CN106338540A - 一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜及其制备方法与应用，由纤维素衍生物与交联剂交联反应制得的纤维素衍生物交联膜，即不含增塑剂的原位交联共聚物膜；共聚物膜用于离子选择电极中的传感膜，对应的传感离子为钙离子。与现有技术相比，本发明提出了一种全新的构建钙离子敏感膜的构建思路，即以分子链结构中具有有机酸酸根基团络合位点的大分子化合物同时作为钙载体、基体以及阴离子排除剂，三者合一。这样一种三位一体的敏感膜构建的钙离子选择电极的检测下限可达10^‑6mol/L，使用寿命为一年以上，优于传统方法制备的增塑PVC基钙离子选择电极。

Description

一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种钙离子选择电极的制备，尤其是涉及一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜及其制备方法与应用。

背景技术

钙作为人体中含量最多的无机盐，不仅是构成骨骼和牙齿的主要矿物质成分，而且在机体的各种生理和生化过程中起着重要作用。钙可以维持人体循环、呼吸、神经、内分泌、消化、血液、肌肉、骨骼、泌尿、免疫等各系统正常生理功能，维持人体细胞的正常状态。而人体中钙元素主要来源于牛奶、肉类及蔬菜等食物。因此，测定人体内以及环境样品中钙含量对于维持人体正常的生理机能及对各项生理机能的监控至关重要。对人体内钙含量的检测一般的方法有原子吸收光谱法、电感耦合等离子光谱法及离子色谱法。这些测试方法对样品的要求较高，需要预先处理样品。此外，实验仪器昂贵且测试步骤复杂，需要专业的技术人员操作，只适用于实验室。而离子传感器或离子选择电极分析法能够有效的避免这一问题。其所具有的操作简单，响应快速、成本低廉、对样品无污染且可微型化等的特点使其成为了钙离子检测的研究方向。

钙离子选择电极自19世纪60年代研制出来后(Ross J W.Calcium-selective electrode with liquid ion exchanger.Science,1967,156(3780):1378-1379)，就得到了广泛的研究。早期对钙离子选择电极的研究主要集中于新型钙载体的开发和设计。主要研究的新型钙载体包括具有一定空腔直径能够稳定络合钙离子的闭环类化合物(Jain,A.K.；Raisoni,J.；Jain,S.Calcium(II)-selective potentiometric sensor based on p-isopropylcalix[6]arene in PVC matrix.Int.J.Environ.An.Ch.,2008,88(3):209-221)、与ETH1001结构类似的钳状化合物(Lee M H,Yoo C L,Lee J S,Cho I S,Kim B H,Cha G S,Nam H.Tweezer-type neutral carrier-based calcium-selective membrane electrode with drastically reduced anionic interference.Analytical chemistry, 2002,74(11):2603-2607.)，具有氮氧络合位点的半闭环类化合物(Singh,A.K.；Mehtab,S.Calcium(II)-selective potentiometric sensor based onα-furildioxime as neutral carrier.Sensor Actuat B-Chem.,2007,123(1):429-436)等。新型钙载体的研究均以增塑PVC为基膜，钙载体及其他活性组分溶解于增塑剂中。而增塑PVC膜基钙离子选择电极中存在的过膜离子流及钙载体随增塑剂泄漏，钙离子选择电极的诸如探测下限、使用寿命等的电极性能受到了明显限制。一般而言，基于新型钙载体的增塑PVC基钙离子选择电极的探测下限为10-7M数量级，其电极寿命最长也仅为5个月。换言之，无论怎样去设计和研发新型钙载体，只要有增塑剂的存在，钙载体等活性组分均无可避免的随着增塑剂的泄漏而泄漏，故设计和研究对钙离子响应性能优异的新型钙载体对电极性能的提升大大受到限制。

为了更进一步提升钙离子选择电极的性能，增塑剂的减少甚至摒弃势在必行，无增塑固态膜基钙离子选择电极的研究应运而生。目前能够应用于钙离子选择电极的无增塑基膜材料主要为丙烯酸酯类均聚物及共聚物(Qin,Y.；Peper,S.；Bakker,E.Plasticizer-free polymer membrane ion-selective electrodes containing a methacrylic copolymer matrix.Electroanal.,2002,14(14):1375-1381.)。钙载体及其他活性组分一同与基膜材料溶解于四氢呋喃、二氯甲烷等有机溶剂中，通过溶液浇铸成膜。这在一定程度上革除了增塑剂的泄漏导致的电极性能下降的问题，从而提升了钙离子选择电极的性能。然而，缺乏增塑剂的传感膜无法将钙载体、离子交换剂等活性组分均匀分散在基膜中，同样会引起电极使用期间不同程度的流失。

将钙载体、阴离子排除剂等活性组分全部或者部分接枝于基膜大分子链上也是改进钙离子选择电极的电极性能的途径。如将钙载体ETH129通过丙烯酸基团化学接枝于共聚丙烯酸酯链上(Qin,Y.；Peper,S.；Radu；A.,Ceresa,A.,Bakker,E.Plasticizer-free polymer containing a covalently immobilized Ca2+-selective ionophore for potentiometric and optical sensors.Anal.Chem.,2003,75(13):3038-3045.)，可以将钙离子选择电极的探测下限降至亚微摩尔级别。将钙载体ETH129以及高度亲脂且化学稳定的阴离子排除剂十二碳硼烷阴离子通过丙烯酸基团共价接枝于共聚丙烯酸酯链上(Qin,Y.,Bakker,E.A copolymerized dodecacarborane anion as covalently attached cation exchanger in ion-selective sensors)，可以避免钙载体及阴离子排除剂的流失。但是，这些方法涉及到化合物的官能团功能化和接枝共聚，操作过程异常复杂，成本过高。

可见，从传感膜的活性组份和基膜出发，设计构造出无需外增塑剂也无需外加载体活性组分的全固态钙离子传感膜，达到提升钙离子选择电极的检测性能和使用寿命的目的。该方面的研究未见报道。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜及其制备方法与应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

技术方案一：提供一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜。

一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜，为由纤维素衍生物与交联剂交联反应制得的纤维素衍生物交联膜。

所述的纤维素衍生物选自甲基纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素、醋酸纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钙、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钾或羧甲基纤维素镁中的一种或几种的混合物。进一步优选为羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钙、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钾或羧甲基纤维素镁中的一种或几种的混合物。

所述的交联剂为甲醛、戊二醛或环氧丙烷。

技术方案二：提供一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜的制备方法。

一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜的制备方法，将纤维素衍生物与交联剂在酸催化下交联反应得到纤维素衍生物交联膜，即不含增塑剂的原位交联共聚物膜。

具体操作步骤为：将纤维素衍生物溶于介质中混合均匀制成纤维素衍生物溶液，另外配制交联剂水溶液，并加酸调节交联剂水溶液的pH为1～2，按照纤维素衍生物与交联剂的重量摩尔比，向纤维素衍生物溶液中加入上述交联剂溶液后，进行交联反应，得到纤维素衍生物交联膜，即不含增塑剂的原位交联共聚物膜。

所述的纤维素衍生物与交联剂的重量摩尔比为2g/1mmol～2g/100mmol。

所述的催化剂选自硫酸、盐酸、硝酸或磷酸，优选为硝酸。所述的催化剂用于脱水，具体缩醛反应机理见下式：

将交联反应后得到的纤维素衍生物交联膜浸入水中浸泡，换水多次洗涤其中残 留酸，直至洗涤液pH显中性，得到不含酸的纤维素衍生物交联膜。

交联剂加入到纤维素衍生物中的方式为：首先将纤维素衍生物制成纤维素衍生物溶液，再将交联剂溶液加入混合均匀。

交联剂加入到纤维素衍生物中的方式还可以为：将交联剂与纤维素衍生物在介质中直接共混，然后交联反应并浇筑成膜。

所述的介质优选为去离子水。

进行交联反应时，交联温度为室温到70℃，优选45℃，交联反应时间为2～4天，优选2天。

上述制备得到的纤维素衍生物交联膜含有大分子网络骨架，同时含有羟基和羧基等，前者是传感膜的很好的基体材料，保证了传感膜的机械力学性能；后者是钙离子的活性载体位点，有助于传感膜对钙离子的选择性络合。

技术方案三：提供一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜的应用。

所述不含增塑剂的原位交联共聚物膜用于离子选择电极中的传感膜，对应的传感离子为钙离子。

所述的离子选择电极中使用的内充液为1.00×10^-5～1.00×10^-2mol/L CaCl₂溶液，优选1.00×10^-3mol/L。

所述的离子选择电极中使用的调制液为1.00×10^-5～1.00×10^-2mol/L CaCl₂溶液，优选1.00×10^-3mol/L，调制时间为1～3天，优选为2天。

表明不含增塑剂的原位交联共聚物膜具有优良钙离子传感效果的具体操作如下：配置一定量一定浓度的CaCl₂标准溶液，将所制得的电极插入其中，以饱和甘汞电极为外参比电极，采用上海雷磁公司生产的PXSJ-216型离子计，测试不含增塑剂的原位交联共聚物膜的响应电位。电化学池结构如下：

Ag|AgCl|10^-3mol/L CaCl₂|传感膜|测试溶液||KNO₃(1.0mol/L)||KCl(饱和溶液)|Hg₂Cl₂|Hg

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

本发明所提出的纤维素衍生物交联膜无需额外添加其它活性组分，即无需传统的离子选择传感膜所必须的离子载体、离子排除剂等，这表面上仅仅是简化了膜组成，但更重要的是可以另辟蹊径地解决活性组分的流失的问题，从而大大延长电极的使用寿命。仅仅靠单一组分即可实现钙离子的传感，这主要得益于纤维素衍生物的大分子结构。首先大分子链被交联剂交联后形成具有致密交联网络结构，使其 成为不溶于水的膜基体，起到与其它大分子基体一样的阻隔内外两侧溶液中离子相互穿透的作用，能够保证钙离子传感膜的力学性能；其次，大分子链上大量的羟基、羧基基团是钙离子的潜在络合位点，可以取代钙离子活性载体实现钙离子的传感；最后，大分子链上的羟基和羧基被部分电离成为阴离子后可以实现溶液中的阴离子的排除，从而起到外加阴离子排除剂同样的作用。可见，纤维素衍生物交联膜是一种集膜基体、离子载体和阴离子排除剂为一体的“三合一”式的新型全固态传感膜。

本发明提出了一种全新的构建钙离子敏感膜的构建思路，即以分子链结构中具有络合位点的大分子化合物同时作为钙载体、基体以及阴离子排除剂，三者合一。这样一种三位一体的敏感膜构建的钙离子选择电极的检测下限可达10^-6mol/L，使用寿命为一年以上，优于传统方法制备的增塑PVC基钙离子选择电极。

附图说明

图1：羧甲基纤维素及其交联膜在空气气氛中的热失重曲线；升温速率为10℃/min，气氛为空气；

图2：45℃交联2天所得纤维素衍生物交联膜组装的钙离子选择电极的电位响应曲线；

图3：40℃交联3天所得纤维素衍生物交联膜组装的钙离子选择电极的电位响应曲线；

图4：钙离子选择电极的电位响应曲线随时间的变化。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1～6

分别称取200mg羧甲基纤维素于50mL烧杯中，加入19.8mL去离子水，磁力搅拌溶解3天制得浓度为1.0wt％羧甲基纤维素溶液。将其浇铸于直径为6cm的培养皿中，置于50℃烘箱中烘干1天即得纤维素衍生物前驱体膜。依据交联剂用量，用量筒量取4mL的浓度分别为2.5％、3.0％、3.5％，4.0％、4.5％和5.0％的戊二醛水溶液，加入少量催化剂浓硝酸，调节pH为1～2后，将其小心倾入上述含前驱体膜的培养皿中，置于45℃烘箱中交联反应2天，得交联传感膜。将其浸入水中浸泡，换水多次洗涤其中残留酸，直至洗涤液pH显中性。其中，5.0％的戊 二醛交联膜的TG图见图1，热失重参数见表1，交联后聚合物膜的最大分解速率时的温度下降至275℃，但是分解速率大大降低，仅为未交联原料的1/3左右。说明纤维素骨架的确发生一定程度的交联。

表1 羧甲基纤维素在交联前后的热失重参数比较

实施例7～12

将实施例1～6所制得的交联膜在水中浮力脱膜洗涤干燥后，小心剪下略大于1cm直径的小圆片，用502胶小心粘结于聚丙烯管底部，修剪管边多余部分膜。将适量体积且浓度为10^-3mol/L的CaCl₂溶液充入管中，并插入Ag/AgCl电极作为内参比电极。用10^-3mol/L的CaCl₂溶液调制两天，之后使用高纯水洗至电位值稳定后，用以检测电极对钙离子的响应曲线。测试结果见表2。可见，适度交联不仅赋予了交联膜合理的力学性能从而阻隔传感膜两侧溶液的过渡互穿，而且能使得置身其中的活性组分能够充分发挥应有的对主离子的传感作用。但是过高与过低的交联剂浓度均无法保证电极的优异响应性能。只有中等浓度如3.5wt％～5.0wt％的戊二醛，方可接近能斯特斜率，其线性范围、探测下限及响应时间均优于其它电极。

表2 实施例7～12中的所得钙离子选择电极的性能

实施例13～16

分别称取200mg醋酸纤维素于50mL烧杯中，加入10mL去离子水，磁力搅拌溶解制得浓度为2.0wt％醋酸纤维素溶液。将其浇铸于直径为6cm的培养皿中，依据交联剂用量，用量筒分别量取4mL、5mL、6mL、7mL的浓度为2.5wt％的戊二醛水溶液，加入少量催化剂浓硝酸，调节pH为1～2后，将其倾入上述培养皿中，置于45℃烘箱中交联反应2天，得交联传感膜，测试其对钙离子的响应性能，结果见图2。

实施例17～20

分别称取200mg醋酸纤维素于50mL烧杯中，加入10mL去离子水，磁力搅拌溶解制得浓度为2.0wt％醋酸纤维素溶液。将其浇铸于直径为6cm的培养皿中，依据交联剂用量，用量筒分别量取3mL、4mL、5mL、6mL的浓度为2.5wt％的戊二醛水溶液，加入少量催化剂浓硝酸，调节pH为1～2后，将其倾入上述培养皿中，置于40℃烘箱中交联反应3天，得交联传感膜，测试其对钙离子的响应性能，结果见图3。

交联温度会决定交联体系的大分子网络结构进而影响到电极响应性能。过高的交联温度会加速戊二醛的挥发，这不仅使纤维素衍生物无法反应完全，而且会造成原料的浪费。而过高的交联温度又会使得反应时间拉长，降低反应效率，还可能使反应僵化。由图2可见，在所选定的两个交联温度下，无论是40℃和45℃下进行交联，所得纤维素衍生物传感膜电极对钙离子均具有响应性能，只是响应斜率略有变化。

实施例21

分别称取200mg醋酸纤维素和200mg羧甲基纤维素盐于50mL烧杯中，加入10mL去离子水，磁力搅拌溶解制得浓度为4.0wt％醋酸纤维素溶液。将其浇铸于直径为6cm的培养皿中，依据交联剂用量，用量筒分别量取2mL浓度为25wt％的戊二醛水溶液，加入少量催化剂浓硝酸，调节pH为1～2后，将其倾入上述培养皿中，置于40℃烘箱中交联反应3天，得交联传感膜，测试其对钙离子的响应性能，获得了10^-4.8M的检测下限和10^-2M～10^-5M的下限范围。

实施例22

分别称取100mg羟丙基纤维素和100mg羧甲基纤维素钙于50mL烧杯中，加入10mL去离子水，磁力搅拌溶解制得浓度为2.0wt％醋酸纤维素溶液。将其浇铸于直径为6cm的培养皿中，依据交联剂用量，用量筒分别量取3mL浓度为2.5wt％的戊二醛水溶液，加入少量催化剂浓硝酸，调节pH为1～2后，将其倾入上述培养皿中，置于40℃烘箱中交联反应3天，得交联传感膜，测试其对钙离子的响应性能，获得了10^-5.7M的检测下限和10^-2M～10^-6M的下限范围。

实施例23

将钙离子选择电极和pH电极放入1.00×10^-3mol/L CaCl₂标准溶液中，不断调节溶液pH，测定并测定溶液的pH和响应电位。注意累计加入的总体积不要超过原来 体积的0.5％。结果表明，电极响应电位在pH为4.86–10.34范围内变化值不超过1mV，因此该电极在1.00×10^-3mol/L的氯化钙溶液中的pH平台为4.86～10.3，偏碱性范围。

实施例24

采用主离子浓度为1.00×10^-3mol/L钙标液进行单点抗干扰性测试。为使主离子浓度的改变忽略不计，所引入干扰离子溶液体积不超过钙标液的0.5vol％。以Na⁺为例，具体操作如下：在30mL 1.00×10^-3mol/L CaCl₂溶液中分别加入10μL3.00×10^-2mol/L，100μL 3.00×10^-2mol/L，10μL 3.00mol/L NaCl溶液，摇匀即获得Na⁺含量分别为1.00×10^-5mol/L，1.00×10^-4mol/L及1.00×10^-3mol/L的钙标液。用钙离子选择电极测定加入钠离子后的电位变化，结果见表3。可以看出，对浓度分别为1.00×10^-4mol/L和1.00×10^-5mol/L的Na⁺、K⁺和Mg²⁺共存离子，态传感膜对钙离子的响应电位几乎没有改变，电位相对误差在0.32％以下，其中K⁺的电位相对误差要大于Na⁺和Mg²⁺，干扰相对较大。此外，三种干扰离子响应时间都有不同程度的延长，K⁺的延长较长，Na⁺次之，Mg²⁺最短。因此K⁺对Ca²⁺有一定的干扰。而当三种干扰离子的浓度与主离子Ca²⁺处于1.00×10^-3mol/L时，电位干扰均有所加大，电位相对误差最高可达5.32％。但是，测试误差基本可以接受。

表3 三种共存离子对钙离子响应电位的干扰

实施例25

不含增塑剂的原位交联共聚物膜的钙离子选择电极的寿命测试采用第一个月每周一次，第二个月开始每两周一次的测量方法，电极在不用时保存于10^-3mol/L的氯化钙溶液中。由测定结果可知，该钙离子选择电极在使用6个月后，电极的响应斜率与初始响应斜率的差值不超过0.3mV，且电极的探测下限没有明显变化。而在使用一年后，电极的响应斜率与初始响应斜率仍然基本相同，且电极的探测下 限仍然没有明显变化。详见图4。表明基于原始固态CMCCa膜的钙离子选择电极的使用寿命为一年以上，这要优于大多数传统方法制备的液接增塑PVC基商品钙离子选择电极。可见，该钙电极完全摒弃了增塑剂的加入，避免了钙载体随增塑剂的泄漏，延长了使用寿命。

实施例26-27

将钙离子选择电极插入浓度为1.00mg/L钙标准液中，以直接电位测试法平行测试6次，测得钙浓度平均值为0.95mg/L，可知，电极的回收率为95.0％，且测试的相对标准偏差RSD为2.09％。

同样，将钙离子选择电极插入浓度为10.0mg/L的钙标准液中，以直接电位测试法平行测试6次，测得钙浓度平均值为9.72mg/L，可知，电极的回收率为97.2％，且测试的相对标准偏差RSD为1.53％。

实施例28

将钙离子选择电极插入市售矿泉水中，以直接电位测试法平行测试6次，测得钙浓度平均值为9.13mg/L，相对标准偏差RSD分别为3.07％。再用火焰原子吸收光谱法测得钙浓度为8.86mg/L，以此为真值计算的测试误差为3.05％。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜，其特征在于，为由纤维素衍生物与交联剂交联反应制得的纤维素衍生物交联膜。

2.根据权利要求1所述的一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜，其特征在于，所述的纤维素衍生物选自甲基纤维素、乙基纤维素、羟丙基纤维素、醋酸纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钙、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钾或羧甲基纤维素镁中的一种或几种的混合物；

所述的纤维素衍生物优选为羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钙、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素钾或羧甲基纤维素镁中的一种或几种的混合物。

3.根据权利要求1所述的一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜，其特征在于，所述的交联剂为甲醛、戊二醛或环氧丙烷。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述不含增塑剂的原位交联共聚物膜的制备方法，其特征在于，将纤维素衍生物与交联剂在酸催化下交联反应得到纤维素衍生物交联膜，即不含增塑剂的原位交联共聚物膜。

5.根据权利要求4所述的一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜的制备方法，其特征在于，具体操作步骤为：将纤维素衍生物溶于介质中混合均匀制成纤维素衍生物溶液，另外配制交联剂水溶液，并加酸调节交联剂水溶液的pH为1～2，按照纤维素衍生物与交联剂的重量摩尔比，向纤维素衍生物溶液中加入上述交联剂溶液后，进行交联反应，得到纤维素衍生物交联膜，即不含增塑剂的原位交联共聚物膜。

6.根据权利要求5所述的一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜的制备方法，其特征在于，所述的纤维素衍生物与交联剂的重量摩尔比为2g/1mmol～2g/100mmol。

7.根据权利要求4或5所述的一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜的制备方法，其特征在于，所述的催化剂选自硫酸、盐酸、硝酸或磷酸；

将交联反应后得到的纤维素衍生物交联膜浸入水中浸泡，换水多次洗涤其中残留酸，直至洗涤液pH显中性，得到不含酸的纤维素衍生物交联膜。

8.根据权利要求4或5所述的一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜的制备方法，其特征在于，进行交联反应时，交联温度为室温到70℃，交联反应时间为2～4天。

9.一种如权利要求1-3中任一项所述不含增塑剂的原位交联共聚物膜的应用，其特征在于，所述不含增塑剂的原位交联共聚物膜用于离子选择电极中的传感膜，对应的传感离子为钙离子。

10.根据权利要求9所述的一种不含增塑剂的原位交联共聚物膜的应用，其特征在于，所述的离子选择电极中使用的内充液为1.00×10^-5～1.00×10^-2mol/L CaCl₂溶液；

所述的离子选择电极中使用的调制液为1.00×10^-5～1.00×10^-2mol/L CaCl₂溶液，调制时间为1～3天。