核磁、红外、紫外……水凝胶化学结构表征方法你了解多少？
“结构决定性质，性质反映结构”，有关水凝胶的课题，通常需要从微观的化学结构角度研究和解释其宏观的材料学性质（如机械和生物性能等）。而洞察材料的化学结构依赖于各种表征手段，这对于非相关专业的研究人员有较高的门槛。论文中各种抽象的谱图往往让人一头雾水，常出现照葫芦画瓢，不知然也不知其所以然的情况。
本期，EFL带大家了解水凝胶常见化学结构表征方法（核磁、红外、紫外、XRD和GPC等）的简要原理及用途，让非相关专业研究人员能更好地读懂这些测试结果。
一
核磁、红外、紫外、质谱（四大光谱）
1. 核磁共振波谱法（NMR）
测试原理：核磁共振谱上的共振信号位置反映样品分子的局部结构（如官能团等），常用的H谱、C谱等可得到样品分子中H的种类、杂化类型等。
图1 核磁（特征峰-双键峰的出现）验证甲基丙烯酰化明胶（GelMA）及甲基丙烯酸缩水甘油酯进一步改性GelMA（GelMAGMA）的合成成功[1]
2. 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）
测试原理：是由于化合物分子中成键原子振动能级跃迁时吸收特定波长的红外光而产生的吸收光谱，主要用于结构分析、定性鉴别及定量分析。
图2 利用酰腙键反应，通过醛基化的PEG（PEG-CHO）和己二酰肼修饰的海藻酸钠（Alg-ADH）制备得到自愈合水凝胶。通过FT-IR解释所制备自愈合水凝胶自愈合的机理问题[2]
3. 紫外可见吸收光谱（UV-Vis）
测试原理：物质分子吸收一定的波长的紫外或可见光时，分子中的价电子会从低能级跃迁到高能级而产生的吸收光谱。
图3 多巴胺和海藻酸盐结合率的测定：(a) 海藻酸盐和海藻酸盐-多巴胺的化学结构；(b) 不同浓度（0.2-3.0 mM）多巴胺的UV-Vis图；(c)多巴胺溶液的标准曲线；(d) 海藻酸盐-多巴胺（1 mg/mL）溶液的UV-Vis图[3]
4. 质谱（MS）
测试原理：通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比(m/z)大小进行分离记录。
图4 没食子酸自聚合为聚没食子酸的质谱表征[4]
测试目的：四大光谱测试学中，核磁、红外、紫外、质谱测试或单独，或协同对水凝胶设计中相关的活性官能团（-C=C-、-NH2、-COOH、-CHO、等）进行分析，可根据NMR图谱对构成水凝胶前驱体的大分子聚合物或小分子交联剂、引发剂和负载小分子等进行化学接枝率、药物负载率、成胶可能性等的分析。
二
凝胶渗透色谱（GPC）
测试原理：利用高度多孔性的、非离子型的凝胶小球将溶液中多分散的聚合物逐级分开，配合分子量检测器使用即可得到分子量分布。
测试目的：对水凝胶设计中前驱体聚合物分子量及其分布或聚合物的支化度、共聚物及共混物的组成等进行分析。
图5 GPC探究黑磷 (BP)与热敏水凝胶(PDLLA-PEG-PDLLA)（BP @PLEL）的降解性能：a) 照片和 b) BP@PLEL水凝胶在不同时间段（0、2、4、6 和 8 d）的UV-Vis光谱；c) BP@PLEL水凝胶中共聚物在 0、2、4、6 和 8 周后的GPC曲线（向右箭头表示分子量降低，虚线圆圈表示出现小分子量的降解产物）[5]
三
X射线衍射仪（XRD）
测试原理：利用X射线与晶体之间的衍射作用确定晶体结构。
测试目的：对水凝胶设计中前驱体聚合物的晶体结构（如丝素蛋白、胶原蛋白等含有晶体结构的天然大分子）或负载的纳米粒子（如生物玻璃、羟基磷灰石等）等进行晶体结构的分析。
图6 研究者利用水溶性丝素蛋白构建抗癌药物载体，通过XRD探究脱胶蚕丝（SFF）、水溶性蚕丝（LSF）及载药丝素纳米粒子（Sal-SF-NPs）的晶体结构变化（相比SFF，LSF及Sal-SF-NPs中没有观察到2θ=20.19°的β-折叠结晶峰）；Sal-SF-NPs中，盐霉素（Sal）的强峰不明显，这证明Sal以无定形状态封装在NPs 中）[6]
EFL小贴士
以上从简要原理角度介绍了各种测试手段，这些手段只是科学研究的工具，是“术”。而一个研究课题，不是简单的测试数据堆砌，要根据待说明的问题，选取合适的表征手段，从原理及逻辑严谨性上阐述自己的观点。这样，才能进入“道”的境界。
下一期，EFL将引用多个研究实例，讲解不同类型的水凝胶课题该如何运用以上表征手段，敬请期待。
参考文献：
[1] Li X, Zhang J, Kawazoe N, et al. Fabrication of highly crosslinked gelatin hydrogel and its influence on chondrocyte proliferation and phenotype[J]. Polymers, 2017, 9(8): 309.
[2] Qiao L, Liu C, Liu C, et al. Self-healing alginate hydrogel based on dynamic acylhydrazone and multiple hydrogen bonds[J]. Journal of Materials Science, 2019, 54(11): 8814-8828.
[3] Cao Y, Xue B, Gu J, et al. Hydrogel tapes for fault-tolerant strong wet adhesion[J]. Nature Communications, 2021, 12(1): 1-12.
[4] Jiang Y, Zhang X, Zhang W, et al. Infant Skin Friendly Adhesive Hydrogel Patch Activated at Body Temperature for Bioelectronics Securing and Diabetic Wound Healing [J]. ACS Nano, 2022. https://doi.org/10.1021/acsnano.2c00662
[5] Shao J, Ruan C, Xie H, et al. Black-Phosphorus-Incorporated Hydrogel as a Sprayable and Biodegradable Photothermal Platform for Postsurgical Treatment of Cancer[J]. Advanced Science, 2018, 5(5):1700848.
[6] Wu P, Liu Q, Wang Q, et al. Novel silk fibroin nanoparticles incorporated silk fibroin hydrogel for inhibition of cancer stem cells and tumor growth[J]. International Journal of Nanomedicine, 2018, Volume 13:5405-5418.