荧光角蛋白纳米纤维制备及其应用性能研究

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近些年,废弃物的再生利用越来越来引起重视,本文基于对废弃的人发进行处理、再生,得到再生人发角蛋白,并将其高值化利用于环境工程领域。课题具体从三个方面实施:(1)L-半胱氨酸在人发角蛋白提取中的最佳工艺探讨,包括溶解温度、溶解时间、溶解pH值、L-半胱氨酸浓度和尿素浓度的单因素实验,结果证明,除了尿素外,随着其他溶解条件的剧烈程度增加,人发角蛋白的溶解率逐渐增加,但提取率会有最佳条件,即为:溶解温度85℃、溶解时间10 h、溶解pH值为12、L-半胱氨酸浓度为0.248 M。在尿素单因素实验中,溶解率随着尿素含量的增加而逐渐降低,提取率逐渐增加,在2 M时这种变化趋势明显减弱,因此,尿素最佳浓度为2 M。该条件下,人发角蛋白的溶解率为91.46%,提取率为54.14%,得到的角蛋白包含17种主要氨基酸,GPC检测重均分子量为36 kDa,并对再生角蛋白的FTIR-ATR、XRD、Raman和C谱做了综合分析,得出再生过程中,角蛋白从α-螺旋结构部分转变为p-折叠结构。(2)本实验采用静电纺丝制备角蛋白/聚己内酯纳米纤维混合膜,当人发角蛋白的含量从0增加到60%,纺丝液的电导率从0.098 ms·cm-1增加到2.38ms·cm-1,黏度从1665.6 mPa·s减少至230.32 mPa · s,对应的纳米纤维的直径也随之从365 nm降至85 nm。另外,对纤维膜的应用性能进行测试,其强力从12.91MPa降低到2.31MPa,断裂伸长率从99.4%降低到23%,但静态水接触角逐渐降低,初始接触角的值降低了39.25°,相较于完全疏水的聚己内酯膜,在20 s内水就可完全渗入角蛋白混合膜,而且,角蛋白混合膜的热稳定性逐渐增加,最快降解温度从410℃降至396℃,降解速度从16.73%/min减小至8.4%/min。在对该材料进行XRD和FTIR-ATR分析时,得出机械强力的降低主要是由于角蛋白含量增加导致混合纳米纤维的结晶度下降。因此,选择人发角蛋白/聚己内酯的纺丝比例为40/60。(3)溶胶凝胶法制备六方晶系纤锌矿,晶粒尺寸为10 nm左右的氧化锌量子点,并利用超声法制备荧光纳米纤维膜,通过测试荧光纳米纤维膜的荧光光谱、扫描电镜和EDS证明吸附过程具有最佳浓度0.05 M,在该浓度下,超声时间5 min得到的荧光纳米纤维膜表面吸附有大量的ZnO NPs, Zn元素含量达到11.65%,且纤维形态保留完整,荧光发射强。进一步测试处理后膜的静态水接触角,证实相较于未处理的纤维膜,亲水性更好。且X射线衍射测试表明,ZnO NPs在表面的吸附不会改变膜的结晶结构,更不会引起降解,这说明,材料的力学性能得到了很好的保留。测试了纤维膜的紫外可见光吸收,其有两处吸收峰,360 nm处ZnO NPs吸收峰,280 nm处聚己内酯的C=O键吸收峰。将荧光纳米纤维膜置于不同浓度的P b2+、Sb2+的溶液中,发现,在不同浓度下,荧光的淬灭程度不同。在Pb2+溶液中,10 ppm (pH为3.01)时荧光完全不可见,Sb2+溶液中,100 ppb(pH为2.69)时完全不可见,这表明本实验制备的荧光纳米纤维膜在重金属检测方向的应用潜力。
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