基于聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰的纳米孔制备pH响应的纳米流体二极管方法

技术领域

本发明属于纳米流体器件制备技术领域，涉及一种基于聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰的纳米孔制备pH响应的纳米流体二极管方法，是一种新型的基于固态纳米孔制备pH响应的纳米流体二极管的方法，通过将聚精氨酸和聚谷氨酸通过逐层聚电解质吸附的方法修饰到纳米孔内表面实现的。

背景技术

精氨酸是细胞膜穿透肽要作用的一种氨基酸，也在蛋白质转导区域蛋白质中大量存在。精氨酸是人体半(条件)必需氨基酸，在生理条件下带正电荷。聚精氨酸(PLR) 由多个精氨酸上的氨基和羧基脱水缩合形成，是一种能够跨膜转运的多肽，PLR和精氨酸可以促进药物穿过细胞膜，增加进入细胞内的药物比例。PLR由于在溶液中带正电，可以携带带负电的基因片段跨膜转运入细胞中。

聚谷氨酸(γ-PGA)是由L-谷氨酸(L-Glu)和D-谷氨酸(D-Glu)通过肽键结合形成的一种多肽分子，聚谷氨酸(γ-PGA)具有极强的亲水性、吸水性、保水性，也具有良好的水溶性和生物降解性。它是一种特殊的阴离子自然聚合物，γ-PGA的侧链上具有大量的羧基(-COOH)，pI为2.22，当pH>pI时，其带负电。刻蚀后的纳米孔内表面带负电荷，并且PLR在溶液中带正电荷，γ-PGA的侧链上具有大量的羧基-COOH，为PLR与γ-PGA可以通过静电吸附修饰的方法逐层修饰在纳米孔上提供了可能。

生物离子通道有受外部环境刺激产生智能响应和选择性地通过离子的特性。我们制备的纳米流体二极管具有类似于生物离子通道的特性。离子选择性通过的现象也称为整流，是指由于对离子的选择性不同导致电流朝着一个优先的方向传递。离子的选择性通过在生理过程中至关重。纳米通道的制备方法简单、成本低、性能稳定,在浓差电池、燃料电池、离子交换、药物递送等领域展现出应用前景。研究人员已经通过在人工纳米通道的表面修饰功能分子,已经构建了对光照、pH、温度、离子以及电压等外界刺激具有智能响应性的人工纳米流体二极管。目前，通过在纳米孔内表面修饰功能分子的方法制备人工纳米流体二极管仍有较多困难，如下：(i)纳米孔道尺寸较小，修饰的物质难进入，使得修饰的物质在纳米孔上的密度不够或堵塞纳米孔；(ii) 共价修饰操作复杂，合成特定结构分子难度大，成本较高；(iii)纳米孔表面修饰后不稳定，修饰物易脱落，使得纳米流体二极管的重复性不好。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰的纳米孔制备pH响应的纳米流体二极管方法，克服了以上困难，得到了操作简单、成本低廉、修饰密度高、重复性好的修饰纳米孔的方法。本发明用逐层聚电解质修饰的方法在固态纳米孔上成功的构建了的对pH有响应的纳米流体二极管。

技术方案

一种基于聚精氨酸修饰的纳米孔制备pH响应的纳米流体二极管的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将重离子辐照过的PET膜除去膜表面的灰尘和杂质；

步骤2：用化学刻蚀的方法在PET薄膜刻蚀纳米孔，在0.5mg/mL的PLR溶液中浸泡6h后冲洗干净、晾干，再放到60℃的烘箱中3h，PET薄膜上的纳米孔为聚精氨酸修饰的固态纳米孔，在pH作用下具有阴离子选择性的纳米流体二极管。

将聚精氨酸修饰的纳米孔在0.5mg/mL的聚谷氨酸溶液中浸泡6h后冲洗干净、晾干，再放到60℃的烘箱中3h，PET薄膜上的纳米孔为聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰的固态纳米孔，在pH作用下具有阳离子离子选择性的纳米流体二极管。

所述纳米孔为采用不对称刻蚀法得到的单锥形纳米孔。

所述在pH作用下具有阴离子选择性的纳米流体二极管时pH为2.2～11。

所述在pH作用下具有阳离子离子选择性的纳米流体二极管时pH为1.5～9.8。

所述步骤1除去膜表面的灰尘和杂质PET膜再在紫外灯下每面辐照1.5h。

有益效果

本发明提出的一种基于聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰的纳米孔制备pH响应的纳米流体二极管方法，采用了逐层聚电解质静电吸附的方法修饰纳米孔的内表面。首先将PET膜进行化学刻蚀，得到单个锥形纳米孔，此时纳米孔的内表面有很多羧基，而聚精氨酸分子上有大量的氨基，因此聚精氨酸可通过静电吸附的方法修饰到纳米孔的内表面，得到聚精氨酸修饰的纳米孔。聚精氨酸分子修饰的纳米孔在pH作用下，得到具有阴离子选择性的纳米流体二极管。避免了使用共价修饰方法进行修饰，从而避免了明胶分子在固态纳米孔上修饰密度不够，导致无法得到固态纳米孔上pH响应的纳米流体二极管。而聚谷氨酸分子上有大量的羧基，聚精氨酸与聚谷氨酸可以通过静电吸附的方法修饰在聚精氨酸分子层上，得到聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰的纳米孔。聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰的纳米孔在pH作用下，得到具有阳离子选择性的纳米流体二极管。

附图说明

图1为本发明的过程。首先将PET膜用径迹刻蚀的方法进行化学刻蚀，得到单锥形纳米孔，纳米孔内表面带羧基负离子。再用逐层聚电解质静电吸附的方法去修饰纳米孔，得到聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰的纳米孔。而聚精氨酸和聚谷氨酸会对pH 有响应，即制备了对温度都有响应的纳米流体二极管。

图2为未修饰的单个锥形纳米孔在0.1M KCl中的电化学表征的I-V曲线图数据。未修饰的单锥形纳米孔的电化学表征，是为了证明刻通的纳米孔有整流效应且内表面带有羧酸根负离子。

图3为聚精氨酸修饰后的单锥形纳米孔在0.1M KCl中的电化学表征的I-V曲线图数据。聚精氨酸修饰后的单锥形纳米孔的电化学表征，证明了修饰后的纳米孔内表面带有与未修饰前相反的表面电荷，即铵根阳离子。

图4为聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰后的单锥形纳米孔在0.1M KCl中的电化学表征的I-V曲线图数据。聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰后的单锥形纳米孔的电化学表征，证明了逐层修饰后的纳米孔内表面带有与聚精氨酸修饰后相反的表面电荷，即羧酸根负离子。

图5(a)为修饰聚精氨酸后pH响应的原理示意图；(b)为修饰聚精氨酸后的单锥形纳米孔在不同的pH下的0.1M KCl中电化学表征的I-V曲线图数据。不同pH下的电化学表征，证明了聚精氨酸修饰的纳米孔对pH有响应。

图6中(a)为聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰后的纳米孔的pH响应的原理示意图；(b)为聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰后的单锥形纳米孔在不同的pH下的0.1M KCl中电化学表征的I-V曲线图数据。不同pH下的电化学表征，证明了聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰后的纳米孔对pH有响应。

图7中为膜表面未修饰前、聚精氨酸修饰后、聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰后的接触角(CA)数据。CA数据证明了聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰后的纳米孔表面比聚精氨酸修饰后的纳米孔表面更亲水，说明聚精氨酸和聚谷氨酸已逐层修饰到纳米孔表面。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提供了一种新的制备基于固态纳米孔的对pH响应的纳米流体二极管的方法，其制备过程和工作原理如下：

1、在pH作用下具有阴离子选择性的纳米流体二极管：

首先将PET表面处理干净，用化学刻蚀的方法刻蚀纳米孔，将刻蚀好的纳米孔在0.5mg/mL的PLR溶液中浸泡6h，取出用二次水冲洗干净，晾干，再放到60℃的烘箱中3h，得到聚精氨酸修饰的固态纳米孔。聚精氨酸分子的结构(见图5)。

PLR分子结构有大量的氨基官能团，在溶液中带正电。PLR修饰的纳米孔在pH 作用下，得到具有阴离子选择性的纳米流体二极管。

再将聚精氨酸修饰的纳米孔在0.5mg/mL的聚谷氨酸溶液中浸泡6h，取出用二次水冲洗干净，晾干，再放到60℃的烘箱中3h，得到聚谷氨酸修饰的固态纳米孔。聚谷氨酸分子的结构(见图6)。

γ-PGA是一种特殊的阴离子自然聚合物，在溶液中带负电。γ-PGA修饰的固态纳米孔内表面带负电荷，得到具有阳离子离子选择性的纳米流体二极管。

在PET上制备单锥形纳米孔：

首先将重离子辐照过的PET膜在二次水中浸泡3分钟，除去膜表面的灰尘和杂质，晾干，待用。再在紫外灯下每面辐照1.5h，待用。

配制9mol/L的NaOH溶液250mL，其中加入NaOH的质量为90.0g储存在250mL 容量瓶中，1mol/L HCOOH和KCl混合溶液250mL，其中加入HCOOH 9.5mL，KCl 18.6g储存在250mL容量瓶中。接下来通过化学刻蚀的方法进行纳米孔的刻蚀。单锥形纳米孔的制备用的是不对称刻蚀法：即在辐照过的薄膜两侧施加跨膜电压，薄膜的一侧加刻蚀液即9mol/L的NaOH溶液，一侧加入阻止液即1mol/L HCOOH和KCl 混合溶液，使用电流测量装置检测刻蚀过程，一旦离子电流增大2个数量级则说明纳米孔已刻通。此时，得到PET单锥形纳米孔，为修饰做好准备。

PET单个纳米孔的电化学表征：

由于单锥形纳米孔道结构的不对称性，并且在纳米孔内表面带有羧酸根负离子，因此在外加电压的情况下存在整流效应，因此检测已刻蚀好的单锥形纳米孔的整流效应。配制0.1mol/L的KCl溶液100mL，其中加入KCl的质量为0.74g储存在100mL 容量瓶中。在薄膜的两侧施加跨膜电压，薄膜两侧都加0.1mol/L的KCl溶液，使用电流检测装置检测整流过程。从I-V曲线数据可以看出，单锥形纳米孔在外加电压的情况下具有整流效应，并且负向电流比正向电流大，因此可证明制备的单锥形纳米孔内表面带有负电荷。

在纳米孔内表面修饰聚精氨酸：

配置0.5mg/mL的聚精氨酸水溶液25mL，其中加入质量为12.5mg的聚精氨酸，储存在25mL的容量瓶中待用。将刻蚀好的单锥形纳米孔放入烧杯，加入0.5mg/mL 的聚精氨酸水溶液10mL，静置6h，取出，用二次水冲洗，吹干，放入烘箱60℃，3 h。取出，待用。

在pH作用下具有阴离子选择性的纳米流体二极管：

分别配制pH＝11，pH＝3的KOH，HCl溶液250mL，分别储存在250mL玻璃瓶中。用两种溶液以不同比例调节0.1mol/L KCl溶液，使得0.1mol/L KCl有不同pH： 2.2、3、4、7、9和11五种；待pH稳定后放置于25mL烧杯中待用。

将聚精氨酸修饰的单锥形纳米孔薄膜两侧加相同pH的0.1mol/L的KCl溶液，薄膜的两侧施加跨膜电压，使用电流检测装置检测整流过程。分别检测不同pH下的电流，作不同pH下的I-V曲线图，见图3。从图中可看出与图2相比，电流反转，整流效应增强，说明将聚精氨酸分子修饰到了纳米孔内表面，使得纳米孔的内表面带正电荷。且随着pH的减小，正向电流增大，即整流效应越大，说聚精氨酸修饰的纳米孔对pH有响应。

2、在pH作用下具有阳离子离子选择性的纳米流体二极管：在纳米孔内表面逐层修饰聚谷氨酸。

配置0.5mg/mL的聚谷氨酸水溶液，其中加入质量为12.5g的聚谷氨酸，储存在25mL的容量瓶中待用。将聚精氨酸修饰的单锥形纳米孔放入烧杯，加入0.5mg/mL 的聚谷氨酸水溶液10mL，静置6h，取出，用二次水冲洗，吹干，放入烘箱60℃，3 h。取出，待用。

聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰的纳米孔的电化学表征

分别配制pH＝11，pH＝3的KOH，HCl溶液250mL，分别储存在250mL玻璃瓶中。用两种溶液以不同比例调节0.1mol/L KCl溶液，使得0.1mol/L KCl有不同pH： 1.5、7、8.3和9.8四种，待pH稳定后放置于25mL烧杯中待用。

聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰的单锥形纳米孔薄膜两侧加相同pH的0.1mol/L的KCl溶液，薄膜的两侧施加跨膜电压，使用电流检测装置检测整流过程。分别检测不同pH下的电流，作不同pH下的I-V曲线图，见图4。从图中可看出与图3相比，电流反转且变小，说明将聚精氨酸和聚谷氨酸分子逐层修饰到了纳米孔内表面，使得纳米孔的内表面带负电荷。且在碱性条件随着pH的增大，负向电流增大，即整流效应越大；在酸性条件下，电流发生了反转。说聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰的纳米孔对 pH有响应。

3、未修饰、聚精氨酸修饰后、聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰后的纳米孔的接触角(CA)表征：

将三个清洗过的PET膜分别浸泡在9mol/L的NaOH溶液中，并在60℃的温度下加热1h。其中两个PET膜分别按上述3，5的方法进行聚精氨酸修饰、聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰。

将上述三个PET膜分别进行CA测试，得到数据。从三者的CA数据可以看出，未修饰的PET膜的接触角、聚精氨酸修饰后的PET膜的接触角、聚精氨酸和聚谷氨酸逐层修饰后的接触角逐渐减小，亲水性逐渐增强，接触角的变化说明逐层修饰过程把聚精氨酸和聚谷氨酸修饰到了PET膜上。