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(shí)的同時(shí)，更需要緊跟科研前沿和結(jié)合社會(huì)需求，鍛煉學(xué)科交叉融合意識(shí)，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(shí)驗(yàn)，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(diǎn)之一，在生物傳感器、物質(zhì)運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

在本綜合實(shí)驗(yàn)中，將研究起步較早、受廣泛關(guān)注且較深入而已有較多驗(yàn)證的溫度響應(yīng)微凝膠作為實(shí)驗(yàn)體系，并以被譽(yù)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(shí)驗(yàn)對象，設(shè)計(jì)能夠在一定程度上反映刺激響應(yīng)微凝膠等新知識(shí)的實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 學(xué)習(xí)和掌握高分子化學(xué)知識(shí)，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(shí)，了解動(dòng)態(tài)激光光散射法的原理及其在高分子研究中的運(yùn)用。

2 實(shí)驗(yàn)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(gè)溶脹的無規(guī)線團(tuán)蜷縮成一個(gè)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(yù)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(shí)驗(yàn)中，使用紫外-可見分光光度計(jì)測試微凝膠稀溶液透過率，并采用動(dòng)態(tài)激光光散射儀器來測試微凝膠的尺寸和粒徑分布。

動(dòng)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(qiáng)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(diǎn)，已經(jīng)成為納米科技中比較常規(guī)的一種表征方法[3]。

動(dòng)態(tài)激光光散射儀器的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)激光光散射儀器的結(jié)構(gòu)原理圖

光在傳播時(shí)若碰到顆粒，一部分光會(huì)被吸收，一部分光會(huì)被散射掉。如果顆粒靜止不動(dòng)，散射光發(fā)生彈性散射時(shí)，能量頻率均不變。但是，樣品中的顆粒不停地做布朗運(yùn)動(dòng)(Brownian motion)，正是這種運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致光強(qiáng)的波動(dòng)，使散射光產(chǎn)生多普勒頻移。動(dòng)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(kuò)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(kuò)散系數(shù)D一定時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)樣品溶劑、溫度是確定的，擴(kuò)散的快慢只與平均流體動(dòng)力學(xué)直徑＜Dh＞有關(guān)，由此可求出顆粒的平均流體動(dòng)力學(xué)直徑＜Dh＞。

3 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

3.1 實(shí)驗(yàn)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(jī)(TG16-WS臺(tái)式，湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司)；紫外-可見分光光度計(jì)(Thermo Sxientific公司，Multiskan GO全波長酶標(biāo)儀)；動(dòng)態(tài)激光光散射儀器(BI-200SM, Brookhaven公司)。

3.2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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?dú)膺B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?dú)?.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(jī)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(jì)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(dòng)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(shí)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?yàn)槲⒛z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(jì)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(shí)，隨溫度升高，透過率在一定范圍略有波動(dòng)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(gè)明顯的下降趨勢，同時(shí)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(dòng)態(tài)激光光散射儀測試

用動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)激光光散射儀測試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(shí)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(gè)交聯(lián)點(diǎn)之間的pNIPAM分子鏈在32 °C附近由擴(kuò)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)，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(xiàng)及教學(xué)建議

制備實(shí)驗(yàn)須在通風(fēng)櫥中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)在開始聚合的初期半小時(shí)里，須注意觀察反應(yīng)體系的顏色變化情況。動(dòng)態(tài)激光光散射法非常靈敏，所以對每一個(gè)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(shí)驗(yàn)自 2012年以來已經(jīng)運(yùn)行 8輪。本實(shí)驗(yàn)開設(shè)之初即作為“拔尖計(jì)劃”大三學(xué)生的必修實(shí)驗(yàn)，并以實(shí)驗(yàn)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(shí)，學(xué)生單人單套。實(shí)驗(yàn)前，指導(dǎo)教師講授實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和要求，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)方法、原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的相關(guān)知識(shí)；實(shí)驗(yàn)過程中，結(jié)合實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，即時(shí)進(jìn)行研討。其中，微凝膠制備3學(xué)時(shí)，儀器表征3學(xué)時(shí)。

8 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)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(jì)測試微凝膠稀溶液透過率以及動(dòng)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(gè)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(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有更為廣泛的應(yīng)用前景。

本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)已開展過多輪教學(xué)實(shí)踐的較為成熟的綜合實(shí)驗(yàn)，整個(gè)過程操作簡單，純化難度低，耗時(shí)較少，實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，水相合成綠色環(huán)保。通過該實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，使學(xué)生掌握制備合成、儀器表征等基本實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，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(shí)和實(shí)驗(yàn)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。