離子液體纖維素水凝膠的制備及應(yīng)用

離子液體纖維素水凝膠的制備及應(yīng)用

維生素是自然界最豐富的可再生資源。它可以生物降解，沒(méi)有毒，可以廣泛使用。隨著石油天然氣資源的匱乏，作為一種綠色材料，纖維受到越來(lái)越多的關(guān)注。除了天然纖維和衍生物，溶劑轉(zhuǎn)化之外，也是纖維應(yīng)用的一個(gè)重要方面。通過(guò)溶解纖維，你可以制作薄膜、纖維或凝膠。然而，由于其自身的聚態(tài)化結(jié)構(gòu)，很難將其與一般溶劑結(jié)合，因此很難直接使用。銅氨酸、羧甲基丁基溶膠（nmmo）、氯仿環(huán)己二醇基酯（licl-dynamc）等溶液可以有效地溶解纖維。然而，這些溶劑存在著不穩(wěn)定、有毒、回收困難、高價(jià)格等缺點(diǎn)。因此，該領(lǐng)域的低成本、高環(huán)境的纖維溶膠系統(tǒng)是該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。近年來(lái),張俐娜等發(fā)現(xiàn)氫氧化鈉/尿素體系、氫氧化鈉/硫脲體系能在低溫下溶解纖維素,并得到性能良好的纖維素絲;閆立峰等發(fā)現(xiàn)PEG/NaOH體系也能很好的溶解纖維素.它們都是綠色制備纖維素很有前途的溶劑.室溫離子液體是一種室溫下的熔融鹽,具有無(wú)毒、無(wú)蒸汽壓、可重復(fù)使用等顯著優(yōu)點(diǎn),是一類(lèi)極具應(yīng)用前景的環(huán)境友好型溶劑[10~12].2002年Swatloski等發(fā)現(xiàn)有些離子液體是天然纖維素的有效溶劑,開(kāi)辟了應(yīng)用纖維素的新領(lǐng)域.此后張軍等合成了一種新型離子液體——1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽(1-allyl-3-methylimidazoliumchloride,AMIMCl),并發(fā)現(xiàn)這種離子液體能更好的溶解纖維素.一般在纖維素/離子液體溶液中加入水或者乙醇、異丙醇等有機(jī)溶劑能使纖維素沉淀出來(lái),從而獲得再生纖維素.再生纖維素在制膜、紡絲、生成無(wú)紡布等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景.凝膠是高分子鏈間以化學(xué)鍵或物理作用力形成的具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的溶脹體,有復(fù)雜的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).凝膠對(duì)外界條件的刺激能產(chǎn)生相應(yīng)的體積相變,有良好的生物相容性.在工業(yè)、生物化學(xué)、醫(yī)藥等領(lǐng)域有許多用途[17~20],特別是在生物技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于凝膠電泳實(shí)驗(yàn).凝膠電泳是分離和提純蛋白質(zhì)的一項(xiàng)重要技術(shù).聚丙烯酰胺水凝膠是常用的電泳支持物[22~24],具有分辨率高、樣品在其中不易擴(kuò)散、幾乎無(wú)電滲作用等優(yōu)點(diǎn).但是聚丙烯酰胺的單體丙烯酰胺是強(qiáng)致癌物質(zhì),期望有一種無(wú)毒材料能代替聚丙烯酰胺用于凝膠電泳.本文用室溫離子液體AMIMCl溶解纖維素制備了纖維素水凝膠,測(cè)試了得到的纖維素水凝膠的各項(xiàng)基本性能.結(jié)果表明制得的纖維素水凝膠透明度高,機(jī)械性能良好,內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻,具有作為凝膠電泳支持物的潛力.此外我們還探討了纖維素水凝膠的形成機(jī)理.1實(shí)驗(yàn)部分1.1試劑及儀器定量濾紙纖維素(杭州富陽(yáng)特種紙廠(chǎng),分子量約10×104),纖維素粉末(Sigma公司,分子量約28000),去離子水(自制),烯丙基氯(分析純,上海五聯(lián)化工試劑廠(chǎng)),N-甲基咪唑,乙醚,乙二醇,甲醇,乙醇,正丙醇,正丁醇,異丁醇,仲丁醇,叔丁醇,二甲基亞砜,N,N-二甲基甲酰胺,吡啶,丙酮,甲苯,溴酚藍(lán),二甲苯青,甘油,氨基黑,溶菌酶,牛血清白蛋白,雞蛋清蛋白(來(lái)自普通雞蛋),十二烷基硫酸鈉(SDS)緩沖液,漂洗液,巴比妥鈉緩沖液(pH8.6,離子強(qiáng)度0.06),12.5%聚丙烯酰胺凝膠(自制).未注明的試劑均購(gòu)自成都科龍化工試劑廠(chǎng).1.2離子液體合成實(shí)驗(yàn)所用離子液體為AMIMCl(分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)示意圖1),按照文獻(xiàn)所述的方法合成.1.3黏稠凝膠的制備取一定量的纖維素溶于離子液體(纖維素含量在1wt%~3wt%之間),攪拌下加熱至70℃,2h后得到透明的黏稠溶液.將溶液倒入模具冷卻至室溫后,將模具放入蒸餾水槽中,每12h更換水槽中的水,更換2次,直到形成無(wú)色透明狀凝膠.1.4透光率、力學(xué)性能與材料采用美國(guó)Nicolet公司的Magna-IR560紅外光譜儀對(duì)再生前后纖維素的紅外譜圖進(jìn)行表征.采用意大利CarloErba公司的1106型元素分析儀定量測(cè)定風(fēng)干后水凝膠的含氮量.采用美國(guó)PerkinElmer公司的Lambda35紫外-可見(jiàn)光譜儀對(duì)凝膠的透光率進(jìn)行測(cè)試.采用美國(guó)Instron公司的4302型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試水凝膠的力學(xué)性能.測(cè)試條件:壓縮模式,橫梁移動(dòng)速度5mm/min,最大位移6mm,傳感器為500N,水凝膠尺寸10mm×10mm×10mm.采用日本Hitachi公司的掃描電子顯微鏡(S-4800UHRFE-SEM)表征冷凍干燥后的纖維素水凝膠的表面形貌.1.5關(guān)于光纖水凝膠的形成機(jī)制的試驗(yàn)將纖維素/離子液體溶液與各種不同的溶劑混合,觀(guān)察現(xiàn)象,進(jìn)行分析.1.6用纖維蛋白水凝膠進(jìn)行了凝膠電泳試驗(yàn)1.6.1凝膠的電泳觀(guān)察用微量注射器將大約10μL的0.25%溴酚藍(lán)、0.25%二甲苯青與30%甘油的混合水溶液加入到纖維素凝膠表面的點(diǎn)樣孔中,然后將凝膠放入水平電泳儀的電泳槽中.之后開(kāi)始通電,將電壓調(diào)至150V,逐漸可以看到2條不同顏色的條帶.25min后,觀(guān)察到2條完全分開(kāi)的條帶,停止電泳,對(duì)出現(xiàn)的條帶拍照.1.6.2電源電壓的調(diào)靜電泳或稱(chēng)溶膠質(zhì)凝膠用微量進(jìn)樣器取5μL的蛋白質(zhì)樣品(新鮮雞蛋清,用巴比妥鈉緩沖液約稀釋3倍),用振蕩器混合均勻,加入到纖維素水凝膠上的點(diǎn)樣孔中.立即接通電源,將電源電壓調(diào)至100V,電泳時(shí)間為70min.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用氨基黑染色蛋白質(zhì),并用漂洗液浸泡去除凝膠的背景色,最后對(duì)凝膠上出現(xiàn)的蛋白質(zhì)條帶進(jìn)行拍照.1.6.3蛋白質(zhì)凝膠的制備用微量進(jìn)樣器取5μL的蛋白質(zhì)溶液樣品(2mg牛血清白蛋白+6mg溶菌酶,溶于1mLSDS緩沖液中,混合均勻)加到纖維素凝膠上的點(diǎn)樣孔中.樣品加入后,迅速接通電泳槽的電源,將電泳電壓設(shè)定為200V,電泳時(shí)間為13min.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用氨基黑來(lái)染色蛋白質(zhì),并用漂洗液浸泡去除凝膠的背景色,最后對(duì)凝膠上出現(xiàn)的蛋白質(zhì)條帶進(jìn)行拍照.為了與聚丙烯酰胺凝膠比較,同時(shí)用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳分離溶菌酶和牛血清白蛋白.2結(jié)果與討論2.1溶液中纖維素離子液體的混溶情況對(duì)風(fēng)干后的纖維素凝膠進(jìn)行元素分析,沒(méi)有檢出N元素.由于體系中只有離子液體含有N元素,說(shuō)明離子液體在纖維素凝膠中的殘留量可以忽略不計(jì).同時(shí)測(cè)得了離子液體再生前后纖維素的紅外光譜圖,如圖1所示.可以看出再生前后纖維素的紅外譜圖各峰位基本一樣,且沒(méi)有新的峰出現(xiàn),說(shuō)明纖維素在離子液體中的溶解是直接溶解,未發(fā)生衍生化反應(yīng).纖維素在NMMO-水溶液體系中的沉淀機(jī)理已經(jīng)有一些研究,這些研究主要從動(dòng)力學(xué)角度研究凝固浴種類(lèi)、溫度、時(shí)間等對(duì)再生纖維素的影響.對(duì)纖維素在離子液體中的沉淀機(jī)理,相關(guān)研究還很少.這里我們從外界溶劑對(duì)纖維素凝膠形成影響的角度來(lái)探討離子液體再生纖維素水凝膠的形成機(jī)理.表1中列出了包括水在內(nèi)的一些常見(jiàn)溶劑,標(biāo)出了它們的溶解度參數(shù)和極性值Z,同時(shí)給出了實(shí)驗(yàn)中離子液體與這些溶劑的混溶情況和纖維素離子液體溶液與溶劑混合后的現(xiàn)象.由表1可以看出溶劑的溶解度參數(shù)和極性值對(duì)溶劑與離子液體是否混溶有很大影響,溶解度參數(shù)大于11、極性值大于68的溶劑均能與離子液體混溶.纖維素離子液體溶液在溶劑中的情況比較復(fù)雜,出現(xiàn)了3種現(xiàn)象:(1)形成凝膠;(2)不形成凝膠也不沉淀,纖維素離子液體溶液與溶劑混溶;(3)不形成凝膠也不沉淀,纖維素離子液體溶液與溶劑不混溶.對(duì)應(yīng)離子液體與溶劑的混溶情況來(lái)看,現(xiàn)象(3)很好理解,因?yàn)槔w維素凝膠的形成是通過(guò)溶劑交換形成的,離子液體不與溶劑混溶,則不能進(jìn)行溶劑交換,因此也就不能形成凝膠.現(xiàn)象(1)形成纖維素凝膠,現(xiàn)象(2)沒(méi)有形成纖維素水凝膠.仔細(xì)分析現(xiàn)象(1)和現(xiàn)象(2)所用的溶劑,它們都能和離子液體混溶.但(1)中的溶劑水、甲醇、乙二醇等都含有極性較高的羥基,不僅能形成溶劑和纖維素分子間氫鍵,且溶劑分子間也能形成氫鍵.而(2)中的溶劑N,N二甲基甲酰胺和二甲亞砜中均沒(méi)有活潑氫原子,與同種分子不能形成分子間氫鍵.又凝膠本身是一種復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由此我們推測(cè)要形成纖維素凝膠,不僅需要溶劑能與離子液體混溶,且需要溶劑分子中有活潑氫,能在溶劑、纖維素體系中通過(guò)氫鍵構(gòu)筑出三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).既然氫鍵對(duì)形成纖維素凝膠有重要意義,那么關(guān)于溶劑分子形成氫鍵的難易程度是否對(duì)纖維素水凝膠的形成有影響這一問(wèn)題,我們選擇了正丁醇、仲丁醇、叔丁醇來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證.由于取代基的誘導(dǎo)效應(yīng)和空間位阻的影響,它們的羥基的酸性不同,這使得它們形成氫鍵的能力和強(qiáng)度也不同,其順序?yàn)檎〈?gt;仲丁醇>叔丁醇.表2給出了這3種醇的pKa值、離子液體與溶劑的混溶情況和纖維素離子液體溶液在溶劑中的現(xiàn)象.由表2可知,3種丁醇產(chǎn)生了3種不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.在酸性最強(qiáng)的正丁醇中,纖維素可以形成大塊透明的凝膠;在酸性居中的仲丁醇中,雖然也形成凝膠,但是凝膠呈顆粒狀;而在酸性最弱的叔丁醇中,纖維素只能形成白色絮狀沉淀.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,為形成纖維素凝膠,外界溶劑需要足夠的形成氫鍵的能力.外界溶劑的酸性(pKa)存在一個(gè)臨界值,其值可能介于17.1和17.6之間.當(dāng)pKa小于該臨界值時(shí),可形成纖維素凝膠.文獻(xiàn)報(bào)道負(fù)離子為Cl-離子液體能很好的溶解纖維素,而負(fù)離子為BF4-或PF6-的離子液體則不能,這可以解釋為Cl-離子能與纖維素分子鏈上的羥基形成氫鍵,使纖維素鏈間和鏈內(nèi)的氫鍵作用減弱.往纖維素/離子液溶液中加入能與離子液體混溶的溶劑,由于溶劑的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離子液體的量,所以基本可以將離子液體從纖維素溶液中置換出來(lái).當(dāng)溶劑中沒(méi)有活潑氫時(shí),由于無(wú)法在纖維素和溶劑分子中構(gòu)筑三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),此時(shí)纖維素離子液體溶液僅僅與溶劑混溶,而沒(méi)有其他的效應(yīng),相當(dāng)于稀釋了纖維素的溶液.當(dāng)溶劑中含有活潑氫能構(gòu)筑三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí),溶劑—OH和纖維素—OH存在競(jìng)爭(zhēng)性的氫鍵作用:當(dāng)溶劑氫鍵強(qiáng)度不夠時(shí),大量纖維素鏈間和鏈內(nèi)氫鍵重新形成,纖維素在溶液中沉淀下來(lái);當(dāng)溶劑氫鍵有一定強(qiáng)度時(shí),纖維素鏈間和鏈內(nèi)氫鍵的形成和其與溶劑間氫鍵的形成動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)的情形,通過(guò)溶劑分子間、溶劑和纖維素分子間、纖維素鏈間和鏈內(nèi)氫鍵的相互作用形成復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),即纖維素凝膠.2.2纖維素水凝膠透光性隨波長(zhǎng)的變化纖維素凝膠是一種透明水凝膠,采用紫外-可見(jiàn)光譜儀對(duì)凝膠的透光率進(jìn)行測(cè)試,并與瓊脂糖凝膠對(duì)比.由圖2(a)可以看到,在濃度一定的情況下,纖維素的透光率隨波長(zhǎng)的增加單調(diào)增加.濃度對(duì)纖維素凝膠的透光率影響不大,低濃度時(shí)透光率稍好.相同濃度下,纖維素凝膠的透光率稍高于瓊脂糖凝膠.總的來(lái)說(shuō)纖維素水凝膠有良好的透光性,特別是在長(zhǎng)波區(qū),20mg/mL纖維素凝膠在650nm處的透光率能達(dá)到80%以上.圖2(b)給出了纖維素水凝膠的照片.由于凝膠透明度比較高,我們將其邊緣染色以便觀(guān)察.2.3纖維素水凝膠的力學(xué)—再生纖維素水凝膠的力學(xué)性能力學(xué)性能是檢測(cè)材料可應(yīng)用性的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn).這里將濾紙纖維素溶解于AMIMCl中,分別制備10,15,20和30mg/mL的離子液體再生纖維素水凝膠,每種濃度做3個(gè)樣,依次測(cè)試?yán)w維素水凝膠的壓縮強(qiáng)度.圖3(a)是得到的纖維素水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn).可以看到,在低應(yīng)變區(qū),形變與受力大小基本成正比,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定程度(約15%)后,應(yīng)力—應(yīng)變不再呈線(xiàn)性關(guān)系.隨著纖維素含量的增加,在相同形變下的應(yīng)力也相應(yīng)增大.當(dāng)形變大于50%時(shí),凝膠還沒(méi)有被壓破,說(shuō)明凝膠有較好的韌性.取凝膠應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的直線(xiàn)部分,求出對(duì)應(yīng)的斜率,即為凝膠的抗壓模量.由抗壓模量—濃度曲線(xiàn)(圖3(b))可以看出抗壓模量隨纖維素含量的增加幾乎成比例增加.這樣通過(guò)改變水凝膠中纖維素的含量,就可以方便的調(diào)節(jié)水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度,適應(yīng)不同的應(yīng)用需要.2.4纖維素水凝膠凝膠電泳的表征為觀(guān)察纖維素水凝膠的微觀(guān)結(jié)構(gòu),我們對(duì)冷凍干燥后的纖維素水凝膠的表面進(jìn)行了SEM掃描分析,見(jiàn)圖4.可以看出,凝膠表面呈現(xiàn)致密的多孔結(jié)構(gòu),這些孔洞大小一般在20~60nm之間.纖維素水凝膠中的納米孔洞預(yù)示著其可用做納米分離材料.在對(duì)纖維素水凝膠化學(xué)結(jié)構(gòu)、透光性和力學(xué)性能分析的基礎(chǔ)上,接下來(lái)主要討論纖維素水凝膠在凝膠電泳方面的應(yīng)用.2.5纖維素水凝膠可接枝蛋白的凝膠電泳支持物圖5給出了纖維素水凝膠作為電泳支持物分離溴酚藍(lán)和二甲苯青、雞蛋清蛋白體系、牛血清蛋白和溶菌酶的試驗(yàn)結(jié)果.為方便比較,同時(shí)給出SDS-聚丙烯酰胺實(shí)驗(yàn)分離溶菌酶和牛血清白蛋白的結(jié)果.圖5中(a)是纖維素水凝膠用于凝膠電泳分離溴酚藍(lán)和二甲苯青的照片,(b)是纖維素凝膠電泳分離雞蛋清蛋白質(zhì)體系的條帶圖,(c)和(d)分別是纖維素水凝膠和聚丙烯酰胺凝膠分離溶菌酶和牛血清蛋白體系的條帶.溴酚藍(lán)和二甲苯青所帶電荷量不同,從圖5(a)中可以清楚地看到兩種染料被完全分開(kāi),下面的為溴酚藍(lán)的條帶,上面的則為二甲苯青的條帶,兩條帶都沒(méi)有發(fā)生彎曲或變形現(xiàn)象.這說(shuō)明纖維素凝膠內(nèi)部的“通道”是均勻的,用它作為分離材料是可行的.雞蛋清的主要蛋白質(zhì)成分是卵清蛋白、伴清蛋白、卵類(lèi)黏蛋白、溶菌酶和卵黏蛋白等.從圖5(b)能明顯看到兩條分開(kāi)的條帶,遠(yuǎn)離點(diǎn)樣孔的一端出現(xiàn)了兩條連在一起的寬條帶,還沒(méi)有完全分開(kāi).纖維素水凝膠用于分離雞卵清蛋白體系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不是特別理想,不過(guò)隨著纖維素水凝膠作為電泳支持物的條件不斷優(yōu)化,預(yù)期在不久的將來(lái)能得到更好的結(jié)果.由圖5(c),(d)可以看出纖維素作為電泳支持物也能很好的將兩種蛋白質(zhì)分開(kāi),雖然效果不如聚丙烯酰胺的好,但是用纖維素凝膠作支持物能明顯縮短電泳時(shí)間(實(shí)驗(yàn)中纖維素凝膠的電泳時(shí)間為13min,而聚丙烯酰胺的為50min).上述系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明纖維素凝膠是可接受的凝膠電泳支持物.3纖維素水凝膠本文制備了一種新型的纖維素