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基于蚕丝蛋白的光、电传感器件的制备及其应用研究

李青松  
【摘要】:蚕丝在中国拥有悠久的历史,几千年来却一直在纺织行业中作为纺织原料使用,其它应用未能有效开发。近年来随着化学、生物逆向工程技术的发展,人们对蚕丝从分子水平上进行了细致研究,并结合其结构性质将其应用拓展到许多不同的领域,如生物医学、物理光学、材料科学、柔性电子、化妆品等。这些研究为蚕丝材料的发展带来新的曙光,对纺织行业中的材料发展及转型升级提供了重要的指导方向。蚕丝蛋白具有独特的性质相异的SilkⅠ和Silk Ⅱ结晶态结构,两种结晶态的比例可控,它们对蚕丝蛋白材料的一些物理、化学性质起到决定性的作用。这种结构的可调控性为蚕丝蛋白材料以“结构-性质-形态-应用”为路线进行功能性器件的开发、设计提供了基础。本论文基于传统的蚕丝材料,分别从蚕丝蛋白的二级结构、性质、形态及应用为切入点,使用简便的方法制备了一系列光、电传感器件并成功用于检测湿度、溶剂、生理电信号。具体包括以下几个方面:(1)以蚕丝蛋白二级结构为出发点,使用低结晶度蚕丝蛋白开发了一种湿度响应变色的纳米级单层薄膜。蚕丝蛋白薄膜通过旋涂的方法得到,其颜色来源于薄膜干涉效应,并且可以根据旋涂速率调整。蚕丝蛋白薄膜能够对湿度快速响应变色,暴露到湿气中颜色变化在5 s即可达到平衡态,在湿度下降时1 s回复到初始态。这种湿度响应是由薄膜吸湿引起厚度增加,进而干涉波长发生变化导致的。蚕丝蛋白薄膜对湿度的灵敏响应主要得益于蚕丝蛋白膜无规卷曲为主导的二级结构。这种蚕丝蛋白膜制备简单,可以用作湿度传感器、瞬态光学器件,以及进行图案化处理作为湿度解密的防伪标记图案。(2)利用蚕丝蛋白SilkⅡ结构相对稳定的性质特点,开发了一种可对溶液响应变色的仿生蚕丝蛋白结构色复合材料。通过仿生的思路,将聚苯乙烯(PS)纳米微球嵌入到蚕丝蛋白中,然后用乙醇诱导二级构象转变得到具有溶液变色效应的非晶光子结构复合膜。PS微球(10-50 wt%)在蚕丝蛋白基质中形成非晶光子晶体结构,在干态时由于PS和蚕丝蛋白折射率相近(PS折射率为1.59,乙醇处理过的蚕丝蛋白折射率为1.55),二者复合后相当于形成了均匀介质膜,透明无色。在湿态下水(折射率为1.33)进入复合膜中引起蚕丝蛋白折射率下降,导致PS和蚕丝蛋白形成较大的折射率差异,满足非晶光子晶体显色的必要条件,从而显现颜色。蚕丝蛋白/PS微球复合膜在湿态下的颜色可以根据PS微球尺寸以及浸没的液体介质调整,而且颜色没有角度依赖性。这种复合膜在水中显色速度快(只有80s),具有较好的循环稳定性和耐久性(循环15次透光率及颜色几乎没有损失)。这种结构色材料制备简单,具有较好的可重复性,在溶液的折射率指示,可擦写“墨水”的应用上进行了可行性展示。(3)从蚕丝蛋白对人体友好的特点出发,调控其形态、结构性质制备了一种基于蚕丝蛋白的柔性透气表皮电极。通过在蚕丝蛋白静电纺丝纤维膜上涂敷导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS),最终得到了网状结构的柔性蚕丝蛋白表皮电极。引入甘油起到三个方面的作用:第一,诱导蚕丝蛋白从无规卷曲为主导的构象转变为β折叠,提高其溶液稳定性,为涂敷PEDOT:PSS提供基础;第二,甘油从环境中吸湿保湿,提高了电极的拉伸性并降低其杨氏模量;第三,诱导PEDOT:PSS分子链结构重排,提高电极导电性。蚕丝蛋白电极有良好的电学拉伸性和优异的循环耐久性,其导电性可以维持到250%的伸长率,在经过10%,20%和30%的伸长率循环拉伸100次后电阻变化仍然保持稳定,且结构未被破坏。蚕丝蛋白电极具有优异的透汗散热能力,它的热阻和湿阻远远低于常用的商业电极和蒸镀金属的聚合物膜电极(蒸镀Au的苯乙烯嵌段共聚物SEBS膜),水蒸气透过率高于在静态和运动时经人体皮肤损失的水分量。在实际使用中该蚕丝蛋白电极具有良好的保形性,与皮肤的界面阻抗和商业电极相近。通过在运动前无汗和运动出汗条件下采集心电图(ECG)信号发现,运动前蚕丝蛋白电极的信号质量与商业电极水平相当,而在运动后要明显优于商业电极。


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