溫度響應(yīng)高分子微凝膠的水相制備與表征
——介紹一個大學(xué)化學(xué)綜合實驗

張來英，蘭如月，劉志紅，吳偉泰

廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門 361005

隨著創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的不斷推進(jìn)，學(xué)生在掌握專業(yè)課程基礎(chǔ)知識的同時，更需要緊跟科研前沿和結(jié)合社會需求，鍛煉學(xué)科交叉融合意識，培養(yǎng)科研創(chuàng)新思維。在學(xué)生修讀完基礎(chǔ)課程后，開設(shè)多學(xué)科交叉的融合科技前沿的綜合化學(xué)實驗，有利于創(chuàng)新性人才培養(yǎng)。

高分子凝膠是一類具有交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、在溶劑中溶脹而不溶解的高分子材料，是軟物質(zhì)前沿探索對象之一。在納微米科學(xué)爆炸式發(fā)展趨勢下，將凝膠顆粒粒徑控制在納微米級以制得微凝膠(IUPAC-2007最新定義粒徑在0.1-100 μm)，顯得極為重要。高分子微凝膠兼具高分子與膠體性質(zhì)，在食品、生物醫(yī)藥等方面得到廣泛應(yīng)用，賦予其智能響應(yīng)特性是前沿?zé)狳c之一，在生物傳感器、物質(zhì)運輸?shù)阮I(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

在本綜合實驗中，將研究起步較早、受廣泛關(guān)注且較深入而已有較多驗證的溫度響應(yīng)微凝膠作為實驗體系，并以被譽為溫度響應(yīng)聚合物“黃金標(biāo)準(zhǔn)”的聚合物——聚異丙基丙烯酰胺(poly(N-isopropylacrylamide))——作為具體實驗對象，設(shè)計能夠在一定程度上反映刺激響應(yīng)微凝膠等新知識的實驗。

1 實驗?zāi)康?/h2>

(1) 學(xué)習(xí)和掌握高分子化學(xué)知識，掌握自由基聚合的操作過程。

(2) 了解高分子微凝膠制備的基本方法。

(3) 學(xué)習(xí)高分子物理知識，了解動態(tài)激光光散射法的原理及其在高分子研究中的運用。

2 實驗原理

高分子微凝膠的制備方法主要包括：單體聚合法、高分子交聯(lián)法、納微米制造加工法。其中，單體聚合法具有重要位置，主要分為均相、異相聚合法。均相單體聚合法往往要求在極稀溶液中進(jìn)行，其形成微凝膠的原理主要基于適當(dāng)聚合后的高分子鏈可隨溶劑性質(zhì)變差而從一個溶脹的無規(guī)線團(tuán)蜷縮成一個熱力學(xué)穩(wěn)定的單鏈小球；異相單體聚合法往往通過添加乳化劑來構(gòu)建受限反應(yīng)空間，避免長程網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以形成微凝膠。

溫度響應(yīng)高分子微凝膠主要使用異相單體聚合法，并可以通過含特定官能團(tuán)單體的自由基聚合來制備。聚(N-異丙基丙烯酰胺) (poly(N-isopropylacrylamide))是一種被譽為溫度響應(yīng)聚合物“黃金標(biāo)準(zhǔn)”的聚合物。通過 N-異丙基丙烯酰胺單體與適當(dāng)交聯(lián)劑等在引發(fā)劑引發(fā)下制備獲得的聚(N-異丙基丙烯酰胺)微凝膠，是研究起步較早且受廣泛關(guān)注的溫度響應(yīng)高分子微凝膠[1,2]，其聚合反應(yīng)如式(1)所示。

在制備獲得溫度響應(yīng)高分子微凝膠之后，可以通過測試不同溫度下微凝膠的尺寸來表征溫度響應(yīng)微凝膠體積變化特性。由于溫度響應(yīng)微凝膠體積變化往往伴隨著折射率等物理化學(xué)性質(zhì)變化，也可以通過測試不同溫度下微凝膠稀溶液透過率來反映溫度響應(yīng)微凝膠體積變化特性。本實驗中，使用紫外-可見分光光度計測試微凝膠稀溶液透過率，并采用動態(tài)激光光散射儀器來測試微凝膠的尺寸和粒徑分布。

動態(tài)激光光散射法(dynamic light scattering，DLS)，也稱光子相關(guān)光譜(photon correlation spectroscopy，PCS)或者準(zhǔn)彈性光散射(quasi-elastic scattering)，是通過測量樣品散射光強度起伏的變化來得出樣品顆粒大小信息的一種方法。DLS方法測量粒子粒徑，具有準(zhǔn)確、快速、可重復(fù)性好等優(yōu)點，已經(jīng)成為納米科技中比較常規(guī)的一種表征方法[3]。

動態(tài)激光光散射儀器的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 動態(tài)激光光散射儀器的結(jié)構(gòu)原理圖

光在傳播時若碰到顆粒，一部分光會被吸收，一部分光會被散射掉。如果顆粒靜止不動，散射光發(fā)生彈性散射時，能量頻率均不變。但是，樣品中的顆粒不停地做布朗運動(Brownian motion)，正是這種運動導(dǎo)致光強的波動，使散射光產(chǎn)生多普勒頻移。動態(tài)激光光散射方法就是根據(jù)這種微小的頻率變化來測量溶液中顆粒的擴散系數(shù)D。根據(jù)Stokes-Einstein方程(式(2))：

式中，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，η為溶液的粘滯系數(shù)，當(dāng)擴散系數(shù)D一定時，由于實驗樣品溶劑、溫度是確定的，擴散的快慢只與平均流體動力學(xué)直徑＜Dh＞有關(guān)，由此可求出顆粒的平均流體動力學(xué)直徑＜Dh＞。

3 實驗儀器和試劑

3.1 實驗儀器

恒溫磁力攪拌器，標(biāo)準(zhǔn)磨口三頸瓶(100 mL/19# mm × 3)，球形冷凝器(300 mm/19# mm)，磁子，玻璃具塞(19# mm)，橡膠塞，燒杯(5 mL)，玻璃攪棒(250 mm)，移液槍(1 mL)，一次性滴管。

高速離心機(TG16-WS臺式，湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司)；紫外-可見分光光度計(Thermo Sxientific公司，Multiskan GO全波長酶標(biāo)儀)；動態(tài)激光光散射儀器(BI-200SM, Brookhaven公司)。

3.2 實驗試劑

N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM，98%，阿拉丁，需冷藏)，N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAAm，99%，阿拉丁，需冷藏)，十二烷基硫酸鈉(SDS，99%，SIGMA)，過硫酸鉀(99.99%，阿拉丁)。

4 實驗步驟

4.1 溫度響應(yīng)高分子微凝膠的制備

(1) 在裝有攪拌器、冷凝器和氮氣連通器的三頸瓶中，加入45.0 mL去離子水，依次加入N-異丙基丙烯酰胺0.8 g、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺0.05 g、十二烷基硫酸鈉0.03 g。仔細(xì)調(diào)節(jié)攪拌速率，使單體溶解。

(2) 在攪拌條件下，通氮氣0.5 h。

(3) 稱取過硫酸鉀0.05 g，溶解于5.0 mL蒸餾水中。將該過硫酸鉀溶液加入到三頸瓶中。

(4) 升溫至 80 °C，保溫 3 h。

(5) 撤去熱源，冷卻至40 °C以下。

(6) 冷卻后，進(jìn)行純化：將樣品移至離心管，用高速離心機進(jìn)行離心分離；倒去上層清液，下層產(chǎn)物重新分散于50.0 mL去離子水中。如此反復(fù)三次。

4.2 溫度響應(yīng)高分子微凝膠的儀器表征

(1) 干凈的樣品瓶中，加入微凝膠分散液0.5 mL和去離子水20.0 mL，使用渦旋振蕩器分散5 min，然后靜置0.5 h。

(2) 使用紫外-可見分光光度計測量微凝膠稀溶液的透過率。

(3) 使用干凈的玻璃針筒注射器和針頭式過濾器，過濾、除塵。使用動態(tài)激光光散射儀測量微凝膠的尺寸和粒徑分布。

5 結(jié)果與討論

5.1 化學(xué)合成

在水相中通過異相單體聚合法，以N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)為單體、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAAm)為交聯(lián)劑、十二烷基硫酸鈉(SDS)為表面活性劑、過硫酸鉀(KPS)為引發(fā)劑進(jìn)行制備，獲得了高分子微凝膠。加入引發(fā)劑約1 min后，即有渾濁產(chǎn)生，并可肉眼觀察到較豐富的顏色變化：剛開始為淺藍(lán)色，然后顏色逐漸加深，接著變?yōu)樗{(lán)色中透著黃色；大約10 min成為藍(lán)白色，隨著反應(yīng)的進(jìn)行又相繼略泛粉紅色、藍(lán)綠色等等；大概30 min后變?yōu)橥钢S綠色的藍(lán)白色乳液，之后顏色較為穩(wěn)定，無太大變化。

變色原因：引發(fā)劑熱分解引發(fā)單體發(fā)生聚合反應(yīng)，在不同反應(yīng)時間里產(chǎn)生具有不同粒徑的微凝膠，使得反應(yīng)體系因光散射現(xiàn)象而呈現(xiàn)不同顏色，這類似于天空能呈現(xiàn)不同顏色。

5.2 分離純化

離心分層后，上層為較澄清液體，下層為膠狀產(chǎn)物。從不同角度觀察下層膠狀產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)不同顏色，是因為微凝膠在離心等外力作用下形成周期性堆積結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出類似于膠體光子晶體的結(jié)構(gòu)色。

5.3 儀器表征

5.3.1 透過率的測試

用紫外-可見光分光光度計測試微凝膠稀溶液對500 nm波長的光的透過率，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 微凝膠稀溶液對500 nm波長的光的透過率

從不同溫度下微凝膠稀溶液對500 nm波長的光的透過率的結(jié)果(圖2)可以看出：在溫度較低時，隨溫度升高，透過率在一定范圍略有波動但變化不大，樣品池中溶液呈透明無色；升溫至相轉(zhuǎn)變溫度32 °C附近之后，透過率有一個明顯的下降趨勢，同時樣品池中的樣品肉眼可見逐漸地變渾濁。

圖2 不同溫度下微凝膠稀溶液對500 nm波長的光的透過率

5.3.2 動態(tài)激光光散射儀測試

用動態(tài)激光光散射儀測試微凝膠的尺寸，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 微凝膠的水合粒徑

根據(jù)光散射測試結(jié)果可得，顆粒的平均流體動力學(xué)直徑＜Dh＞在相轉(zhuǎn)變溫度32 °C附近有明顯的突變，下降快速，顆粒粒徑變小，如圖3所示。

圖3 不同溫度下微凝膠的水合粒徑變化圖

以上透過率的測試、動態(tài)激光光散射儀測試結(jié)果與實驗設(shè)想較為一致：對于pNIPAM微凝膠，由于其大分子側(cè)鏈上同時具有親水性的酰胺基―CONH―和疏水性的異丙基―CH(CH3)2，凝膠網(wǎng)絡(luò)相鄰兩個交聯(lián)點之間的pNIPAM分子鏈在32 °C附近由擴展構(gòu)象變?yōu)槭湛s，由相對親水性轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬κ杷?，使微凝膠發(fā)生相轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生體積收縮，顆粒變小(圖3)，且易因水溶性變差而析出、產(chǎn)生渾濁，使得透過率下降(圖2)。

6 思考題

(1) 化學(xué)合成實驗中，加入十二烷基磺酸鈉的作用是什么？

(2) 簡述化學(xué)合成反應(yīng)體系顏色發(fā)生變化的原理。

(3) 如何減少灰塵等因素對動態(tài)光散射法表征結(jié)果的影響？

(4) 結(jié)合之前學(xué)習(xí)的化學(xué)知識，還有沒有類似的單體具有PNIPAM這樣的響應(yīng)性?

(5) 這種溫度響應(yīng)高分子微凝膠有哪些潛在的應(yīng)用?

7 注意事項及教學(xué)建議

制備實驗須在通風(fēng)櫥中進(jìn)行。實驗在開始聚合的初期半小時里，須注意觀察反應(yīng)體系的顏色變化情況。動態(tài)激光光散射法非常靈敏，所以對每一個細(xì)節(jié)的要求都很高。例如，樣品池的內(nèi)外表面不能粘有臟物，不能有手指印跡，溶液必須稀釋到較稀濃度(稀溶液或者極稀溶液)等。

本實驗自 2012年以來已經(jīng)運行 8輪。本實驗開設(shè)之初即作為“拔尖計劃”大三學(xué)生的必修實驗，并以實驗研討課形式授課；后來推廣至化學(xué)及相關(guān)專業(yè)。共8學(xué)時，學(xué)生單人單套。實驗前，指導(dǎo)教師講授實驗相關(guān)知識點和要求，讓學(xué)生了解實驗方法、原理和實驗技術(shù)的相關(guān)知識；實驗過程中，結(jié)合實驗步驟及實驗現(xiàn)象，即時進(jìn)行研討。其中，微凝膠制備3學(xué)時，儀器表征3學(xué)時。

8 結(jié)語

本實驗選擇對溫度有明顯響應(yīng)性的聚(N-異丙基丙烯酰胺) (pNIPAM)作為研究對象，在水相中通過異相單體聚合法，以N-異丙基丙烯酰胺為單體，N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAAm)為交聯(lián)劑，過硫酸鉀引發(fā)成功制備顆粒粒徑控制在納微米級的微凝膠，進(jìn)而使用紫外-可見分光光度計測試微凝膠稀溶液透過率以及動態(tài)激光光散射儀器來測試微凝膠的尺寸和粒徑分布，從宏觀和微觀兩個角度探究并證明pNIPAM的溫度響應(yīng)性。高分子凝膠具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，賦予這類軟物質(zhì)以刺激響應(yīng)性，可在生物傳感器、物質(zhì)運輸?shù)阮I(lǐng)域具有更為廣泛的應(yīng)用前景。

本實驗是一個已開展過多輪教學(xué)實踐的較為成熟的綜合實驗，整個過程操作簡單，純化難度低，耗時較少，實驗結(jié)果穩(wěn)定，實驗現(xiàn)象明顯，水相合成綠色環(huán)保。通過該實驗的開設(shè)，使學(xué)生掌握制備合成、儀器表征等基本實驗技能的同時，將高分子化學(xué)與分析化學(xué)、物理化學(xué)相結(jié)合，鍛煉了學(xué)生的文獻(xiàn)檢索技能，鞏固了基礎(chǔ)理論知識和實驗操作，促使學(xué)生激發(fā)化學(xué)興趣，了解科研前沿，培養(yǎng)化學(xué)研究思維，提升分析能力，有助于學(xué)生進(jìn)一步理解科研技術(shù)與生產(chǎn)生活之間的聯(lián)系。