溫度響應高分子微凝膠的水相制備與表征
——介紹一個大學化學綜合實驗

張來英，蘭如月，劉志紅，吳偉泰

廈門大學化學化工學院，福建 廈門 361005

隨著創新性人才培養的不斷推進，學生在掌握專業課程基礎知識的同時，更需要緊跟科研前沿和結合社會需求，鍛煉學科交叉融合意識，培養科研創新思維。在學生修讀完基礎課程后，開設多學科交叉的融合科技前沿的綜合化學實驗，有利于創新性人才培養。

高分子凝膠是一類具有交聯網絡結構、在溶劑中溶脹而不溶解的高分子材料，是軟物質前沿探索對象之一。在納微米科學爆炸式發展趨勢下，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，在食品、生物醫藥等方面得到廣泛應用，賦予其智能響應特性是前沿熱點之一，在生物傳感器、物質運輸等領域具有很好的應用前景。

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

1 實驗目的

(1) 學習和掌握高分子化學知識，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) 學習高分子物理知識，了解動態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行，其形成微凝膠的原理主要基于適當聚合后的高分子鏈可隨溶劑性質變差而從一個溶脹的無規線團蜷縮成一個熱力學穩定的單鏈小球；異相單體聚合法往往通過添加乳化劑來構建受限反應空間，避免長程網絡結構以形成微凝膠。

溫度響應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聚合物“黃金標準”的聚合物。通過 N-異丙基丙烯酰胺單體與適當交聯劑等在引發劑引發下制備獲得的聚(N-異丙基丙烯酰胺)微凝膠，是研究起步較早且受廣泛關注的溫度響應高分子微凝膠[1,2]，其聚合反應如式(1)所示。

在制備獲得溫度響應高分子微凝膠之后，可以通過測試不同溫度下微凝膠的尺寸來表征溫度響應微凝膠體積變化特性。由于溫度響應微凝膠體積變化往往伴隨著折射率等物理化學性質變化，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，并采用動態激光光散射儀器來測試微凝膠的尺寸和粒徑分布。

動態激光光散射法(dynamic light scattering，DLS)，也稱光子相關光譜(photon correlation spectroscopy，PCS)或者準彈性光散射(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，具有準確、快速、可重復性好等優點，已經成為納米科技中比較常規的一種表征方法[3]。

動態激光光散射儀器的結構原理如圖1所示。

圖1 動態激光光散射儀器的結構原理圖

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)，正是這種運動導致光強的波動，使散射光產生多普勒頻移。動態激光光散射方法就是根據這種微小的頻率變化來測量溶液中顆粒的擴散系數D。根據Stokes-Einstein方程(式(2))：

式中，k為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，η為溶液的粘滯系數，當擴散系數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直徑＜Dh＞有關，由此可求出顆粒的平均流體動力學直徑＜Dh＞。

3 實驗儀器和試劑

3.1 實驗儀器

恒溫磁力攪拌器，標準磨口三頸瓶(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有限公司)；紫外-可見分光光度計(Thermo Sxientific公司，Multiskan GO全波長酶標儀)；動態激光光散射儀器(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。仔細調節攪拌速率，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，進行純化：將樣品移至離心管，用高速離心機進行離心分離；倒去上層清液，下層產物重新分散于50.0 mL去離子水中。如此反復三次。

4.2 溫度響應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。使用動態激光光散射儀測量微凝膠的尺寸和粒徑分布。

5 結果與討論

5.1 化學合成

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)為交聯劑、十二烷基硫酸鈉(SDS)為表面活性劑、過硫酸鉀(KPS)為引發劑進行制備，獲得了高分子微凝膠。加入引發劑約1 min后，即有渾濁產生，并可肉眼觀察到較豐富的顏色變化：剛開始為淺藍色，然后顏色逐漸加深，接著變為藍色中透著黃色；大約10 min成為藍白色，隨著反應的進行又相繼略泛粉紅色、藍綠色等等；大概30 min后變為透著黃綠色的藍白色乳液，之后顏色較為穩定，無太大變化。

變色原因：引發劑熱分解引發單體發生聚合反應，在不同反應時間里產生具有不同粒徑的微凝膠，使得反應體系因光散射現象而呈現不同顏色，這類似于天空能呈現不同顏色。

5.2 分離純化

離心分層后，上層為較澄清液體，下層為膠狀產物。從不同角度觀察下層膠狀產物，發現呈現不同顏色，是因為微凝膠在離心等外力作用下形成周期性堆積結構，從而表現出類似于膠體光子晶體的結構色。

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，具體數據見表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 動態激光光散射儀測試

用動態激光光散射儀測試微凝膠的尺寸，具體數據如表2所示。

表2 微凝膠的水合粒徑

根據光散射測試結果可得，顆粒的平均流體動力學直徑＜Dh＞在相轉變溫度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、動態激光光散射儀測試結果與實驗設想較為一致：對于pNIPAM微凝膠，由于其大分子側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，凝膠網絡相鄰兩個交聯點之間的pNIPAM分子鏈在32 °C附近由擴展構象變為收縮，由相對親水性轉變為相對疏水性，使微凝膠發生相轉變而產生體積收縮，顆粒變小(圖3)，且易因水溶性變差而析出、產生渾濁，使得透過率下降(圖2)。

6 思考題

(1) 化學合成實驗中，加入十二烷基磺酸鈉的作用是什么？

(2) 簡述化學合成反應體系顏色發生變化的原理。

(3) 如何減少灰塵等因素對動態光散射法表征結果的影響？

(4) 結合之前學習的化學知識，還有沒有類似的單體具有PNIPAM這樣的響應性?

(5) 這種溫度響應高分子微凝膠有哪些潛在的應用?

7 注意事項及教學建議

制備實驗須在通風櫥中進行。實驗在開始聚合的初期半小時里，須注意觀察反應體系的顏色變化情況。動態激光光散射法非常靈敏，所以對每一個細節的要求都很高。例如，樣品池的內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年以來已經運行 8輪。本實驗開設之初即作為“拔尖計劃”大三學生的必修實驗，并以實驗研討課形式授課；后來推廣至化學及相關專業。共8學時，學生單人單套。實驗前，指導教師講授實驗相關知識點和要求，讓學生了解實驗方法、原理和實驗技術的相關知識；實驗過程中，結合實驗步驟及實驗現象，即時進行研討。其中，微凝膠制備3學時，儀器表征3學時。

8 結語

本實驗選擇對溫度有明顯響應性的聚(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)為交聯劑，過硫酸鉀引發成功制備顆粒粒徑控制在納微米級的微凝膠，進而使用紫外-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的溫度響應性。高分子凝膠具有三維交聯網絡結構，賦予這類軟物質以刺激響應性，可在生物傳感器、物質運輸等領域具有更為廣泛的應用前景。

本實驗是一個已開展過多輪教學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，實驗結果穩定，實驗現象明顯，水相合成綠色環保。通過該實驗的開設，使學生掌握制備合成、儀器表征等基本實驗技能的同時，將高分子化學與分析化學、物理化學相結合，鍛煉了學生的文獻檢索技能，鞏固了基礎理論知識和實驗操作，促使學生激發化學興趣，了解科研前沿，培養化學研究思維，提升分析能力，有助于學生進一步理解科研技術與生產生活之間的聯系。