（高分子化学与物理专业论文）载体表面化学组成对蛋白质吸附行为的影响.pdf

浙江理工大学学位论文原创性声明 i l l l l l l l l l liiiiilll11111 1 1 1 i l l l l ! l l l l i l l l i i i i y 17 4 7 4 2 5 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：石霉皇 日期：2 - 口年；月，f 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密影。 学位论文作者签名：历络2 日期：2 0 l o 年；月，5 日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名 同期：加0 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 蛋白质的吸附行为在很大程度上取决于载体材料的表面化学组成。它影响蛋白质吸附速 率、吸附量以及蛋白质在载体表面的排布和构象等吸附行为，并进而影响蛋白质的生物活性。 蛋白质与载体表面之间的作用力包括疏水作用、静电作用、氢键及范德华力等。调控载体材 料表面化学基团，已成为控制蛋白质吸附行为的重要手段。本文首先利用原子转移自由基聚 合( a t r p ) 聚合得到了端羧基的聚苯乙烯，然后对其端基改性分别合成了分子量相同的端羟基 和端三氟甲基的聚苯乙烯，消除了分子量对载体表面基团的影响。将端基功能化聚苯乙烯与 聚苯乙烯( p s ) 共混，利用端基在表面的离析，分别得到了表面带有羧基( c o o h ) 、羟基( o h ) 和三氟甲基( c f 3 ) 的聚苯乙烯载体。对端基功能化聚合物载体表面进行酸解，测定了表面的 o h 和c f 3 基团密度。然后从载体的表面化学组成、表面能以及溶液参数等方面研究了牛血 清白蛋白( b s a ) 在载体上的吸附行为。进一步选用生物活性易于检测的酶分子( 脂肪酶，l i p a s e ) 进行吸附研究。初步实现了从调控载体表面化学组成的角度定量研究蛋白质的吸附行为， 具体的结论如下： 1 制备了一系列具有不同表面功能基团种类和密度的载体材料，其表面功能基团密度分别 为：7 2 x 1 0 4 m m o l r n 2 ( c o o h ( h ，高密度) ) ，5 1 1 0 4 m m o l m 2 ( c o o h ( l ，低密度) ) ， 5 5 x 1 0 - 4 m m o l m 2 ( o h ( h ) ) ，4 3 x 1 0 - 4 m m o l m 2 ( 。o h ( l ) ) ，6 5 1 0 4 m m o l m 2 ( c f 3 ) 。 2 b s a 在载体表面为单层吸附，平衡时的吸附量：p s c f 3 c o o h ( l ) 一c o o h ( h ) o h ( l ) 一o h ( h ) ；载体表面功能基团与吸附b s a 数量之比为：9 7 ( 一c f 3 ) 、9 5 ( c o o h ( l ) ) 、1 4 7 ( - c o o h ( h ) ) 、9 1 ( 一o h ( l ) ) 、1 3 2 ( p s - o h ( h ) ) ，b s a 与载体表面之间的疏水作用力起主要 作用，载体表面亲水基团的引入使吸附量下降。 3 载体表面b s a 吸附速率：一c f 3 ( 1 6 2 7 ) p s ( 2 1 5 9 ) 一c o o h ( l ) ( 2 4 3 1 ) 一c o o h ( l ) ( 3 0 6 1 ) 一c o o h ( l ) 一c o o h ( h ) 一o h ( l ) 一o h ( h ) t h er a t i oo fs u p p o r ts u r f a c ef u n c t i o n a l g r o u p sa n da d s o r p t i o na m o u n to fb s ai s ：9 7 ( 一c f 3 ) ，9 5 ( - c o o h ( l ) ) ，14 7 ( p s c o o h ( h ) ) ， 9 1 ( - o h ( l ) ) ，13 2 ( - o h ( l ) ) t h eh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nb s aa n dt h es u p p o r t p l a y e dam a j o rr o l ei nt h ea d s o r p t i o n t h ei n t r o d u c t i o no fh y d r o p h i l i cg r o u p so nt h es u p p o r t s u r f a c ei n d u c e dt h ed e c r e a s eo fs u r f a c ea d s o r p t i o nc a p a c i t y 3 t h ea d s o r p t i o nr a t eo fb s ao nt h es u p p o r t ：c f 3 ( 1 6 2 7 ) p s ( 2 15 9 ) 一c o o h ( l ) ( 2 4 31 ) c o o h ( h ) ( 3 0 61 ) o c h 3 c o n h c h 3 。蛋白质在c h 3 上的吸附速率要大于o c h 3 ，吸附速率与基团 的疏水性成正比。蛋白质与疏水表面之间比亲水表面有着更强的作用力，这一点可以从m a r s h 8 浙江理工大学硕士学位论文 等【2 7 】的研究中得到证实。8 乳球蛋白在一c h 3 表面的吸附量为一o h 表面的3 倍，而且经过缓冲 液淋洗后c h 3 表面也残留更多的蛋白质。r o a c h 3 0 等的研究结果表明，牛血清白蛋白( b s a ) 和纤维蛋白原( f i b r i n o g e n ，f i b ) 在疏水的甲基表面比亲水的羟基表面吸附速度更快，f i b 的吸 b麓&眄娑：zfjgj媳 兰一 森心 图1 - 6 b s a 乘i f g 在表面的吸附 附是一个多步过程，经历构象的调整，其在c h 3 表面的吸附黏合常数为o h 表面的三倍：而 b s a 由于其椭圆形的外形，在表面吸附为单一过程，如图1 7 所示。 由于强烈的疏水作用，蛋白质在疏水表面的的吸附往往经历取向和构象的变化。蛋白质 二级或三级结构的变化可以通过红外光谱中的特征吸收峰加以判别。a m i d ei 和l a m i d ei i 的强 度之比被视为定量研究蛋白质结构和取向的变化有力手段t 】。r o a c h i 3 0 1 等发现蛋白质与c h 3 表面强烈的相互作用会导致大量a 螺旋的丢失，同时发现p 折叠和无规结构增加。n o i n v i l l e 【z 刨 等发现在o t s 表面的吸附使b s a 丢失了1 3 的螺旋结构，并转变成其他自组装结构；l y s 贝1 j 失 去了4 的多肽骨架，0 【。胰凝乳蛋白酶丢失1 0 的多肽骨架；但是球状结构的脂肪酶吸附在 o t s 表面却没有发现二次结构上的变化，这可能与它的分子结构更加稳定有关。 1 3 1 2 含氟基团 由于氟原子半径小，电负性大，含氟表面具有很多独特的性能，如低的表面能、自清洁 性等，因此被广泛地用于抗生物结垢材料、蛋白质吸附等方面。 蛋白质倾向于吸附在疏水性表面，但由于含氟聚合物低的界面自由能，从而减少蛋白质 在表面的吸附【3 l l 。t a n g 等用氟化聚氨酯研究蛋白质吸附，发现f i b 吸附量明显减岁3 2 j 。w e r t z 和s a n t o r e l 3 3 】从吸附动力学方面展开了研究，与羟基和甲基比较，b s a 和f i b 在含氟表面有最 大的吸附速度。b s a 的分子尺寸4 o x 4 o x l 4l l i n 3 ，f i b 为5 o x 5 0 x 4 7 n m 3 。在吸附刚开始时，两 种蛋白质与表面接触的面积分别为2 31 1 1 1 1 2 和7 5 n m 2 ，说明它们都以“e n d o n 和“s i d e o n 的方式 吸附到表面，取向与表面的化学组成无关。这表明在吸附初期，表面化学基团对蛋白质以亲 水或疏水残基吸附没有选择性。此外，利用氟亲和标记技术，含氟的表面可以用来选择分离 9 肽分子为模版研究了含氟基团随蛋白质构象的影响，发现含氟纳米粒子能诱导p 1 8 多肽中的 无规卷曲向q 螺旋转变，而且随着溶液中纳米粒子浓度的增加，转变的趋势增加。在相同的 实验条件下，表面为甲基的纳米粒子则没有发生这种结构的转变。可能的原因是纳米粒子与 多肽之间以疏水作用为主导，纳米粒子上的全氟烷基侧链有利于d 1 8 多肽中q 螺旋的富集。 w e r t z 和s a n t o r e 【3 3 】的研究发现吸附在含氟载体表面的b s a 干i f i b 有较大程度的铺展，而吸附在 羟基表面的蛋白质几乎没有铺展。 一 1 3 2 亲水性表面 极性基团( o n o h 、c o o h 和- n h 2 ) 对水分子有较大的亲和能力，带有极性基团的表面易 于被水润湿。在水溶液中，o h 呈中性，。c o o h 和- n h 2 可以部分电离带有电荷，蛋白质与其 相互作用表现出不同的吸附行为【38 1 。在亲水性载体表面，带电基团与表面带相反电荷的蛋白 质之间的静电相互作用通常是蛋白质吸附到表面的驱动力，表面的吸附数量取决于它们之间 的静电平衡。静电作用是一种长程力，受到溶液离子强度及p h 的影响1 3 引。与疏水表面不同， 亲水表面吸附的蛋白质一般不会经历二级或三级结构上的变化，因此亲水基团表面一般具有 良好的生物相容性。 1 3 2 1 羟基 羟基为亲水性基团，一般认为在表面引入羟基会使蛋白质的吸附量减少【1 23 0 4 0 i 。 b a l a k r i s h n a n 等1 3 6 】研究了c f 3 、c h 3 、n h 3 、c o o h 和o h 几种组装膜表面的蛋白质吸附， 发现f i b 和h s a 在。o h 表面均有最小的吸附量。g o n c a l v e s 等1 4 l j 研究了表面羟基含量与蛋白质 吸附量之间的关系，发现随着羟基含量的减少，h s a 的吸附量从1 3m g m 2 增加到3 5 m g m 2 ， 两者之间呈良好的线性关系。然而也有些研究结果认为，蛋白质( 如纤维连接蛋白和清蛋 白) 能够特性吸附到羟基化的表面上使吸附量增加。v a l d e s 等1 4 2 j 在n 娟o n 膜( 一种全氟化聚合 物磺酸盐阳离子交换膜) 上引入甲基丙烯酸羟乙酯( h e m a ) ，发现表面羟基含量最高时蛋白质 吸附量最大。m a r g e l - 等 4 3 1 发现h s a 会优先吸附到羟基自组装膜表面，接下来是甲基和含氟表 1 0 浙江理t 大学硕士学位论文 面。k o 等f 删比较了p s i ( 光合体系i 蛋白) 在低表面能表面( 一c h 3 、c f 3 ) 和高表面能表面( o h 、 c o o h ) 的吸附情况，发现p s i 在低表面能表面几乎没有吸附。当o h 含量小于0 5 时几乎没有 发现p s i 的吸附，o h 含量为0 7 5 时，p s i 吸附量达到最大值。可能的原因是在蛋白质溶液中 加入的表面活性剂t r i t o nx 1 0 0 ( p e g 的一种) 吸附在p s l 分子表面，提高了p s i 的水溶性，结果 阻止了p s i 在低表面能表面的吸附。 多糖分子表面富含羟基，通过适当的改性，可以选择性的吸附蛋白质，因此常被用于蛋 白质的分离纯化与抗吸附等方面。c a t t o l i 等f 4 5 j 以多糖亲和膜为载体研究了麦芽糖结合蛋白 ( m b p ) 的吸附行为。发现随着n a c i 浓度的增加，膜表面蛋白质吸附量增加而吸附速率、吸附 与脱吸附速率则下降，说明蛋白质与膜之间亲和性降低。o s t e r b e r g 等【4 6 】报道了在聚苯乙烯表 面引入纤维素的衍生物，其抗蛋白质吸附效果几乎与p e g 相当。在玻璃表面接枝的三种聚多 糖( 聚褐藻酸、聚透明质酸、聚果胶酸) 不仅对b s a 、f i b 、l y s 和丙酮酸激酶等四种蛋白质具 有抗吸附性能，而且表现出了对海洋生物的抗污染性能1 4 川。 研究蛋白质吸附行为的另一个重要方法是计算机模拟。计算机模拟能够以更加直观的方 式展示表面化学基团与蛋白质的相互作用，以及表面基团对蛋白质的取向、构象、排布和吸 附后蛋白质活性的影响。通过对一o h 自组装膜的分子模拟，可以发现在o h 上覆盖有几层水 分子层，这些水分子与o h 基团有着强烈的相互作用，从而阻止了蛋白质在表面的吸附 4 8 1 。 h s u 等人【4 9 j 模拟了端羟基自组装单分子膜表面的h a s 吸附，发现h a s 分子以8 种不同的取向角 吸附于表面，其中以“b a c k o n 和“f r o n ts l a n t o n 两种取向居多。 1 3 2 2 羧基 羧基呈弱酸性，在p h 值大于7 时电离，带负电荷，同时c o o 一与水分子有很强的氢键作 用。在高离子强度下，c o o h 与蛋白质之间静电吸附被溶液中离子效应屏蔽，使表面吸附量 下降。蛋白质在c o o h 表面的吸附既有静电作用也有氢键和亲疏水作用，从而表现出独特的 吸附行为。 h o l l m a n 和c z e s l i k 【5 0 】研究了表面为聚丙烯酸( p a a ) 刷的纳米粒子与b s a 分子的相互作用。 发现在p h 大于b s a 等电点时，b s a 分子强烈的吸附到球状聚电解质e u ( s p b ) 上，并且与溶液 离子强度有很大的关系。w i t t e m a n 等【5 l 】研究了以聚苯乙烯为核心的s p b ，发现了相同的现象。 他们对此的解释是：蛋白质表面有带正电和负电的残基，聚电解质分子链与带正电的残基形 成复合体，这一过程使体系的熵增加进一步推动了蛋白质的吸附。z h a n g 等【5 2 j 用含羧酸甜菜 浙江理工大学硕十学位论文 碱基团两性聚合物( p c b ) 作为载体研究纤维蛋白的吸附。p c b 上带正电的季胺基和带负电的 羧基使它表现出两性离子的性能。在低的离子强度范围( n h 2 c o o h o h ，处于状态2 的蛋白质的量则是c h 3 - n h 2 o h c o o h ，表面总的蛋白质吸附量为c h 3 - n h 2 o h c o o h 。通过特定的蛋白质残基 与表面基团之间发生特异吸附，可以实现对蛋白质的选择性吸附【5 4 1 。p e g 纳米微球表面为 o c h 3 时，检测到了卵清蛋白( 0 v a ) 和b s a 的吸附，而l y s 和细胞色素c ( c y t o c h r o m ec ) 贝j j 没有 吸附到表面；纳米微球表面布满c o o h 时，以上四种蛋白质都没有在表面吸附。 图1 - 8 不同端基的p e g 对蛋白质的选择性吸附 z h o u 等5 5 1 模托2 7 c y t o c h r o m ec 在分子自组装的。c o o h 表面的吸附。c y t o c h r o m ec 上的 1 2 浙江理工人学硕士学位论文 l y s ( 赖氨酸) 2 5 、l y s 2 7 、l y s 7 2 和l y s 7 9 与带负电荷的c o o h 表面发生强烈的静电作用而吸附 到表面，而g i n ( 谷酰胺) 1 6 、t h r ( 苏氨酸) 2 8 、t h r 4 7 和l i e ( 异亮氨酸) 8 1 与表面的作用力为范德 华力。c y t o c h r o m ec 是一种膜电子传递蛋白，要达到最大的电子传递效果，c y t o c h r o m ec 中 的亚铁血红素基团必须以垂直于表面的取向吸附。随着表面c o o h 密度的增加，c y t o c h r o m e c 的取向由原来的亚铁血红素矢量倾斜于所吸附的表面慢慢变得垂直。r o b e r t 等【4 8 】的模拟结 果同样说明了带负电荷的c o o h 的表面与带相反电荷的氨基酸残基相互吸引。与n h 2 表面 不同，蛋白质与c o o h 之间不能形成稳定的氢键。除了静电作用，部分疏水残基的c h 2 基团 暴露出来与c o o h 表面发生疏水作用。 1 3 2 3 胺基 胺基在溶液中带正电荷，会与带相反电荷的蛋白质分子残基之间发生静电作用，将其吸 附到表面。胺基可以物理吸附或共价连接到金、银、玻璃和硅等固体表面，还可以用来连接 生物大分子如抗体和酶，因此常用在生物传感器、酶固定化等方面【5 6 1 。 s a p s f o r d 矛l l i g l e r 5 7 1 发现在- n h 2 表面吸附的b s a 几乎和c h 3 表面的相当( 为c h 3 表面的 7 8 ) 。f i b 与c h 3 表面之间的相互作用为疏水作用，与- n h 2 表面的作用为静电作用，其在- n h 2 表面吸附量为c h 3 表面的6 3 。由于l y s 和胺基表面均带正电荷，两者之间存在静电排斥， 导致t l y s 在n h 2 表面吸附量减少，只有c h 3 表面的8 左右。s i l i n s s 】的研究结果与l i g l e r 相 似，b s a 和人免疫球蛋白( h i g g ) 在表面的吸附量的排列顺序是c h 3 c o o h n h 2 。尽管- n h 2 表面与c o o h 表面一样亲水，但h l g g 吸附到n h 2 表面却更少。c h a p m a n 5 9 1 在聚合物膜表面 接枝带- n h 2 的化合物并考察其抗蛋白质吸附性能。结果发现蛋白质吸附量很低，几乎和分子 自主装的o e g 表面的吸附量相当。由于不同的等电点，聚胺表面的f i b 吸附量是l y s 的8 倍之 多。a d e m o v i c 等1 6 0 】发现在多糖上引入胺基可以有效的防止蛋白质在表面的吸附，这一性能 使其可用作生物材料表面的抗吸附涂层。 v i n s o n 等【6 l 】研究了h a s 在自组装n h 3 + 和s i o x 两种表面的吸附，发现h a s 分子上的带负 电残基与n h 3 + 发生静电吸引从而被吸附到表面，其在n h 3 + 表面吸附可能有两种情况，一种 是以“s i d e o n ”和少量的“t i l t e d o n ”的取向形成单层吸附，一种是两层吸附，取向均为“s i d e o n ”。 而在s i o x 表面却没有发现h a s 的吸附。 的 n h 2 基团强烈的相互作用而形成的氢键，如图1 - 9 所示。除了形成氢键的吸附，也有静电作用而 导致的吸附，但是静电作用往往涉及到水分子，且不如氢键稳定。 1 4 课题的提出 蛋白质在载体表面的吸附关系到材料的生物相容性，对其性能起直接的决定作用。蛋白 质的吸附行为在很大程度上取决于载体材料的表面化学组成，它影响蛋白质吸附速率、吸附 量以及蛋白质在载体表面的排布和构象等吸附行为，并进而影响蛋白质的生物活性。调控载 体材料表面化学基团，已成为控制载体表面化学组成并进行蛋白质吸附研究的重要手段，对 于理论研究和实际应用都具有重要的意义。目前，已有多种材料表面改性方法用于此项研究， p n s a m s 、表面涂覆、等离子体照射、紫外光接枝和化学氧化等1 1 2 5 66 2 6 4 1 。这些方法通过控 制材料的表面化学结构来研究蛋白质在材料表面的吸附。其中，又以s a m s 最受研究者的关 注，它是用带有功能基团的烷基硫醇在金表面自组装成单分子层的表面，具有容易制备、表 面高度取向、基团种类多样等优点。但是，蛋白质的吸附不仅受到载体表面基团种类的影响， 同时还受到载体表面基团密度的影响。而s a m s 和其它方法对载体表面功能基团密度还难以 有效的定量控制。 利用端基功能化聚合物在表面的离析可以控制载体表面基团密度，是实现定量化研究的 重要方法。端基功能化聚合物可视为一个多组分体系。对于多组分体系而言，为降低界面自 由能，不同表面能的组分在聚合物表面的离析随界面环境变化而变化。采用端基功能化的聚 合物对载体材料表面进行改性能够有效地将端基离析在材料表面。选择表面能低于高分子主 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 链的基团如甲基、氟化基团等，可得到表面疏水的载体材料。选择表面能高于高分子主链的 基团如羟基、羧基、胺基等，可得到表面亲水的载体材料。在本课题组先前的研究中【6 5 1 ，通 过将端羧基和端羟基的p s 共混浇注于玻璃板上成膜，根据界面能最低原理，极性基团离析到 玻璃表面，非极性基团离析到空气面，这样便可以得到表面带有功能基团的聚合物载体材料。 通过调节端基功能化聚合物的加入量便可以有效的控制表面功能基团的含量。 蛋白质在载体材料表面的吸附行为一直是生物材料领域研究的热点，对此已有大量的相 关报道，但在定量化研究上仍显缺乏。本文拟从控制载体表面化学组成( 功能基团的种类和 数量) 的角度，初步实现定量研究蛋白质在载体材料表面的吸附行为。具体研究思路如下： 首先利用原子转移自由基聚合，合成带有不同端基( 如c o o h 、。o h 、c f 3 ) 的聚苯乙烯；将 这些带有功能基团的聚苯乙烯与普通聚苯乙烯共混，利用端基功能化聚合物在表面的离析效 应，在聚苯乙烯表面定量引入功能基团，得到基团种类和数量可控的载体材料；在此基础上， 研究蛋白质分子在载体表面的吸附实验，其中包括等温吸附、吸附动力学、不同的溶液条件 ( p h 和离子强度) 等，探讨功能基团种类与数量对蛋白质吸附行为的影响；进一步选择生物活 性易于检测的酶分子( 脂肪酶) 为研究对象，探讨功能基团的种类与数量对酶的吸附行为和活 性的影响。 浙江理工人学硕士学位论文 第二章聚合物的合成与载体材料的制备及表征 高分子材料的许多应用涉及其表面性能，如印刷性能、湿润性、润滑性能以及生物相容 性等。但是，单一的一种高分子材料很难同时满足实际应用中对其本体和表面性能的要求， 因此常需要对表面进行改性。高分子材料的表面改性方法很多，如面化学反应、电晕处理、 离子体表面处理和表面接枝等。利用上述方法虽然能改善高分子材料的表面性能，但对材料 表面基团的种类和数量难以精确的控制。利用共混或某一组分离析到表面能克服上述缺点， 但另一组分的引入在一定程度上会影响材料的本体性能( 如力学性能、透明性) 。近年来研究 发现，通过小分子的端基功能化聚合物与大分子聚合物的共混离析可以改变原聚合物表面性 能。由于功能化端基在高分子链两端，含量往往较低，对本体性能影响很小，目前被认为是 一种能精确控制表面基团种类和数量的改性方法1 6 引。 端基功能化聚合物是一个多组分体系，对于多组分体系而言，为了使界面自由能降低， 不同表面能的组分在表面的离析随界面环境变化而改变。利用端基功能化对聚合物材料表面 进行改性能够使端基有效地离析在材料表面。选择表面能低于高分子主链的基团，如甲基、 氟化基团等，可得到表面疏水的载体材料；选择表面能高于高分子主链的基团，如羧基、羟 基、胺基等，则可以得到表面亲水的载体材料。 目前，利用低表面能的功能化端基提高材料表面疏水性的研究较多，如采用甲基、氟化 端基提高聚环氧乙烷、聚苯乙烯表面的疏水性。这不仅与实际应用中对低能表面的需求有关， 还与这类基团一般离析在聚合物与空气的界面处，容易检测有关。采用高表面能的功能化端 基以提高材料表面亲水性的研究对实际应用( 如材料粘结性、生物相容性) 同样重要，但高分 子材料的d n - - r _ 过程通常是在非极性的空气环境中进行的，这样的界面环境不利于高表面自由 能功能化端基的离析，各种表面技术也难于探测，因此研究相对较少。 端基功能化聚合物也被用于改善高分子材料的界面结构与性能。一些学者尝试采用亲水 性端基来提高聚合物的相容性。如聚二甲基硅氧烷与聚丁二烯两种聚合物相容性差，在聚二 甲基硅氧烷中；h i l 入端胺基化聚二甲基硅氧烷，聚丁二烯中加入端羧基化聚丁二烯，由于端基 在两聚合物界面处的离析，两种聚合物相容性得到明显的增强【6 刀；利用聚苯乙烯中端羧基在 环氧树脂聚苯乙烯界面处的离析，使界面粘结性提高1 6 引。在端基化聚苯乙烯中加入少量端 胺基化的氘化聚苯乙烯后，在两者界面处，端胺基与酸酐端基发生反应形成两亲性的嵌段共 聚物，增强了他们之间的相容性1 6 9 】。这种反应性端基的引入使得两种组分相分离不完全，从 1 6 浙江理工大学硕士学位论文 而也会影响共混物载体表面的化学组成【7 0 1 。 为了得到表面带有不同化学基团的载体材料，本章将采用原子转移自由基聚合( a t r p ) 合 成端羧基的聚苯乙烯，然后通过对端羧基的改性，得到其他功能基团的聚合物；小分子量的 端基功能化聚苯乙烯与大分子量的聚苯乙烯共混成载体，通过玻璃板的诱导作用是功能基团 离析到载体表面，从而制得所需载体材料。a t r p 合成及端基改性后的聚合物，利用f t - i r 、 1 h n m r 、g p c 等技术手段进行表征；对载体材料，利用t g a 、a f m 、d c 、m b 染色法、 x p s 等手段进行表面性能和化学组成的表征。 2 1 实验部分 2 1 1 实验原料与仪器 2 1 1 1 实验原料 表2 - 1 实验原料一览表 名称分子式等级生产商 苯乙烯 四氢呋喃 对溴甲基苯甲酸 五甲基二乙基三胺 环己酮 无水硫酸镁 溴化弧铜 氢化钙 氢氧化钠 中性氧化铝 无水乙醇 乙醇胺 三氟乙胺 c 5 h 8 0 2 c p c 4 h 8 0 a r c s h 9 b r 0 2 c p c 9 h 2 3 n 3 c p c h 2 ( c h 2 ) 4 c o m g s 0 4 c u b r c a l l 2 n a o h a 1 2 0 3 c 2 h s o h c 2h 7 n o c f 3 c h 2 n h 2 1 7 中国医药上海化学试剂公司 浙江杭州双林试剂厂 a l d r i c h a l d r i c h 杭州高品精细化】：有限公司 无锡展望化工试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 中国医药上海化学试剂公司 浙江杭州萧山化学试剂厂 浙江杭州萧山化学试剂厂 天津永火化学试剂有限公司 f i s h e r a c r o s r r r p p p r r r a a a c c c a g g 浙江理工大学硕士学 ! c 7 ：论文 3 a 分子筛 二甲苯 聚苯乙烯 二环己基碳弧酰胺 亚甲基蓝 磷酸氢二钠 磷酸二氢钾 去离子水 钠a 型 c 6 h 4 ( c h 3 ) 2 ( c h 2 c h c 6 h s ) n c 1 3 h 2 2 n 2 c 2 7 h 2 8 b r 2 0 s s n a 2 h p 0 4 k h 2 p 0 4 h 2 0 国药集团化学试剂有限公司 杭州高晶精细化1 二有限公司 a l d r i c h 国药集团化学试剂有限公司 f i s h e r 杭州汇酱化j j 二有限公司 杭州汇普化t 有限公司 实验室自制 2 1 1 2 实验仪器 凝胶色谱仪( w a t e r s 15 0 c ) t g a 热分析仪( p y r i s l ) 原子力显微镜( x e i 1 0 0 e ) 红外光谱红外仪( n i c o l e ta v a t a r 3 7 0 ) a v a n c ei i 4 0 0 核磁共振仪 液滴分析仪( d s a10 m k 2 ) x 射线光电子能谱仪( p h i 5 0 0 0 ce s c a c ) 无水无氧装置 可见紫外分光光度计( u v 19 0 0 p c ) 精密分析天平( b a l1 0 s ) 2 1 1 3 试剂的纯化 美国w a t e r s 公司 美国p y r i se l m e r 公司 韩国p a s i 公司 美国n i c o l e t 公司 瑞士b r u k e r 公司 德国k i u s s 公司 美国p h i 公司 实验室自制 日本岛津公司 北京赛多利斯天平有限公司 ( 1 ) 苯乙烯单体的精制参照文献p l 】进行。在2 5 0 m l 的分液漏斗中加入1 0 0m l 苯乙烯，用 2 0 m l 的5 n a o h 溶液洗涤多次至水层为无色。用5 n a o h 溶液的目的是除去单体中的阻 聚剂。用2 0 m l 蒸馏水继续洗涤苯乙烯，直至水层呈中性。加入适量无水m g s 0 4 干燥。过滤 除去干燥剂后，再加入c a h 2 ，密闭搅拌4 h 。然后在c a h 2 存在下进行减压蒸馏，收集产品加 入无水c a h 2 密封低温保存。 ( 2 ) 溴化亚铜( c u b r ) 的精制依据文献【7 2 】报道进行纯化处理。 1 8 r r r r r p a a a a a c 浙江理工人学硕士学位论文 ( 3 ) 对溴甲基苯甲酸的精制通过乙醇重结晶的方法进行。 ( 4 ) 环己酮的纯化处理参照文献的方法进行。将无水c a h 2 加入环己酮中，密闭搅拌 2 4 h ，在c a h 2 存在下进行减压蒸馏( 无水无氧) ，产品加入无水c a h 2 密封低温保存。 2 1 2 聚合物的制备与表征 2 1 2 1 聚合物的制备 ( 1 ) 端羧基聚苯乙烯的制备 p s c o o h 的制备参照文献【硎方法进行，本实验中各物质的计量比( 摩尔l l ) 女u - v ：苯乙烯： 对溴甲基苯甲酸：溴化亚铜：五甲基二乙基三胺：环己酮- 1 0 0 ：2 ：1 ：3 ：1 1 0 。经过抽烤、 氮气置换处理的三口瓶中，在n 2 保护下依次加入计量对溴甲基苯甲酸、溴化亚铜、环己酮、 苯乙烯单体、五甲基二乙基三胺，反应温度8 0 。c 左右，在恒温油浴中反应4 h 。将聚合物在乙 醇中沉淀后，用四氢呋哺和乙醇溶解、沉淀数次纯化后，在鼓风烘箱中5 0 。c 干燥至无溶剂， 然后转移至真空干燥箱中4 0 干燥4 8 h 后备用。 ( 2 ) 端羧基聚苯乙烯的改性 羧酸与二环己基碳亚酰胺( d c c ) 在二甲基甲酰胺中反应，首先生成活性中间体，继而与 胺反应，以定量产率生成酰胺【7 5 】。p s c o o h 在d c c 的脱水缩合作用下，与小分子的胺反应， 使羧基变成其他基团。对端羧基聚苯乙烯的端基改性参照文献进行，反应式如下所示： d c c p s - - c o o h + h 2 n c h 2 c h z o h p s c o n h c h 2 c h 2 - o h p s c o o h + h 2 n 。c h 2 c f 3 导p s c o n h c h 2 c f 3 t h f 具体的操作步骤如下：在1 0 0 m l 三口烧瓶中加入5 9 本实验室制得的端羧基聚苯乙烯， 溶于2 0 m l 除水的四氢呋喃，冰浴下加入0 5 9 d c c ( 过量) ，搅拌反应2 4 h ；移除冰浴，加入 l m l 乙醇胺或三氟乙胺( 过量数倍) ，室温下反应4 8 h 后将溶液过滤，出去生成的副产物d c u ， 用乙醇、四氢呋哺沉淀溶解数次，产物溶解于环己酮，过滤除去过量的d c c ，乙醇沉淀后 于鼓风干燥烘箱中5 0 干燥至无溶剂，然后转移至真空干燥箱中4 0 干燥4 8 h 后备用。所 得聚合物的分子量和分子量分布列于表2 2 中。 1 9 p d i 2 1 1 1 1 3 1 1 1 3 1 1 1 3 ，美国) 上测定。以t h f 为 流动相，3 5 。c ，标准聚苯乙烯为标样。 聚合物的红外光谱在n i c o l e ta v a t a r 3 7 0 红外光谱红外仪( n i c o l e t ，美国) 上测定。k b r 盐 片上涂膜。 聚合物1 h n m r 谱在a v a n c ei i 4 0 0 核磁共振仪( b r u k e r ，瑞士) 上测定。以c d c l 3 为溶 剂，t m s 为内标。 2 1 3 载体的制备与表征 2 1 3 1 载体的制备 为使各基团离析在聚苯乙烯载体表面( 如图2 1 ) ，p s h 与端基功能化的聚苯乙烯分别配 置成5 ( 州的二甲苯溶液，两者按照一定比例混合均匀，浇注于经等离子体处理的玻璃片上， 其过程如图2 2 所示，聚合物载体与空气接触的那一面称为空气面( a i r - s i d e ) ，与玻璃接触的 那一面称为玻璃面( g l a s s s i d e ) 。为使界面自由能最低，疏水性基团离析在聚合物空气面，而 亲水性基团离析在聚合物玻璃面【77 1 。玻璃片上的溶液先室温干燥2 4 小时，再1 5 0 。c 常压干 燥约1 0 小时，以除去载体中剩余溶剂和使功能基团进一步离析。 图2 - 1 表面带有不同基团的聚苯乙烯载体图解( a ) 羧基( b ) 羟基( c ) 氟甲基 2 0 2 1 3 2 载体表面性能的表征 g l a s ss i d e 娉嚣端渊梦 毒p o l y m e rs u p p o r t ， a i rs i d e 图解 载体的表面形貌分析在原子力显微镜( p a s i 公司，韩国) 上进行，测试条件为室温下湿度 4 0 5 0 ，采用轻敲模式。 接触角的测定和表面能的计算接触角的测试在d s a1 0 m k 2 液滴分析仪( k r u s s 公司， 德国) 上进行。测试液为水和二碘甲烷，所用液滴体积为5 9 l 。测试在2 5 。c ，5 0 的湿度下进 行。 x 射线光电子能谱( x p s ) 分析聚合物样品表面元素组成分析在p h i 5 0 0 0 ce s c a c ( p h i 公司，美国) x 射线光电子能谱仪上进行。以m gk a x 为射线源，高压1 4 0 k v ，功率2 5 0 w ， 测试角度4 5 。采用a u g e r s c a n 3 2 1 软件进行数据处理，以c c 的c 1 s = 2 8 5 e v 为基准进行结 合能校正。 载体表面的芎电位在a n t o np a a rs u r p a s s 固体表面电位分析仪上测定，每个样品重复测试 三次，取平均值。 2 1 3 3 载体表面基团密度的测定 在p h = 7 缓冲溶液中，端羧基聚苯乙烯的端羧基表面带有负电荷，亚甲基蓝( m b ) 上有季 铵盐，在中性条件下带正电，所以产生静电吸附作用，载体表面被染色。当用p h = 7 的缓冲 溶液清洗时可洗去游离的m b ，而与表面羧基结合的m b 不能被洗去。但是在p h = 3 的缓冲 溶液中，羧基表面不带电荷，因此羧基与m b 的结合将被破坏，所以表面m b 将被释放出来， 亚甲基蓝在6 6 3 n m 处有最大吸收峰，由紫外分光法可测得其含量，即可得到载体表面羧基 含量【7 8 - 8 0 1 。 2 1 3 ) r e l e a s e ： h o 萨h p h - 3 u v s p e c t r o s c o p y mma 0 07 m w a v a l e n g l l _ lt r i m ) 图2 - 3 亚甲基兰测表面羧基含量原理图 ( 1 ) 亚甲基兰标准曲线的绘制 在1 0 一1 0 4 m m 范围内绘制亚甲基蓝溶液标准曲线。准确称取0 0 3 7 3 9 亚甲基兰，用p h = 7 的磷酸缓冲液( 0 0 2 5 m ) 溶解，与1 0 0 m l 容量瓶中定容，配成1 0 。1 m m 的亚甲基兰溶液，经两 次稀释到1 0 一m m ，之后移取x m l 于1 0 m l 容量瓶中，配置成一系列1 0 4 m m 的溶液。具体移 取量参见表2 3 。用可见紫外分光光度计与6 6 3 n m 处检测不同浓度亚甲基兰标准溶液吸光度。 以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘制标准曲线。 表2 3 配置系列浓度的亚基兰标准溶液用量 ( 2 ) 载体的酸解 由于m b 染色法只能测表面羧基含量，对于表面为p s o h 和p s c f 3 的载体，要先将其 浙江理1 ：大学硕士学位论文 酸解【8 l - 8 2 】还原为羧基，通过测表面羧基含量得到表面羟基和三氟甲基的含量。原理如下： 2 0 0 * 盐酸 p s - - c o n h - c h 2 c h 2 o h 1 1 一p s c o o h 2 0 盐酸 p s c o n h c q h 2 - c f 3 一p s c o o h 具体操作步骤如下： 将一张l l c m x1 l c m 的载体裁成大相同的1 6 片，放入1 0 0 m l 磨口锥形瓶，加入2 0 m l2 0 的 盐酸，于5 0 c 水浴震荡器震荡2 4 h ，取出载体用去离子水清洗到中性。 ( 3 ) 表面羧基密度的测定 将上述清洗过的载体放入1 0 0 m l 磨口锥形瓶( 端羧基的载体不需要经过酸解这一步) ，加入 1 0 4m ( p h = 7 ) 的亚甲基兰溶液l o m l ，室温下震荡1 2 h ，取出染色的载体用去离子水清洗，直 至溶液中没有亚甲基兰。经清洗的载体放入l o o m l 磨口锥形瓶，加入l o m lp h = 3 的缓冲溶液， 室温震荡1 2 h 。取锥形瓶中液体于6 6 3 n m 处检测溶液吸光度。 ( 4 ) 表面羧基密度的确定 用单位面积表面羧基的量表示载体表面的羧基密度。根据上面测得的标准曲线以及溶液 吸光度，按照以下公式计算表面羧基密度： 表面羧基密度( m m m 2 ) ：要型1 0 5 七s a ：溶液吸光度 b ：标准曲线截距 k ：标准曲线斜率 s ：载体面积( c m 2 ) 同一条件下的实验平行重复三次，取平均值，实验误差在5 以下。 2 2 结果与讨论 2 2 1 聚合物化学结构的表征 2 2 1 1f t i r f 3 图2 - 4 为聚合物的红外谱图。四种聚合物在3 0 0 0 c m 。1 附近和1 4 5 0 c m 。附近都出现了聚苯 乙烯的骨架中亚甲基和次亚甲基的振动吸收峰，1 6 6 7 c m q - 2 0 0 0 c m j 间聚苯乙烯中苯环倍频 的吸收峰。b 与a 相比，1 7 1 3 c m d 处明显增强，为c o o h 上羰基吸收振动峰；c 与d 的羰基 由于与- n h 相连，氮原子上的孤对电子与羰基形成p 兀共轭，吸收振动峰红移到1 7 0 0 c m 。1 附近峭3 j ；另外，3 3 1 0 c m 。1 处的小峰为n h 的吸收振动峰。与a 、b 、c 相比，d 图中1 3 6 5 c m 。 处的吸收峰增强，应为c f 3 的非对称伸缩振动吸收峰f 洲。 2 2 1 21 h n m r 【 1if、 h 淀n 晰b ， |叭 。j【 876 54 浙江理工大学硕士学位论文 f 1 | n o n h 儿一b ， b 1 叭a 、j i 84 | l ， c 睇一一kh v r b r l n hp h l 1 叭 一 一 8 7654 图2 - 5 端基功能化聚合物1 h n m r ( a ) p s c o o h ( b ) p s o h ( c ) p s c 1 图2 5 为p s c o o h 、p s o h 和p s c f 3 的1 h - n m r 谱图。谱图中6 = 7 0 左右面积较大的 峰为p s 骨架上的氢。6 = 7 9 处的小峰被认为是端羧基聚苯乙烯中苯环与羧基相连处相邻的两 个氢【7 48 5 1 。端基上的苯环与酰胺相连导致这两个氢的振动峰向低的化学位移移动，6 = 7 6 和6 = 7 4 处的小峰分别为p s o h 与p s c f 3 分子端基中对应位置的氢8 5 1 。 红外和核磁的数据表明，利用本文中的方法，我们合成了端羧基、端羟基和端三氟甲基 聚苯乙烯，为载体材料的制备打下了基础。 2 2 2 载体表面性能的表征 2 2 2 1a f m a 12 0 8 co 4 。0 - 0 4 i n ep r 蝴i b ，2 o 8 e 。 口 0 4 c b ，卜7 硝弋 爿 厂v 一、i 一曩一vi o u n ep r 酣l e ：g r e e n 丁飞刁r r ：丽 f、。、 、 吲”警兰lv 誓二y 蔓 m d 图2 - 6 载体的a f m 图( a ) 空气面高度图( b ) 玻璃面高度图( c ) 空气面粗糙度( d ) 玻璃面粗糙度 2 6 =：=i：=二缀爱薯l 1 5 0 n_二hl物缓ii 浙江理工大学硕士学位论文 本文从载体表面化学组成的角度来研究其对蛋