静电纺丝制备聚合物纳米纤维膜及其在指纹识别中的应用

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作为生物识别方法的一种,指纹识别已发展了一百多年,今天它仍然被作为个人身份识别的一个重要标志。在人们认识了每个人指纹的独特性以后,指纹识别从人们的日常生活到国家的特殊场所,已得到了广泛的应用,比如,访问控制,医学检测,罪行确认,法医调查等领域。一般认为,潜指纹具有更大的价值,但它需要通过各种快速有效的方法去显现它。至今,人们将识别指纹的方法主要分为三大类:一是光谱法如荧光,紫外照射,激光,质谱和红外吸收等;二是物理法如小颗粒试剂法,包括粉尘法以及金属沉积等;三是化学法如碘元素,茚三酮及其衍生物等。基于此,本文以简单的聚合物为原料,采用静电纺丝手段,快速制备了在潜指纹识别领域具有实际应用的纳米纤维膜。  首先,我们制备了PLA/PGMA/荧光素纳米纤维膜对指纹显示的作用。通过自由基聚合法,我们制备了聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(Poly glycidyl methacrylate,PGMA),FT-IR光谱和GPC测试分别分析了产物PGMA的结构和分子量及其分布;以聚乳酸(Poly lactic acid, PLA)/PGMA混合聚合物基底,掺杂荧光素,制备了PLA/PGMA/荧光素纳米纤维膜,并探究PLA/PGMA质量比,溶液流速和供给电压对纤维形貌的影响;将PLA/PGMA/荧光素纳米纤维膜用于指纹显示,结合指纹照片,SEM图和荧光性能表征,我们探索了其显现机理并提出释放诱导响应机理;以PLA/PGMA/荧光素纳米纤维膜为承印物,我们通过丝网印刷对膜进行图案化,用释放诱导响应机理进行了解释,并且,通过不同胺类的响应图案化,发现膜的荧光图案颜色对pH敏感。该工作便捷了个人身份识别,在法医科学,分子识别和微型反应器领域有巨大的实际意义。  其次,我们探究了聚合物乳液为基底时,荧光素释放诱导响应的过程。以聚氨酯乳液(Polyurethane emulsion,PUE)为主体,添加可纺性较强的聚乙烯醇(Poly vinyl alcohol,PVA)和聚环氧乙烷(Poly ethylene oxide,PEO),将混合物制备成纳米纤维膜,发现PUE/PEO的纳米纤维形貌更好,对PUE/PEO质量比进行调节发现,当PUE/PEO为13/0.2时,制备的PUE/PEO纳米纤维具有良好的形貌;水接触角测试发现,PUE/PEO纳米纤维膜的疏水性不及PLA/PGMA纳米纤维膜;荧光光谱测试发现,PUE/PEO/纳米纤维膜的荧光性能较强,且远超PLA/PGMA纳米纤维膜;将PUE/PEO/荧光素纳米纤维膜用于指纹显示,看不出指纹曲线,结合SEM图分析,我们认为是PUE/PEO/荧光素纳米纤维膜的释放诱导响应不灵敏导致的;以PUE/PEO荧光素纳米纤维膜为承印物,通过丝网印刷获得荧光图案,荧光光谱说明该纳米纤维中荧光素的释放程度不强,甚至出现了荧光强度降低的现象。  最后,我们利用茚三酮与氨基酸特殊的显色反应,探究了PVA/茚三酮纳米纤维膜对指纹的显示作用。将茚三酮掺杂到聚己内酯(polycaprolactone,PCL),PLA和PVA中静电纺丝发现,茚三酮与PVA的相容性最好,并且PVA的浓度为10%的PVA时,制备的PVA/茚三酮纳米纤维具有良好的纤维形貌;通过对放置不同时间的PVA/茚三酮纤维膜表征,我们对自交联过程进行了研究;将PVA/茚三酮纳米纤维膜用于指纹显示,直观的照片显示脊线区颜色变咖啡色,与原来膜的颜色形成强烈的对比,进而清晰的显示出指纹曲线,SEM图说明脊线区域发生了局部的交联,据此,我们提出释放及反应释放诱导响应机理;以PVA/茚三酮纳米纤维膜为承印物,通过丝网印刷获得图案,但未见Ruhemann紫,也未见其他颜色变化。PVS/茚三酮纳米纤维膜为指纹显示提出了一种新的思路,在身份识别,法医检测等领域中具有潜在的应用前景。
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