一种壳聚糖水凝胶结构和成分分析的XPS分析测试方法

本发明涉及测量光电子光谱领域，尤其涉及一种壳聚糖水凝胶结构和成分分析的xps分析测试方法。

背景技术：

1、天然生物高分子吸附剂具有高效、低成本、环保等优点，近年来受到广泛关注。壳聚糖由甲壳素脱乙酰基制得(一般来说，壳聚糖中存在未完全脱乙酰基的甲壳素，如附图1(a-b)所示)，广泛存在于低等动物的甲壳中，是仅次于纤维素的第二大天然多糖。然而壳聚糖粉末在实际使用中存在机械性能差、在酸性溶液中化学稳定性低等缺点，严重限制了其应用范围。利用交联剂将壳聚糖粉末制备成壳聚糖水凝胶可以有效提高壳聚糖粉末的化学稳定性和机械稳定性。然而，交联后的壳聚糖水凝胶结构相当于一个“黑盒子”，现有研究中对壳聚糖水凝胶的结构和成分研究不够深入。以戊二醛为交联剂所制备的壳聚糖水凝胶为例，交联后，可能存在交联剂一端参与交联(后文简写为单接)所形成的壳聚糖水凝胶(如附图1(c)所示)，也可能存在交联剂两端参与交联(后文简写为双接)所形成的壳聚糖水凝胶(如附图1(d)所示)。水凝胶内部聚合物链的连接方式和舒展程度直接影响吸附性能，而现有研究中对壳聚糖水凝胶内部结构尚无相关研究，因此无法指导设计合理的水凝胶结构以进一步提高吸附性能。此外，现有研究中所提到的交联率指的是投料比，而水凝胶内部真实交联率往往不等于投料比，现有研究中尚无计算壳聚糖水凝胶内部真实交联率的方法，因此无法准确得知壳聚糖水凝胶的成分，无法合理地推测吸附机制。

2、现有技术确定壳聚糖水凝胶的结构和成分存在如下技术难度：

3、技术难度1：无法将交联剂与壳聚糖粉末的投料比当作交联率，来分析壳聚糖水凝胶的结构和成分。只有当交联剂添加量极少、可以确保交联剂完全参与交联反应时，投料比才等于交联率。当交联剂稍微过量时，未参与交联反应的交联剂会游离在壳聚糖水凝胶表面，用水清洗水凝胶后，这部分交联剂会随之流走，此时投料比不等于交联率，无法得知交联剂是否过量以及过量多少，因此交联剂的利用率难以确定，也无法判断壳聚糖水凝胶的结构和成分。

4、技术难度2：无法将计算接枝率的称重法应用到计算交联率中，来分析壳聚糖水凝胶的结构和成分。这是由于在水凝胶中，水以三种状态存在，即自由水、中间水和结合水。而水凝胶与结合水之间存在很强的相互作用，仅通过冻干或烘干无法除去结合水(如附图2所示)。与壳聚糖粉末相比，壳聚糖水凝胶质量增加的部分不仅包括交联引起的质量增加部分，还包括结合水引起的质量增加部分。

5、技术难度3：无法利用常规的检测方式如红外光谱、拉曼光谱、质谱等，来分析壳聚糖水凝胶的结构和成分。这是由于红外光谱、拉曼光谱以及质谱只能对高分子化合物的成分进行定性分析，无法确定材料内部结构单元的连接方式和各结构单元的组成成分。即使是核磁共振法也无法确定壳聚糖水凝胶的结构和成分。使用液体核磁测试壳聚糖水凝胶时，需要将其溶于氘代试剂中时，水凝胶中的结合水仍然存在，无法得到有效的测试结果；使用固体核磁测试壳聚糖水凝胶时，不仅需要更高的检测条件和性能指标，费时费力，而且从测试结果中也无法准确合理地获知壳聚糖水凝胶的结构和成分。

技术实现思路

1、针对上述技术问题及其技术难度，提出如下技术构思：

2、针对技术难度1和2：本发明没有将投料比当作交联率，也没有将称重法应用到计算交联率中来分析壳聚糖水凝胶的结构和成分，避免了计算过程中不确定的因素对计算结果准确性的影响。

3、针对技术难度3：本发明将x射线光电子能谱技术(xps)应用到壳聚糖水凝胶结构和成分的分析测试中。利用xps技术对壳聚糖水凝胶中各元素所处的化学环境进行测试，通过分峰拟合处理，依据元素中各类峰的峰面积确定该类峰的相对原子百分含量，进一步对壳聚糖水凝胶结构和成分进行准确分析。首先，对xps测试过程中的测试变量和分峰拟合参数进行优化，提高测试结果的准确性。其次，通过计算待测壳聚糖粉末和水凝胶的n1s xps谱图，建立二者之间的联系，确定了壳聚糖水凝胶中参与交联的壳聚糖结构单元数，明确了壳聚糖水凝胶的成分。然后，通过计算待测壳聚糖粉末和水凝胶的c1sxps谱图，建立二者之间的联系，确定了壳聚糖水凝胶中参与交联的壳聚糖结构单元中单接和双接的比值，进一步计算出单接和双接的具体值。最终，计算出壳聚糖水凝胶的脱乙酰度、单接交联率、双接交联率和总交联率，明确了壳聚糖水凝胶的结构，技术构思示意图如附图3所示。

4、为了实现本发明的目的，本发明采取如下技术方案：

5、一种壳聚糖水凝胶结构和成分分析的xps分析测试方法，本方法包括以下两部分内容：

6、第一部分 测试方法；

7、第二部分 分析方法：

8、步骤s200：计算交联前后n1s xps谱图中400.66ev处峰面积的最小公倍数，使交联前后的n1sxps谱图中各类n峰的峰面积均乘以该最小公倍数，将处理后的壳聚糖粉末n1sxps谱图中，398.85ev和400.66ev处的峰面积分别定义为pa1和pb1，处理后的壳聚糖水凝胶n1s xps谱图中，398.85ev、400.66ev和401.69ev处的峰面积分别定义为ha2、hb2和hc，其中，在峰面积hc中，单接交联的峰面积为hc1，双接交联的峰面积为hc2；

9、步骤s201：利用处理后的壳聚糖粉末和水凝胶n1s xps谱图中各类n峰的峰面积以及公式(1)：变化率(%)=100%×(ha2+hc-pa1)/pa1，计算交联前后壳聚糖中甲壳素的变化情况(即变化率)，当变化率小于5%时，进行后续步骤；

10、步骤s202：找到交联前后286.32ev处峰面积的最小公倍数，使交联前后的c1s xps谱图中各类c峰的峰面积均乘以该最小公倍数，将处理后的壳聚糖粉末c1s xps谱图中，284.80ev、286.32ev和288.00ev处的峰面积分别定义为pd1、pe1和pf1，处理后的壳聚糖水凝胶c1s xps谱图中，284.80ev、286.32ev和288.00ev处的峰面积分别定义为hd2、he2和hf2，在hd2中来自交联剂的峰面积为hi，在hf2中来自单接交联剂的峰面积为hh，将两组c1s xps谱图峰面积的绝对值相减，得到单接壳聚糖水凝胶与双接壳聚糖水凝胶的比值为hh/(hi-4hh)；

11、步骤s203：根据步骤s200中得到的单接和双接交联峰面积的总和hc，步骤s202中得到的单接和双接交联峰面积的比值hh/(hi-4hh)，将步骤s200中hc1和hc2转换为常数项；

12、步骤s204：设一个壳聚糖结构单元的分子量为k，则壳聚糖水凝胶中甲壳素的分子量hb3=hb2×(k+43-1)，壳聚糖水凝胶中未参与交联的壳聚糖的分子量ha3=ha2×k，壳聚糖水凝胶中单接壳聚糖的分子量hc3=hc1×(k+84-2)，壳聚糖水凝胶中双接壳聚糖的分子量hc4=hc2×(k+68-4)，壳聚糖水凝胶脱乙酰度、总交联率、单接交联率和双接交联率分别可以通过以下公式计算得出：

13、公式(2)：脱乙酰度=(1-hb3/ha3+hb3+hc3+hc4)×100%，

14、公式(3)：总交联率=(hc3+hc4/ha3+hb3+hc3+hc4)×100%，

15、公式(4)：单接交联率=(hc3/ha3+hb3+hc3+hc4)×100%，

16、公式(5)：双接交联率=(hc4/ha3+hb3+hc3+hc4)×100%。

17、技术说明

18、技术说明1：步骤s200中，壳聚糖粉末的n1s xps谱图中有两类峰，位于398.85ev和400.66ev，分别对应壳聚糖结构单元中的-nh2和甲壳素结构单元中的n-h。

19、技术说明2：步骤s200中，壳聚糖水凝胶的n1s xps谱图中有三类峰，位于398.85ev、400.66和401.69ev，分别对应壳聚糖结构单元中的-nh2、甲壳素结构单元中的n-h和交联后所形成的c=n，其中，当壳聚糖粉末交联形成壳聚糖水凝胶后，壳聚糖中的一部分-nh2参与交联反应转化成c=n(席夫碱)，甲壳素单元中的n-h键不参与交联反应，交联后形成的c=n键既包括单接所形成的壳聚糖水凝胶(如图1(c)所示)，也包括双接所形成的壳聚糖水凝胶(如图1(d)所示)。

20、技术说明3：在步骤s200中，计算交联前后400.66ev处峰面积的最小公倍数，并对交联前后的n1s xps谱图中各类n峰均乘以最小公倍数的原因是，400.66ev处的峰为壳聚糖中不参与交联反应的n-h键，以此峰面积为基准，可以建立壳聚糖粉末与壳聚糖水凝胶n1sxps谱图之间的联系。

21、技术说明4：在步骤s200中，401.69ev处的峰面积hc即为交联后新增的c=n键的峰面积，并且hc=hc1+hc2。

22、技术说明5：步骤s201中，当变化率大于5%时，不再适用于本方法。一般来说，存在于壳聚糖中的未完全脱乙酰基的甲壳素在交联反应过程中不会发生分解，但当交联反应过程非常剧烈或者壳聚糖水凝胶长时间放置后，甲壳素会发生分解。而使用本方法中步骤s200和步骤s202计算的前提是甲壳素基本不发生分解。

23、技术说明6：步骤s202中，壳聚糖粉末的c1s xps谱图中有三类峰，位于284.80ev、286.32ev和288.00ev，分别对应c-c、c-o/c-n和o-c-o/n=c=o，其中，由于c-o、c-n键化学环境接近，因此可将这两种c归为一类，由于o-c-o、n-c=o键化学环境接近，因此可将这两种c归为一类。分类参见(rodrigo s. vieira, mona lisa m. oliveira, eric guibal, etal. copper, mercury and chromium adsorption on natural and crosslinkedchitosanfilms： an xps investigation of mechanism[j].colloids and surfaces a：physico-chemical and engineering aspects, 2011, 374(20)： 108-114.)

24、技术说明7：步骤s202中，壳聚糖水凝胶的c1s xps谱图中有三类峰，位于284.80ev、286.32ev和288.00ev，分别对应c-c、c-o/c-n和o-c-o/n=c=o，其中，c-c来自壳聚糖和交联剂(包括单接中的交联剂(如图1(c)所示)和双接中的交联剂(如图1(d)所示))，c-o、c-n、o-c-o来自壳聚糖结构单元，n-c=o来自甲壳素结构单元，c=o来自壳聚糖水凝胶中单接的交联剂(如图1(c)所示)，c=n是交联反应过程中部分-nh2转化而来的，包括单接和双接所形成的(如图1(c-d)所示)。由于c-o、c-n、c=n键化学环境接近，因此可将这三种c归为一类，由于o-c-o、n-c=o、c=o键化学环境接近，因此可将这三种c归为一类。分类参见(trunghuu bui, woorim lee, seong-beom jeon, et al. enhanced gold(iii) adsorptionusingglutaraldehyde-crosslinked chitosan beads： effect of crosslinking degreeon adsorption selectivity, capacity, andmechanism[j]. separation andpurification technology, 2020, 248(1)： 116989.)

25、技术说明8：在步骤s202中，计算交联前后286.32ev处峰面积的最小公倍数，使交联前后的c1s xps谱图中各类c峰均乘以该最小公倍数的原因是286.32处的峰在交联前后总量不发生变化(c=n是由c-n转化而来的)，以此峰面积为基准，可以建立壳聚糖粉末与壳聚糖水凝胶c1s xps谱图之间的联系。

26、技术说明9：在步骤s202中所述284.80ev处的峰面积hd2包括壳聚糖中c-c键的峰面积和交联剂中c-c键的峰面积hi，其中，hi可以进一步分为来自单接壳聚糖水凝胶中交联剂和双接水凝胶中交联剂的峰面积。

27、技术说明10：在步骤s202中，将两组c1s xps谱图峰面积的绝对值相减可以得到交联后o-c-o/n-c=o/c=o(288.00ev)处峰面积hf2中新增c=o的具体值hh，其中c=o表示交联过程中单接的壳聚糖。

28、技术说明11：在步骤s202中，将两组c1s xps谱图峰面积的绝对值相减还可以得知交联后c-c峰面积hd2中新增c-c的具体值hi，其中，新增c-c包括单接壳聚糖水凝胶交联剂中的c-c和双接水凝胶交联剂中的c-c，结合已经计算出的c=o的具体值hh，并且在单接的壳聚糖水凝胶中，交联剂上的一个c=o对应4个c-c，则新增c-c键中来自单接水凝胶中交联剂c-c峰的峰面积为4hh，新增c-c键中来自双接壳聚糖水凝胶交联剂上c-c键的峰面积为hi-4hh，则在c1s xps谱图中，双接壳聚糖占总c1s xps谱峰面积为(hi-4hh)/(hd2+he2+hf2)，单接壳聚糖占总c1s xps谱峰面积为hh/(hd2+he2+hf2)，因此，单接壳聚糖水凝胶与双接壳聚糖水凝胶的比值为hh/(hi-4hh)。

29、技术说明12：在步骤s204中，壳聚糖水凝胶中甲壳素的分子量hb3=hb2×(k+43-1)的原因是，壳聚糖结构单元与甲壳素结构单元之间的区别是，壳聚糖是由甲壳素脱乙酰基得来的，也就是说甲壳素中的-nh-co-ch3转化为-nh2，其中-co-ch3的分子量为43；壳聚糖水凝胶中单接壳聚糖的分子量hc3=hc1×(k+84-2)的原因是，单接后，壳聚糖中的-nh2转化为-n=ch-ch2-ch2-ch2-cho，其中新增=ch-ch2-ch2-ch2-cho的分子量为84；壳聚糖水凝胶中双接壳聚糖的分子量hc4=hc2×(k+68-4)的原因是，双接后，两个壳聚糖结构单元中的-nh2转化为-n=ch-ch2-ch2-ch2-ch=n-，其中新增=ch-ch2-ch2-ch2-ch=的分子量为68。

30、有益效果

31、1. 本发明中通过对xps的测试变量和拟合参数优化，提高了测试结果的准确性。

32、2. 本发明利用xps技术对壳聚糖水凝胶的结构和成分进行分析，通过计算壳聚糖水凝胶内部真实的交联率，确定了壳聚糖水凝胶中参与交联的壳聚糖结构单元的分子量并进一步确定了壳聚糖水凝胶中不参与交联反应的甲壳素的分子量，明确了壳聚糖水凝胶的组成成分，为合理推测壳聚糖水凝胶与过渡金属离子之间的吸附机制奠定基础。

33、3. 本发明利用xps技术对壳聚糖水凝胶的结构成分进行分析，通过计算壳聚糖水凝胶参与交联的壳聚糖结构单元中单接交联率和双接交联率，明确了水凝胶内部聚合物链的连接方式，连接方式的不同决定了聚合物链舒展程度的不同，为设计合理的水凝胶结构以进一步提高吸附性能提供计算依据。