2.2 甲壳素纳米晶
2.2.1 甲壳素纳米晶的制备
2.2.1.1 酸水解提取甲壳素纳米晶
与纤维素纳米晶的提取方法有所不同，由于甲壳素纳米晶来源于生物组织，含有蛋白质和有机化合物等杂质［114］，因此在提取甲壳素纳米晶之前需要对甲壳素原料进行纯化除去杂质。通常提取甲壳素纳米晶的方法是利用强酸水解，然后利用机械分解产物［115， 116］：将甲壳素悬浮在碱性溶液中（一般为5%KOH 溶液［117， 118］或0.5mol/L NaOH溶液［119］），在室温下搅拌一夜除去所含的大部分蛋白质和其他杂质；然后悬浮液用蒸馏水洗涤过滤几次；得到的固体在适当的温度下用NaClO2和CH3COONa缓冲溶液漂白处理一定的时间；最后将漂白后的悬浮液浸泡在KOH溶液中除去残留的蛋白质，离心得到纯化的甲壳素。通常甲壳素与酸添加量的比率为1∶30（g/mL），用盐酸在煮沸的条件下搅拌水解纯化甲壳素一定的时间则得到甲壳素纳米晶的悬浮液［117， 118， 120， 121］，水解得到悬浮液离心洗涤几次，并在蒸馏水中透析至pH为4，最后甲壳素纳米晶的悬浮液超声分散处理，在6℃下冷藏，并加入叠氮化钠抑制细菌的繁殖［117］。与纤维素纳米晶一样，甲壳素纳米晶也是一种棒状结构，而且不同来源对甲壳素纳米晶的结构、形态以及尺寸会有一定的影响。图2.24所示为由蟹壳和虾壳提取的甲壳素纳米晶的透射电镜（TEM）照片。从图中可看出蟹壳和虾壳甲壳素纳米晶的形态较为相似，均为棒状纳米晶，仅在尺寸上存在略微差别。
图2.24 由（a）蟹壳［118］和（b）虾壳［2］提取的甲壳素纳米晶的透射电镜（TEM）照片
2.2.1.2 TEMPO氧化法提取甲壳素纳米晶
TEMPO氧化法提取甲壳素纳米晶的步骤为：首先将甲壳素添加到含有TEMPO和溴化钠的蒸馏水中，再加入一定量的NaClO溶液开始氧化，在室温下持续滴加0.5mol/L NaOH溶液使悬浮液pH一直保持为10；当反应体系不再消耗NaOH时，添加少量的乙醇终止氧化反应；然后用HCl溶液调整悬浮液的pH为7，离心保留固体物质，用蒸馏水洗涤、离心，重复几次。最后，将甲壳素纳米晶悬浮液在4℃下保存。图2.25所示为不同NaClO含量制备的甲壳素纳米晶的TEM照片［7］，发现当添加的NaClO与甲壳素的比率为2.5mmol/g时，绝大部分棒状的甲壳素纳米晶聚集成较大的束状物；随着NaClO含量增加到5.0mmol/g（每1g甲壳素），尽管悬浮液中仍然存在甲壳素纳米晶的束状物，但是单个甲壳素纳米晶的数量增加了；当NaClO与甲壳素的添加比率为10.0mmol/g时，悬浮液中出现更多的单个甲壳素纳米晶，但是其长度明显变短。相比较于盐酸水解提取的甲壳素纳米晶，TEMPO氧化法得到的甲壳素纳米晶保留了原始甲壳素的晶体结构和结晶度，而且在其制备过程中也不发生脱乙酰化反应［7］。
图2.25 不同NaClO含量制备的甲壳素纳米晶的TEM照片［7］
2.2.2 甲壳素纳米晶的结构与性质
2.2.2.1 甲壳素纳米晶的结构与刚性
一般而言，由节肢动物表皮和菌类细胞壁提取的甲壳素微纤维的直径为2.5～2.8nm，而来源于甲壳类动物表皮的甲壳素微纤维直径高达25nm［115］。天然的甲壳素是结晶型的聚合物，根据来源不同分为三种晶体结构（α、β、γ）［122， 123］。然而甲壳素的γ-晶体结构通常是由甲壳素的α-晶体结构转变得到的［124］。图2.26所示为α-甲壳素和β-甲壳素结构［125］。为了提取出高度结晶的甲壳素纳米晶，必须除去甲壳素中的蛋白质和低结晶性组分。甲壳素纳米晶是一种原子排列高度有序和高强度、高模量的晶体，一般其径向模量在150GPa左右，横向模量大约为15GPa［116］。表2.3归纳了不同来源和提取方法制备的甲壳素纳米晶基本的结构参数、结晶度和形态。
图2.26 （a）α-甲壳素和（b）β-甲壳素的晶体结构［125］
表2.3 不同的来源和提取方法制备的甲壳素纳米晶基本的结构参数、结晶度和形态
2.2.2.2 甲壳素纳米晶悬浮液的性质
如纤维素纳米晶一样，由于甲壳素纳米晶表面的氨基发生质子化出现的正电荷（N
）使得酸水解提取的甲壳素纳米晶悬浮液也表现出双折射现象，如图2.27所示［118］。对甲壳素纳米晶、水和丙烯酸三元体系的相行为进行研究［130］，发现在甲壳素纳米晶的浓度为6.41%、丙烯酸的浓度为3.74%（质量分数）时，可观察到甲壳素纳米晶悬浮液表现出胆甾纹理结构，如图2.28（a）所示［130］。甲壳素纳米晶的浓度不变时，随着丙烯酸浓度的增加，尽管能观察到稳定的流动双折射玻璃相，但是由于体系黏度的增加，指纹纹理结构不再明显，如图2.28（b）～（e）所示［130］。而当甲壳素纳米晶的浓度增加到10.7%时，悬浮液表现出各向异性相和双折射现象，如图2.28（f）所示［130］。
图2.27 通过正交尼科尔棱镜观察到的甲壳素纳米晶悬浮液的双折射现象［118］
图2.28 甲壳素纳米晶/丙烯酸液晶相的偏正光学显微图［130］
此外，甲壳素纳米晶的浓度、离子强度和pH均会影响其悬浮液的双折射性质［131］。例如，随着甲壳素纳米晶浓度的增加，其悬浮液逐渐具有一种向列凝胶状性质，这主要是因为甲壳素纳米晶之间相互作用的影响导致的。如图2.29（a）所示［131］，质量分数为2.4%的甲壳素纳米晶悬浮液几乎没有或者仅有轻微的双折射现象；当甲壳素纳米晶浓度增加到3.6%和4.6%时，悬浮液可明显观察到双折射现象，但没有明显的胆甾醇型结构，可能是由于网络结构的形成阻碍了有序粒子的聚集［132］。同样，随着离子强度和pH的增加，甲壳素纳米晶间的相互作用增强，形成了更强凝胶。例如，甲壳素纳米晶浓度为1.8%的悬浮液没有双折射现象，当向悬浮液中分别加入15mmol/L和100mmol/L的NaCl时，都表现出双折射性质，如图2.29（b）所示［131］。当浓度为1.8%的甲壳素纳米晶悬浮液的pH为3.0时，没有明显的双折射现象；然而，pH接近甲壳素纳米晶悬浮液的等电点（6.3）［115］时，可明显观察到悬浮液的双折射向列结构，如图2.29（c）所示［131］。
图2.29 不同条件下（浓度、电解质浓度和pH）甲壳素纳米晶悬浮液的偏正光学显微图片［131］
（a）甲壳素纳米晶的浓度；（b）NaCl的浓度；（c）pH