L-1NaOH溶液浸泡后置于DMSO中，膜片變成棕黑色，反應體系稀釋到10 mL時pH試紙的顏色變為黃色，提示反應體系已接近中性或為弱酸性(圖5b)。

2.5 PVDF膜在堿性DMSO中生成的棕黑色物質的紅外光譜

PVDF膜在堿性DMSO中生成的棕黑色物質可溶于水，KBr壓片后測試其紅外光譜(圖6)。在1 635.64 cm-1處可見明顯的吸收峰，符合共軛二烯的紅外吸收特征；1 436.97 cm-1處的吸收峰符合雙鍵碳氟鍵吸收特征；1 022.27 cm-1處的吸收峰符合飽和碳氟鍵吸收特征。

圖6 PVDF膜在堿性DMSO中生成的棕黑色物質的紅外光譜

2.6 PVDF膜在堿性DMSO中的變色反應機理

本研究支持PVDF膜并不是高惰性的物質[9]，在強堿條件下具有不穩定性。有報道[10]稱某些有機溶劑如DMF能損傷PVDF膜，甚至能生成共軛二烯而變色。變色意味著PVDF膜的物質基礎發生了改變，繼而會影響其理化性質。PVDF膜是疏水膜，需要用甲醇濕潤后才能和水性液體充分接觸。變色后，其親水性有所提高，機械強度減弱甚至發生碎裂。

PVDF聚合單元的2個氟集中在1個碳上(圖1)，對所連接的碳原子會產生較大的吸電子效應，具有典型的鹵代烷性質。從反應效果看，應該是形成了較大的共軛體系才導致PVDF膜顏色變深。本研究中，PVDF膜的堿處理和DMSO作用既可以分步完成，又可以一步完成。由于有報道[7]稱微波強化強堿處理可以使PVDF膜脫氟，因此猜測PVDF可能先發生堿水解(即氟被羥基取代)，然后再在DMSO中脫水形成長鏈共軛體系而變色。濃硫酸是公認的強脫水劑，甘油也具有一定的脫水作用，堿處理的PVDF膜置于濃硫酸或甘油中并未變色，故可以排除PVDF“水解-脫水”作用，更可能是發生了直接的脫鹵(氟)化氫作用。

本研究發現，只有強無機堿處理才能導致PVDF膜在DMSO或其它有機溶劑中變色，這符合氟代烷脫氟化氫的特點。根據堿處理PVDF膜在不同溶劑中的變色反應強烈程度，說明該變色反應的溶劑效應強烈，非質子極性溶劑有利于該變色反應的發生，這也符合鹵代烷脫鹵化氫的反應特點。由于鹵化氫為酸性，所以反應后溶劑中的堿性會減弱。

長鏈共軛烯(聚乙炔)具有較深的顏色[11]。紅外光譜數據支持變色產物存在共軛二烯結構(聚一氟乙炔)、雙鍵碳氟鍵和飽和碳氟鍵結構，因而提示該反應產物是一個混合物。如果變色程度深，則產物中的共軛二烯和雙鍵碳氟鍵信號就比較強；如果變色程度較淺，飽和碳氟鍵的信號就會增強。理論上，含有鹵素的共軛二烯可以進一步脫鹵化氫生成共軛二炔，但本研究未觀察到共軛二炔結構信號。如果聚一氟乙炔要進一步脫氟化氫，可能還需要更強烈的反應條件。

因此，PVDF膜在堿性DMSO中的變色反應機理可用圖7表示。即，PVDF在強堿作用下生成中間體(具有可逆性)，該中間體于非質子極性溶劑中可以發生脫氟化氫而生成聚一氟乙炔。

圖7 PVDF膜在堿性DMSO中可能的變色反應機理

需要說明的是，與文獻[10]報道的機理(認為是有機胺腐蝕PVDF膜)不同，本研究報道的變色反應屬于鹵代烷E2反應，中間產物(堿處理的PVDF膜)是可逆且相對穩定的。

3 結論

PVDF膜具有堿不穩定性，用NaOH溶液浸泡后置于非質子極性溶劑DMSO中，膜片很快變為棕黑色，反應體系由強堿性變為近中性或弱酸性。可能的變色反應機理為：PVDF在強堿作用下生成中間體(具有可逆性)，該中間體于非質子極性溶劑中可以發生脫氟化氫而生成聚一氟乙炔，聚一氟乙炔具有共軛二烯、雙鍵碳氟鍵和飽和碳氟鍵結構。