pH響應型空心微球在CSTR中的振蕩行為

路興杰，趙 芳，谷田平，張 柯，閆繼偉，朱永宏

（1.河南省計量科學研究院，河南鄭州 450002；2.河南出入境檢驗檢疫局，河南鄭州 450002）

刺激響應型微球[1-3]會根據所受刺激信號做出相應的響應行為，在體積和形態等方面發生變化，即“智能響應型行為”，比如pH、溫度、光、生物分子響應性[4-8]等。此種特性為研究生化傳感器、藥物輸送系統、納米計算機和生化分離等智能生化系統[9-15]提供重要啟示。刺激響應型微球在許多領域存在巨大的潛在用途吸引了廣泛關注，成為近年來的研究熱點。

傳統刺激響應型微球[16-19]大多采用無規共聚法和核殼結構法獲得。其實心結構的阻尼特性導致刺激響應行為不夠明顯，過程的可逆性差，甚至失去了二次響應性。另外，在實驗過程中外部環境的刺激因素多為單次、單向刺激，與實際的生化環境相差甚遠。基于上述情況的考慮，我們首先采用模板自由基聚合法，將含有pH響應官能團的丙烯酸（AAc）與異丙基丙烯酰胺（NIPAm）接枝共聚，合成膨脹收縮比更大的空心結構pH響應性P（NIPAm-co-AAc）微球。然后將合成的空心微球與BrO3--SO32--H＋[20]這一pH振蕩體系相混耦合。該pH振蕩體系的特點是：1）振蕩的溫度區間主要是室溫范圍，與人體溫度接近，也與所合成空心微球臨界相轉變溫度接近。2）pH振蕩幅度比較大（3.5～7.5）。3）體系在振蕩反應過程中停留在高pH和低pH的時間相對較長，有利于微球充分膨脹收縮。

耦合體系在pH振蕩過程中，空心微球表面的羧基也同時發生質子化和非質子化的過程，電荷密度隨之發生變化，這樣微球就會產生周期性的膨脹收縮，這是一個化學能轉變為機械能的過程。為了使耦合體系能持續反應下去，本實驗選取連續流動攪拌反應器（CSTR）作為反應器，通過物料的不斷流入、流出，可以使反應遠離平衡態，長時間穩定進行。為了考查空心pH響應型微球耦合pH振蕩反應動力學行為，我們搭建了能在線實時監測耦合體系動力學行為的動態光散射系統（DLS）和pH監測系統。

1 實驗

1.1 空心微球的合成及其粒徑pH響應性測試

圖1為空心微球合成路線示意圖[21]，首先取2.5 mL正硅酸四乙酯和50 mL乙醇混合加入反應器，室溫條件下攪拌3 min（500 r/min）。再取1.4 mL去離子水與4 mL氨水混合，攪拌3 min（500 r/min）。然后將上述氨水溶液加入反應器中，快速攪拌3 min（750 r/min），使溶液充分混合，再溫和攪拌（500 r/min）。反應24 h后，向反應器中加入2 mL硅烷偶聯劑KH-570（MPS），溫和攪拌（500 r/min），再反應 24 h。對反應24 h后的溶液進行離心分離，棄上層清液。用無水乙醇洗泡產物，超聲波振蕩分離，再次離心分離，棄上層清液。換用去離子水洗泡產物，離心分離2次。產物進行冷凍干燥，得到表面改性的SiO2納米粒子。

圖1 空心微球合成路線示意圖Fig.1 Synthetic schematic diagram of hollow microsphere

將0.2 g改性SiO2納米粒子與2.5 g N-異丙基丙烯酰胺（NIPAm）、2.5 g N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）交聯劑溶于175 mL的去離子水中，超聲振蕩使其完全溶解，氮氣保護下緩慢攪拌30 min，充分除去反應器中的氧氣。加入適量丙烯酸（AAc），再將0.25 g KPS溶于25 mL水中（預先通氮氣除氧）加入反應器中引發單體聚合，升溫至70℃，反應6 h。反應結束后，在磁力攪拌下自然冷卻至室溫。之后再加入75 mL質量分數為20%的氟化氫（HF）溶液以溶解SiO2，靜置過夜。將所得溶液離心分離，棄上層清液。再用去離子水重新分散產物，再離心分離2次。用截止相對分子質量為14 000的透析袋透析7 d，每天超純水換水3次。對透析后的產物進行冷凍干燥，就得到純凈的pH響應型空心微球。

將純化的空心微球0.05 g混于200 mL超純水中，通過HCl和NaOH溶液來調節其pH值，pH復合電極e-corder數據記錄儀相連，以監測反應中pH變化情況。微球粒徑的變化通過搭建的DLS在線實時監測，整個DLS由BI-DLS檢測器（美國Brookhaven）、BI-9000數字相關器（美國Brookhaven）和氬離子激光器構成，激光波長為532 nm，檢測角度為90°。

1.2 CSTR中空心微球耦合pH振蕩反應動力學行為測試

耦合體系動力學測試裝置如圖2所示。耦合反應在CSTR中進行，有效反應體積為22 mL，外包恒溫水套（溫控精度為±0.1℃），由2個獨立的儲液瓶分別供料，一個儲液瓶中裝有濃度為0.050 mol/L的Na2SO3和0.001 25 mol/L的H2SO4的混合溶液，另外一個儲液瓶中為0.050 mol/L的NaBrO3和空心微球混合溶液。CSTR頂部安裝一個pH復合電極，一個數顯溫度計，以監測反應過程體系的pH值和溫度變化。微球粒徑的變化通過搭建的DLS在線實時監測。通過精密蠕動泵驅動，2根進料管分別獨立進料，在輸入CSTR前預混合。耦合體系通過磁力攪拌來確保混合均勻，攪拌速度為900 r/min。為了避免干擾DLS測量，通過程序軟件控制，反應過程中每隔30 s，持續攪拌、供料120 s，在攪拌、供料停止的30 s過程中進行動態光散射測量。反應過程中pH隨時間變化過程通過e-corder數據記錄儀記錄在電腦上。微球粒徑的實時變化情況也通過DLS數字相關器記錄在電腦上。

圖2 CSTR動力學測試裝置圖Fig.2 Schematic diagram of CSTR for kinetic test

2 結果與討論

2.1 空心微球pH響應性能

調節耦合體系pH值從2.5增大到9.5，微球粒徑隨pH的變化情況如圖3所示。由圖可以看出，隨著pH值的增大，微球粒徑先減小后增大。這是由于在所合成的無規共聚物微球中，響應性官能團—COOH主要分布在聚合物表面，聚合物在水中時表面羧基會發生解離，生成羧酸根離子（—COO-）和氫離子（H＋），呈離解平衡狀態，該平衡態受混合體系pH值的影響。當pH值較小時（3.5～5.5），使陰離子靜電場得到平衡，以致分子鏈表面電荷排斥力作用減弱，共聚物鏈發生蜷曲，粒徑減小，溶解性變差；當pH值足夠小時（小于3），羧基不電離，氫鍵穩定，使網絡緊密呈收縮狀態，微球進一步發生團聚現象，粒徑反而又增大了。當pH值較大時（大于羧基的電離常數pKa＝4.28），聚合物鏈上的同性電荷（—COO-）數目就會增加，陰離子之間的排斥力增強使得共聚物鏈在水溶液中呈伸展狀態，溶解性增強，導致粒徑的增大。當繼續增大pH值（大于6），微球分子鏈上的羧基與堿作用形成羧酸鹽，增加了微球粒子的親水性，大分子之間疏水締合作用減小，大分子鏈段處于伸展狀態而自由運動，以致無相分離現象出現，粒徑保持穩定。

圖3 空心微球粒徑隨pH的變化情況Fig.3 pH dependence of diameter of hollow microsphere

空心微球粒徑的pH脈沖響應性如圖4所示。調節環境介質的pH值在高低之間變化，當溶液介質pH值呈現脈沖式振蕩變化時，微球粒徑隨pH也呈現脈沖式振蕩，在pH＝6.5時，粒徑充分膨脹；pH＝3.5時，微凝膠粒徑充分收縮，溶脹收縮比：

式中DH、DL分別為空心微球處于高pH（6.5）和低pH（3.5）條件下的粒徑值。空心微球粒徑隨pH值變化的脈沖式振蕩體現出良好的智能響應特性。

圖4 空心微球粒徑的pH脈沖響應性Fig.4 pH pulse responsibility of hollow microsphere

2.2 空心微球耦合pH振蕩反應體系動力學行為

將空心微球在CSTR中與BrO3--SO32--HSO3-這一pH振蕩反應體系混合，BrO3--SO32--HSO3-體系主要反應過程方程式如下：

反應過程（1）是產生H＋的過程，此過程導致體系pH值減小；反應過程（2）是消耗H＋的過程，此過程導致體系pH值增大。反應過程中當H＋消耗到一定水平會觸發反應（1）開始并逐步占據主導地位；反之，當H＋濃度上升到一定程度，會觸發反應（2）開始，消耗H＋的反應開始占據主導地位。周而復始，體系的H＋濃度周期性增大、減小，即體系pH值在低值和高值之間交替振蕩進行，體系關鍵參數呈現出類似于仿生化環境的自發振蕩變化。

CSTR中空心微球粒徑與耦合體系pH同步振蕩情況如圖5所示，耦合體系pH值與粒徑值振蕩動力學行為能保持同步進行。在測量pH值振蕩的同時也在線實時測量了微球粒徑的變化情況。

當pH維持在高位（6.5～7.5）時，微球充分膨脹，粒徑維持在700～800 nm左右，當pH振蕩到低位（3.5～4.5）時，微球充分收縮，粒徑維持在450～500 nm左右，粒徑振蕩與pH振蕩實時同步。pH振蕩體系提供化學能驅動空心微凝膠體系實時地膨脹收縮，整個過程是一個化學能轉變為機械能的過程。

圖5 CSTR中空心微球粒徑與耦合體系pH的同步振蕩情況Fig.5 Synchronous oscillations of diameter of hollow microsphere and pH of coupling system in CSTR

在低pH值區域出現了幅度較小的復雜振蕩。而在高pH值區域，pH則相對穩定。 這是由于pH響應性微球表面的pH響應性官能團—COOH耦合非線性化學反應過程造成的，因為—COOH的pKa＝4.28，正好處在振蕩過程中的低pH值區域（3.5～4.5），—COOH發生質子化和非質子化過程。對H＋來說，這又是一個正負反饋過程，并且在此pH條件下，空心微球呈收縮狀態，聚合物空間網絡結構也會影響質子的反應擴散，所以pH受到影響發生微振蕩。在高pH值區域，pH遠遠大于—COOH的pKa值，羧基早已非質子化，主要以—COO-形式存在，耦合體系趨于均相化，在此范圍內不對非線性體系的pH產生反饋影響。

CSTR中耦合體系振蕩周期隨溫度變化曲線如圖6所示，隨著溫度的不斷升高，耦合體系的振蕩周期逐漸減小，可由阿倫尼烏斯公式得到解釋，溫度升高導致體系反應速率加快了。也可由經典的關于凝膠聚合物的Flory-Rehner理論[22]得到解釋，其理論認為耦合體系的化學勢由各物質的混合化學勢和聚合物支鏈彈性化學勢構成。溫度升高直接導致耦合體系的化學勢相應增大，反應趨勢增強，速率增大，反應周期相應減小了。

圖6 CSTR中耦合體系振蕩周期隨溫度變化曲線Fig.6 Oscillation period of coupling system mearured at different temperature in CSTR

3 結論

通過模板自由基聚合法獲得的空心微球具有良好的生化響應特性：1）微球粒徑可以隨所處環境的pH值變化而變化，并能呈現脈沖式響應特性。2）在CSTR中將空心微球與pH振蕩體系BrO3--SO32--H+混合作用，在維持CSTR進料、出料平衡條件下，空心微球粒徑膨脹、收縮與體系pH值增大、減小保持長時間同步變化。整個實驗是化學能驅動機械能轉變的過程。其空心結構可進一步包埋特定生化藥物成分，微球在響應環境變化的同時，通過膨脹收縮行為，達到定向釋放的功能。能夠被調制的響應性空心微球耦合非線性化學反應系統為研究生化傳感器、藥物輸送系統、納米計算機等提供有益啟示。

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