甲壳素水凝胶中交联态分布检测方案(激光拉曼光谱)

超快速拉曼成像技术用于甲壳素水凝胶的表征 赛默飞分子光谱应用工程师苏乐 关键词 超快速拉曼成像二维/三维拉曼成像高分子材料水凝胶甲壳素 引言 拉曼光谱技术是一种基于分子振动的光谱技术。同红外吸收光谱一样，它不仅可以从分子官能团的振动转变得到分子的结构信息，更重要的是利用拉曼光谱可以进行原位测量，其样品制作简单，操作方便。对于高分子物理与化学领域中的许多问题如分子链的构象结构、结晶行为、固化过程、表面增塑机理、多层薄膜的深度层析、应力松变和应变过程、相界面的分子链扩散、聚合物共混体系的相态结构变化和聚合反应等，都可以利用拉曼光谱技术进行有效地研究。这种方法对于分子链的相互作用和分子链扩散运动的监测非常灵敏，且避免了其它方法在测试聚合物分子链动态运动过程时需要重元素做标记而带来的示踪分子影响的问题。 由于拉曼光谱对物质化学环境的变化异常敏感，所以它可用于表征聚合物的不同交联态。本文将介绍采用超快速拉曼成像技术表征甲壳素水凝胶中物理交联和化学交联的空间分布。甲壳素水凝胶的研究通常面临甲壳素在常规溶剂中溶解度低、合成水凝胶的机械性能差和不易加工等难题。武汉大学化学院蔡杰等人采用二步法合成得到双交联的甲壳素水凝胶(图1a)，非常巧妙地克服了以上困难，经制备得到的甲壳素水凝胶的机械性能得到了极大地改善，图1b至e分别为拉伸、挤压、中国结和缠绕状态下水凝胶的照片。 图1(a)二步法合成双交联甲壳素水凝胶示意图； (b)拉伸； (c) 挤压； (d)中国结； (e)缠绕 实验仪器 Thermo Fisher DXR2xi超快速显微拉曼成像光谱仪，模块化设计，具有先进的自动化光学控制系统、高灵敏度智能化检测方式、优异的光谱分辨率和空间分辨率轻松实现微纳米级样品的检测。多功能软件及 最大数据库等分析功能；仪器采用刊级激光安全等级标准和模块化高稳固设计，仪器的研究级显微镜、高分辨率光栅、高性能CCD探测器，以及光学系统的主要部件与浇铸合金基座整体结合，保证系统高稳定性。 二步法合成双交联甲壳素水凝胶时，第一步采用环氧氯丙烷(ECH)作为交联剂实现化学交联；然后在第二步中，将第一步制备的产品浸泡于不同浓度的乙醇容易中实现物理交联，主要依靠氢键作用、疏水作用和生成结晶水合物等来实现。具体的实验步骤请参考 (Adv. Ma-ter.2016， DOI： 10.1002/adma.201600448)。 实验步骤 图2(a-d)双交联甲壳素水凝胶的3D拉曼成像结果(e)双交联甲壳素水凝胶的二维拉曼成像结果(100×100um)(f-g)物理交联及双交联甲壳素水凝胶的AFM照片 结果与分析 图2所示为甲壳素水凝胶的化学分布(Raman)及物理形貌(AFM)的表征结果。图2a-d为双交联甲壳素水凝胶的3D拉曼成像结果，蓝色和绿色代表物理和化学交联态的分布。从大视野观察(图2a和b， LxWxH=100x100x50um)， 两相分布相对均匀。图2c和d为小视野的3D拉曼成像结果(LxWxH=50x50×50 um)。图2e为双交联甲壳素水凝胶的二维拉曼成像结果，蓝色和红色分别代表物理交联和化学交联区域的空间分布(不同颜色区域对应的光谱图用相应的颜色表示)。蓝色物理交联区域，富含-OH及-NH， 因此其光谱图中3040-3400cm²区域的峰强相对更更。经OMNICxi拉曼成像软件MCR多元曲线分辨计算得到，物理交联区域(蓝色)所占比例约为20%。图2f和g分别物理交联及双交联甲壳素水凝胶的AFM照片。AFM结果可以很直观地观察水凝胶样品的表面形貌，这与拉曼成像技术所得到的化学成分分布结果很好地互为补充。 结论 由于水的拉曼信号非常弱，所以拉曼光谱技术非常适合表征含水丰富的样品(比如本文中的甲壳素水凝胶)。同时，超快速拉曼成像技术(三维或二维成像)可以非常快速和直观地分析甲壳素水凝胶样品内不同交联态(物理交联和化学交联)的空间分布。 ( 参考文献 ) ( 1.D.Xu， J.C. H uang， D. Zhao， B . B. Ding， L. Zhang， J.Cai， Advanced Materials， 2016，28，5844-5849. ) SCIENTIFI C 热线电话：ales.cad@thermofisher.comwww.thermofisher.comSCIENTIFICPart of Thermo Fisher Scientific 由于拉曼光谱对物质化学环境的变化异常敏感，所以它可用于表征聚合物的不同交联态。本文将介绍采用超快速拉曼成像技术表征甲壳素水凝胶中物理交联和化学交联的空间分布。甲壳素水凝胶的研究通常面临甲壳素在常规溶剂中溶解度低、合成水凝胶的机械性能差和不易加工等难题。武汉大学化学院蔡杰等人[1]采用二步法合成得到双交联的甲壳素水凝胶（图1a），非常巧妙地克服了以上困难，经制备得到的甲壳素水凝胶的机械性能得到了极大地改善，图1b至e分别为拉伸、挤压、中国结和缠绕状态下水凝胶的照片。