2.2　甲殼素納米晶

2.2.1　甲殼素納米晶的制備

2.2.1.1　酸水解提取甲殼素納米晶

與纖維素納米晶的提取方法有所不同，由于甲殼素納米晶來源于生物組織，含有蛋白質和有機化合物等雜質^［114］，因此在提取甲殼素納米晶之前需要對甲殼素原料進行純化除去雜質。通常提取甲殼素納米晶的方法是利用強酸水解，然后利用機械分解產物^{［115， 116］}：將甲殼素懸浮在堿性溶液中（一般為5%KOH 溶液^{［117， 118］}或0.5mol/L NaOH溶液^［119］），在室溫下攪拌一夜除去所含的大部分蛋白質和其他雜質；然后懸浮液用蒸餾水洗滌過濾幾次；得到的固體在適當的溫度下用NaClO₂和CH₃COONa緩沖溶液漂白處理一定的時間；最后將漂白后的懸浮液浸泡在KOH溶液中除去殘留的蛋白質，離心得到純化的甲殼素。通常甲殼素與酸添加量的比率為1∶30（g/mL），用鹽酸在煮沸的條件下攪拌水解純化甲殼素一定的時間則得到甲殼素納米晶的懸浮液^{［117， 118， 120， 121］}，水解得到懸浮液離心洗滌幾次，并在蒸餾水中透析至pH為4，最后甲殼素納米晶的懸浮液超聲分散處理，在6℃下冷藏，并加入疊氮化鈉抑制細菌的繁殖^［117］。與纖維素納米晶一樣，甲殼素納米晶也是一種棒狀結構，而且不同來源對甲殼素納米晶的結構、形態以及尺寸會有一定的影響。圖2.24所示為由蟹殼和蝦殼提取的甲殼素納米晶的透射電鏡（TEM）照片。從圖中可看出蟹殼和蝦殼甲殼素納米晶的形態較為相似，均為棒狀納米晶，僅在尺寸上存在略微差別。

2.2.1.2　TEMPO氧化法提取甲殼素納米晶

TEMPO氧化法提取甲殼素納米晶的步驟為：首先將甲殼素添加到含有TEMPO和溴化鈉的蒸餾水中，再加入一定量的NaClO溶液開始氧化，在室溫下持續滴加0.5mol/L NaOH溶液使懸浮液pH一直保持為10；當反應體系不再消耗NaOH時，添加少量的乙醇終止氧化反應；然后用HCl溶液調整懸浮液的pH為7，離心保留固體物質，用蒸餾水洗滌、離心，重復幾次。最后，將甲殼素納米晶懸浮液在4℃下保存。圖2.25所示為不同NaClO含量制備的甲殼素納米晶的TEM照片^［7］，發現當添加的NaClO與甲殼素的比率為2.5mmol/g時，絕大部分棒狀的甲殼素納米晶聚集成較大的束狀物；隨著NaClO含量增加到5.0mmol/g（每1g甲殼素），盡管懸浮液中仍然存在甲殼素納米晶的束狀物，但是單個甲殼素納米晶的數量增加了；當NaClO與甲殼素的添加比率為10.0mmol/g時，懸浮液中出現更多的單個甲殼素納米晶，但是其長度明顯變短。相比較于鹽酸水解提取的甲殼素納米晶，TEMPO氧化法得到的甲殼素納米晶保留了原始甲殼素的晶體結構和結晶度，而且在其制備過程中也不發生脫乙酰化反應^［7］。

2.2.2　甲殼素納米晶的結構與性質

2.2.2.1　甲殼素納米晶的結構與剛性

一般而言，由節肢動物表皮和菌類細胞壁提取的甲殼素微纖維的直徑為2.5～2.8nm，而來源于甲殼類動物表皮的甲殼素微纖維直徑高達25nm^［115］。天然的甲殼素是結晶型的聚合物，根據來源不同分為三種晶體結構（α、β、γ）^{［122， 123］}。然而甲殼素的γ-晶體結構通常是由甲殼素的α-晶體結構轉變得到的^［124］。圖2.26所示為α-甲殼素和β-甲殼素結構^［125］。為了提取出高度結晶的甲殼素納米晶，必須除去甲殼素中的蛋白質和低結晶性組分。甲殼素納米晶是一種原子排列高度有序和高強度、高模量的晶體，一般其徑向模量在150GPa左右，橫向模量大約為15GPa^［116］。表2.3歸納了不同來源和提取方法制備的甲殼素納米晶基本的結構參數、結晶度和形態。

2.2.2.2　甲殼素納米晶懸浮液的性質

如纖維素納米晶一樣，由于甲殼素納米晶表面的氨基發生質子化出現的正電荷（N）使得酸水解提取的甲殼素納米晶懸浮液也表現出雙折射現象，如圖2.27所示^［118］。對甲殼素納米晶、水和丙烯酸三元體系的相行為進行研究^［130］，發現在甲殼素納米晶的濃度為6.41%、丙烯酸的濃度為3.74%（質量分數）時，可觀察到甲殼素納米晶懸浮液表現出膽甾紋理結構，如圖2.28（a）所示^［130］。甲殼素納米晶的濃度不變時，隨著丙烯酸濃度的增加，盡管能觀察到穩定的流動雙折射玻璃相，但是由于體系黏度的增加，指紋紋理結構不再明顯，如圖2.28（b）～（e）所示^［130］。而當甲殼素納米晶的濃度增加到10.7%時，懸浮液表現出各向異性相和雙折射現象，如圖2.28（f）所示^［130］。

此外，甲殼素納米晶的濃度、離子強度和pH均會影響其懸浮液的雙折射性質^［131］。例如，隨著甲殼素納米晶濃度的增加，其懸浮液逐漸具有一種向列凝膠狀性質，這主要是因為甲殼素納米晶之間相互作用的影響導致的。如圖2.29（a）所示^［131］，質量分數為2.4%的甲殼素納米晶懸浮液幾乎沒有或者僅有輕微的雙折射現象；當甲殼素納米晶濃度增加到3.6%和4.6%時，懸浮液可明顯觀察到雙折射現象，但沒有明顯的膽甾醇型結構，可能是由于網絡結構的形成阻礙了有序粒子的聚集^［132］。同樣，隨著離子強度和pH的增加，甲殼素納米晶間的相互作用增強，形成了更強凝膠。例如，甲殼素納米晶濃度為1.8%的懸浮液沒有雙折射現象，當向懸浮液中分別加入15mmol/L和100mmol/L的NaCl時，都表現出雙折射性質，如圖2.29（b）所示^［131］。當濃度為1.8%的甲殼素納米晶懸浮液的pH為3.0時，沒有明顯的雙折射現象；然而，pH接近甲殼素納米晶懸浮液的等電點（6.3）^［115］時，可明顯觀察到懸浮液的雙折射向列結構，如圖2.29（c）所示^［131］。