王明珍, 高莉宁, 胡道道, 房 喻
(陕西师范大学化学系,陕西西安710062)
聚Ｎ-异丙基丙烯酰胺)(ＰＮＩＰＡＭ)是一种性能特异的水溶性高分子,在水中的溶解行为具有负温度系数,亦即在室温下清澈透明的ＰＮＩＰＡＭ水溶液,当被加热到约32℃时,体系分相,溶液变得浑浊.反之,当体系温度降低到该温度以下,体系又恢复清亮,这一过程完全可逆.该特征温度被称之为ＰＮＩＰＡＭ的最低临界溶解温度(ＬｏｗＣｒｉｔｉｃａｌＳｏｌｕｔｉｏｎＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ,ＬＣＳＴ)[1].由ＰＮＩＰＡＭ制备的水凝胶在水相中也呈现出上述温敏行为,具体表现为凝胶体积在该温度发生突变,而且这种突变完全可逆[2].ＰＮＩＰＡＭ的这些特殊性质使其在酶固定化,药物缓释,生物产品的温和分离以及调光材料制备等方面获得了重要应用[3].实际上,不同应用对ＰＮＩＰＡＭ的ＬＣＳＴ有不同的要求.因此,人们常常通过将ＰＮＩＰＡＭ与不同种类的疏水或亲水单体共聚来改变ＰＮＩＰＡＭ的ＬＣＳＴ以满足不同应用的要求[4].然而,疏水或亲水修饰会降低ＰＮＩＰＡＭ对温度变化的敏感性.因此,寻求新的改变ＰＮＩＰＡＭ的ＬＣＳＴ途径,研究这种作用的本质对于促进ＰＮＩＰＡＭ实际应用具有重要意义.Ｈｏｆｆｍａｎ及其合作者[5]的工作表明,外加盐的存在会显著改变ＰＮＩＰＡＭ凝胶的ＬＣＳＴ,而且,盐的加入并不显著降低凝胶对温度变化的敏感性.本文以ＰＮＩＰＡＭ稀水溶液为实验体系,系统研究了外加盐对ＰＮＩＰＡＭ温敏行为的影响,同时通过苊烯(ＡＣＥ)标记ＰＮＩＰＡＭ荧光各向异性的测定,从分子水平上探讨了盐效应的本质.
1 实验部分
1.1 仪器和试剂
722型光栅分光光度计(上海分析仪器厂),Ｐｅｒｋｉｎ ＥｌｍｅｒＬＳ—50Ｂ荧光/磷光/发光仪等实验室常规仪器和设备.Ｎ 异丙基丙烯酰胺)(ＮＩＰＡＭ)由丙烯酰氯和异丙胺按文献[6]方法合成,所得粗品经由正己烷苯混合溶剂(2∶1,Ｖ∶Ｖ)重结晶纯化.元素分析:实验值(理论值)Ｃ:63.75(63.71);Ｈ:10.58(9.73);Ｎ:12.37(12.38).苊烯(ＡＣＥ)(Ａｌｄｒｉｃｈ85%)使用前经乙醇三次重结晶,升华纯化.偶氮二异丁腈(ＡＩＢＮ)经乙醇重结晶纯化.其余试剂至少为分析纯.实验用水均为去离子水经二次蒸馏纯化.
1.2 聚Ｎ-异丙基丙烯酰胺)(ＰＮＩＰＡＭ)的合成
在装有机械搅拌、冷凝管、温度计及氮气导管的100ｍＬ四口圆底烧瓶中加入25ｍＬ二氧六环,搅拌下加入5ｇ纯化ＮＩＰＡＭ,通氮气赶出溶液中的氧.另将溶有30ｍｇＡＩＢＮ的二氧六环溶液(5ｍＬ)加入到反应烧瓶中,继续通氮气.在搅拌,通氮气下将体系缓慢加热到70℃,搅拌回流20ｈ.冷却反应液,通风橱内将溶剂蒸发至干,用少量四氢呋喃(ＴＨＦ)溶解残渣,正己烷沉出,干燥后,再用甲醇溶解,使其在大量乙醚中沉淀析出.纯化过程反复四次,最后一次用光谱纯甲醇和乙醚完成.纯化样品在真空下于60℃干燥,收率3.2ｇ.测得粘均分子量2.4×10(e5),ＬＣＳＴ为34℃(温度计未校正).
1.3 苊烯标记ＰＮＩＰＡＭ(ＰＮＩＰＡＭ/ＡＣＥ)的合成
ＰＮＩＰＡＭ/ＡＣＥ制备过程与ＰＮＩＰＡＭ类似,不过在起始反应液中预先加入0.5ｇＡＣＥ.紫外法测得在合成样品中ＡＣＥ的物质的量不大于单体物质的量的0.5%.
1.4 ＰＮＩＰＡＭ水溶液ＬＣＳＴ的测定及外加盐的影响
ＰＮＩＰＡＭ水溶液在其ＬＣＳＴ之下时清澈透明,在该温度之上时溶液因分相而变得浑浊.因此,可以通过检测在不同条件下溶液透光率随温度的变化测定ＰＮＩＰＡＭ水溶液的ＬＣＳＴ.实验中以溶液在480ｎｍ处透光率为50%时的温度为ＰＮＩＰＡＭ在该条件下的ＬＣＳＴ.测定方法为:在盛有1ｍＬ质量分数为0.05%的ＰＮＩＰＡＭ储备液的比色皿中,加入待测盐的储备液,用高纯水将溶液总体积补足到2ｍＬ,按上述方法测定相应的ＬＣＳＴ.1.5 ＰＮＩＰＡＭ/ＡＣＥ水溶液荧光各向异性的测定及对外加盐的依赖性ＰＮＩＰＡＭ/ＡＣＥ水溶液荧光各向异性的测定需要用到Ｐｅｒｋｉｎ ＥｌｍｅｒＬＳ—50Ｂ荧光仪的偏振附件.利用这一附件,可以测得样品在设定激发波长和发射波长下的Ｉｖｖ,Ｉｖｈ,Ｉｈｈ和Ｉｈｖ,其中Ｉｖｖ和Ｉｖｈ表示起偏器取竖直方向时,检偏器与其平行或垂直时的荧光强度.类似地,Ｉｈｖ和Ｉｈｈ为起偏器取水平方向时,检偏器与其垂直或平行时的荧光强度.荧光各向异性ｒ和仪器校正系数Ｇ可分别由公式(1)和(2)计算得到.
ｒ=(Ｉｖｖ-ＧＩｖｈ)/(Ｉｖｖ+2ＧＩｖｈ),(1)
Ｇ=Ｉｈｖ/Ｉｈｈ.(2)
所有测定和运算均由仪器自动完成.每次测定至少重复50次,结果经统计处理后得到相应的平均荧光各向异性.盐效应研究类似于1.4.测定样品中ＰＮＩＰＡＭ/ＡＣＥ质量分数为0 0167%,激发波长290ｎｍ,发射波长340ｎｍ.
2 结果与讨论
2.1 外加盐对ＰＮＩＰＡＭ的ＬＣＳＴ的影响
系统研究了30余种不同类型的无机盐和有机盐对ＰＮＩＰＡＭ的ＬＣＳＴ的影响.结果表明,所有测试盐都不同程度地降低ＰＮＩＰＡＭ的ＬＣＳＴ(表1),其中以Ｎａ2ＳＯ4,Ｎａ3ＰＯ4,Ｎａ2ＣＯ3等无机盐对其影响最为显著,例如0.34ｍｏｌ/Ｌ的Ｎａ2ＳＯ4可使ＰＮＩＰＡＭ的ＬＣＳＴ由34℃降为14.5℃.相反,ＬａＣｌ3,ＭｇＣｌ2,ＣａＣｌ2,ＣｄＣｌ2等氯化物影响则很小,0.34ｍｏｌ/ＬＣａＣｌ2的加入,仅使ＰＮＩＰＡＭ的ＬＣＳＴ由34℃降为30℃.即使同类盐因盐本性的不同,对ＰＮＩＰＡＭ温敏效应影响大小也会显著不同.例如,Ｋ2ＳＯ4与Ｎａ2ＳＯ4结构类似,0.34ｍｏｌ/Ｌ的Ｎａ2ＳＯ4可使ＰＮＩＰＡＭ的ＬＣＳＴ降低约20度,而同样浓度的Ｋ2ＳＯ4仅仅使其降低约12度.图1和图2分别给出ＰＮＩＰＡＭ的ＬＣＳＴ对不同钠盐和硫酸盐浓度的依赖性.由表1和图1,图2所示结果不难看出,外加盐对ＰＮＩＰＡＭ温敏行为的影响不仅与盐的浓度和种类有关,而且与盐的本性也可能有关.
2.2 外加盐对ＰＮＩＰＡＭ温敏行为影响的本质
Ｔａｎａｋａ等[7]曾经假设在水溶液中只有当ＰＮＩＰＡＭ的分子链具有一定的僵硬性(ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ)时,ＰＮＩＰＡＭ水溶液才可以发生不连续相变.高分子链的僵硬程度不同,不连续相变发生的温度也会不同.因此,任何能够影响ＰＮＩＰＡＭ分子链柔性的因素都会对其特征相变温度产生影响,据此可以推测外加盐对ＰＮＩＰＡＭ的ＬＣＳＴ的影响有可能是通过影响其分子链柔性而实现的.早期的研究工作已经表明,水溶性高分子(包括天然高分子)在电解质溶液中的水合半径与电解质的种类和浓度有关.例如,核糖核酸酶在一定浓度的硫酸盐溶液中呈变性螺旋状构象,而在同浓度的硫氢酸盐溶液中呈天然线团构象.荧光各向异性测定,特别是时间分辨荧光各向异性测定是研究高分子链柔性的最主要手段[8].荧光各向异性测定的高灵敏度使其可以对极稀高分子溶液,甚至高分子在溶液中的单分子链段运动进行直接测定.高分子链段运动的荧光各向异性测定依赖于链上的小分子标记物(Ｌａｂｅｌｓ),标记物的荧光各向异性大小除了与自身结构有关外,还与所在高分子链段运动的快慢有关.高分子链柔性越好,其链段运动越快,标记物的荧光各向异性也就越小.据此,本工作以ＡＣＥ为标记物,将其随机共聚于ＰＮＩＰＡＭ链上.实验中ＡＣＥ在高分子样品中的物质的量控制在单体物质的量的0.7%以内,以确保ＰＮＩＰＡＭ的基本性质不被改变.图3给出ＰＮＩＰＡＭ/ＡＣＥ的荧光激发光谱和发射光谱.可以看出,图谱具有典型的ＡＣＥ光谱特征.样品在450ｎｍ后发射几乎为零,表明样品中ＡＣＥ随机分布,而且几乎没有激发态二聚体(Ｅｘｃｉｍｅｒ)存在[9].因此,实验所制备的ＡＣＥ标记ＰＮＩＰＡＭ可以用于荧光各向异性测定.图1和图2所示体系的荧光各向异性测定结果分别示于图4和图5.由图4可以看出,同浓度下,ＮａＣｌ的存在对ＰＮＩＰＡＭ的ＡＣＥ荧光各向异性影响最小,相应地,其对ＰＮＩＰＡＭ的特征相变温度影响也最小(参见图1).Ｎａ2ＳＯ4,Ｎａ3ＰＯ4,Ｎａ2ＣＯ3随浓度增加对ＰＮＩＰＡＭ/ＡＣＥ的荧光各向异性造成的影响趋势和程度相似,这一点也正好反映在相应的温敏实验结果上(图1).由图5和图2也可以得到类似的结果.一般而言,盐的引入都会使ＰＮＩＰＡＭ/ＡＣＥ的荧光各向异性增大,也即使ＰＮＩＰＡＭ链段运动速度减慢,链的柔性降低,并且盐的浓度越大,影响程度也越大.不过就图1和图4所示钠盐体系而言,荧光各向异性测定表明,在Ｎａ2ＳＯ4,Ｎａ3ＰＯ4,Ｎａ2ＣＯ3体系中,当盐浓度大于0.12ｍｏｌ/Ｌ时,盐效应对ＰＮＩＰＡＭ/ＡＣＥ链段运动的影响呈现饱和,而相应的温敏实验结果(图1)并未出现对应情况,如何理解这种差异还有待进一步的研究.
参考文献:
[1]ＷｉｎｎｉｋＦＭ.Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｓｔｕｄｙｏｆａｑｕｅｏｕｓｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆｐｏｌｙ(Ｎ ｉｓｏｐｒｏｐｙｌａｃｒｙｌａｍｉｄｅ)ｂｅｌｏｗａｎｄａｂｏｖｅｔｈｅｉｒＬＣＳＴ[Ｊ].Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ,1990,23:233～242.
[2]ＷａｎｇＭＺ,ＱｉａｎｇＪＣ,ＦａｎｇＹ,ｅｔａｌ.Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｈｉｔｏｓａｎ ｐｏｌｙ(Ｎ ｉｓｏｐｒｏｐｙｌａｃｒｙｌａｍｉｄｅ)ｓｅｍｉ ＩＰＮｈｙｄｒｏｇｅｌｓ[Ｊ].ＪＰｏｌｙｍＳｃｉＡＰｏｌｙｍＣｈｅｍ,2000,38:474～481.
[3]ＨｏｆｆｍａｎＡＳ.“Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ”ｐｏｌｙｍｅｒｓ[Ｊ].ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＤｒｕｇＤｅｌｉｖｅｒｙ,1997:485～498.
[4]ＬｏｗｅＴＬ,ＶｉｒｔａｎｅｎＪ,ＴｅｎｈｕＨ.ＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｏｆｄｒｕｇｓａｎｄｓｐｉｎｐｒｏｂｅｓｗｉｔｈｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃａｌｌｙｍｏｄｉｆｉｅｄｐｏｌｙｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｈｙｄｒｏｇｅｌｓｂａｓｅｄｏｎＮ ｉｓｏｐｒｏｐｙｌａｃｒｙｌａｍｉｄｅ[Ｊ].Ｐｏｌｙｍｅｒ,1999,40:2595～2603.
[5]ＰａｒｋＴＧ,ＨｏｆｆｍａｎＡＳ.Ｓｏｄｉｕｍｃｈｌｏｒｉｄｅ ｉｎｄｕｃｅｄｐｈａｓｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｉｎｎｏｎｉｏｎｉｃｐｏｌｙ(Ｎ ｉｓｏｐｒｏｐｙｌａｃｒｙｌａｍｉｄｅ)ｇｅｌ[Ｊ].Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ,1993,26:5045～5048.
[6]陶朱,马培华,刘敏等.聚Ｎ 异丙基丙烯酰胺)溶液的粘度的温度依赖关系[Ｊ].高分子学报,1998,(1):21～24.
[7]ＴａｎａｋａＴ,ＦｉｌｌｍｏｒｅＤ,ＳｕｎＳ Ｔ,ｅｔａｌ.Ｐｈａｓｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓｉｎｉｏｎｉｃｇｅｌｓ[Ｊ].ＰｈｙｓＲｅｖＬｅｔｔ,1980,45(20):1636～1639.
[8]房喻.时间分辨(荧光)各向异性及其在高分子科学研究中的应用[Ｊ].感光科学与光化学,1998,16(3):274～288.
9]ＲｅｎａｍａｙｏｒＣＳ,Ｇｏｍｅｚ ＡｎｔｏｎＭＲ,ＣａｌａｆａｔｅＢ,ｅｔａｌ.Ｅｘｃｉｍｅｒｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｃｈａｉｎｓｅｌｆ ｃｏｎｔａｃｔｐｏｉｎｔｓ[Ｊ].Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ,1991,24:3328～3333.〔责任编辑 王 勇〕
|
