褐藻多糖水溶液介电特性与电模量研究：浓度效应及其在生物材料中的应用

本研究针对褐藻粗多糖水溶液的介电性能(ε′和ε′′)与电模量(M′和M′′)展开系统分析，通过阻抗谱技术揭示了浓度对电极极化效应和离子传导机制的影响，发现5%(w/v)为临界缠结浓度，为生物传感器和药物载体等功能材料设计提供了关键电学参数依据。

　　

在可持续材料科学快速发展的今天，天然生物聚合物因其环境友好性和多功能性成为研究热点。褐藻等海洋生物合成的多糖（如岩藻糖化多糖fucoidans和海藻酸盐alginates）因其独特的电化学特性，在食品包装、生物医药和能源存储领域展现出巨大潜力。然而，这些粗多糖在天然离子状态下的介电行为（dielectric behavior）与电荷传输机制尚未明确，特别是浓度效应对其电学性能的影响缺乏系统研究，这严重制约了其在高精度生物电子器件中的应用。

针对这一科学问题，来自摩洛哥的研究团队在《Journal of Molecular Liquids》发表了创新性成果。研究人员采用阻抗谱（impedance spectroscopy）技术，结合高分辨离子色谱（HPAEC-PAD）和红外光谱分析，首次揭示了褐藻粗多糖水溶液在0.1-10⁶ Hz频率范围内的介电弛豫（dielectric relaxation）规律。研究发现，低频率区（<10³ Hz）的ε′和ε′′强烈依赖浓度变化，这源于电极极化（electrode polarization）效应；而高频区（>10⁵ Hz）则反映离子传导（ionic conduction）机制。通过引入电模量分析（M* = 1/ε*），团队成功剥离了电极干扰，发现5%(w/v)浓度时出现明显的聚合物链缠结（chain entanglement）特征，这为调控材料导电性提供了定量依据。

关键技术方法包括：1）从摩洛哥El Jadida海岸采集褐藻提取粗多糖；2）采用HPAEC-PAD分析单糖组成，红外光谱鉴定官能团；3）宽频介电阻抗谱测量ε*(ω)和M*(ω)；4）等效电路模型解析弛豫过程。

【Structural analysis】部分显示，样品含25%摩尔比的岩藻糖（fucose）和大量糖醛酸（uronic acid），钾离子含量显著，这种特殊组成导致独特的介电响应。【High-performance anion-exchange chromatography】数据证实样品富含硫酸化岩藻糖单元，这与其在低频区表现出的强介电损耗（ε′′峰值）直接相关。【Conclusion】指出：在中等频率区观察到的双弛豫过程分别对应离子迁移（ionic hopping）和偶极子重排（dipole rearrangement），而浓度超过5%时出现的模量峰位移表明聚合物网络形成。

该研究的突破性在于：首次建立褐藻多糖浓度-介电性能定量关系，提出电模量分析可有效消除电极极化伪影（M′′峰值比ε′′更准确反映本体弛豫），发现5%浓度是电学性能突变的临界点。这项工作不仅为海洋多糖基功能材料的电学性能调控提供了理论框架，其建立的ε′/ε′′与M′/M′′协同分析方法，更为复杂生物聚合物体系的电化学表征树立了新范式。正如通讯作者Reddad El Moznine强调的，这种天然离子-多糖协同体系在可穿戴生物传感器和环境响应材料中具有独特优势，未来可通过调控硫酸基团含量进一步优化介电损耗特性。