（分析化学专业论文）聚异丙基丙烯酰胺温敏型色谱固定相的制备及性能研究.pdf

摘要 本论文以n 异丙基丙烯酰胺为温敏单体，采用不同的方法制备了三种新型的单分散聚合物温 敏色谱f 古 定相，应用于生物大分子、药物等的分离和色谱温敏性能研究，取得了很好的效果。 论文主要包括以下几部分： 1 以丙烯腈和异丙醇为原料，以浓硫酸为催化剂，在石油醚为反应介质中合成了温敏单体n 一 异丙基丙烯酰胺。详细考察了原料配比、反应时间、温度控制等对产率的影响，并通过熔点 仪、红外和核磁对合成的单体进行了表征。结果表明，单体的纯度较高，产率在6 0 以上。 2 以2 5 岫的单分散聚苯乙烯为种子，乙二醇二甲基丙烯酸酯( e d m a ) 为交联荆，甲苯和环己 醇为致孔剂，采用“一步种子溶胀聚合法”制备单分散微球，再用过硫酸钾为引发剂把水溶性 单体n 一异丙基丙烯酰胺分子引发聚合到微球表面，制各了粒径为7 0r m 的单分散交联聚合 物温敏色谱固定相。详细考察了该填料对标准蛋白的分离性能、温敏性能、动态吸附容量等 性能。结果表明，该填料具有分离性能、温敏性能良好和吸附容量人等优点。 3 以自制的6 0 岫单分散人孔交联聚甲基丙烯酸环氧丙酯一乙二醇二甲基丙烯酸酯( p g m e d m a ) 微球为基质，以n 一异丙基丙烯酰胺为单体，采h j 原子转移自由基聚合( a t r p ) 方法制备了一种 新型温敏色谱填料。并对聚合反应过程，单体的接枝率，分离性能和温敏性能进行了详细的 考察。结果表明，温敏单体的接枝率为1 0 4 ，该填料具有很好的分离性能和温敏性能，使 五种芳香烃化合物剑达了基线分离，三种低温_ 卜分不开的芳香烃通过改变温度到达很好的分 离。 4 以自制的7 0 岬单分散犬孔交联聚氯甲基苯乙烯二乙烯基苯( p c m s ，o v e ) 树脂为基质，采用 a t r p 方法制备了一种新型温敏色谱填料，并对聚合反应过程，单体的接枝率，分离性能和 温敏性能进行了详细的考察。结果表明，该填料单体的接枝率在1 1 5 以上，并对酸性药物、 酸碱性混合药物具有很好的分离性能和温敏性能，实现了对酸性混合药物的快速分离。 关键词：聚合物温敏色谱同定相，n 一异丙基丙烯酰胺，原子转移自由基聚合，生物大分子，芳 香烃化合物，药物 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , n - i s o p r o p y la c r y la m i d ew a su s e da st h e r m o - s e n s i t i v em o n o m e r , t h r e en e w p o l y m e rt h e r m o - s e n s i t i v ec h r o m a t o g r a p h i cs t a t i o n a r yp h a s ew e r ep r e p a r e db yd i f f e r e n tc h e m i c a l m o d i f i c a t i o nm e t h o d ，w h i c hw e r eu s e dt os e p a r a t ep r o t e i na n dd r u g s ，a n ds t u d i e so nc h r o m a t o g r a p h i c t h e r m o - s e n s i t i v ep r o p e r t i e s t h es a t i s f a c t o r yr e s u l t sw e r eo b t a i n e d t h ep a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ： 1 n i s o p r o p y la c r y l a m i d ew a ss y n t h e s i z e di np e t r o l e u me t h e r , u s i n ga c r y l o n i t r i l ea n di s o p r o p y l a l c o h o la sr a wm a t e r i a l sa n dc o n c e n t r a t e ds u l f u r i ca c i d 笛a c a t a l y s t i t sr a wm a t e r i a lr a t i o ，r e a c t i o n t i m e ，t e m p e r a t u r ew a se v a l u a t e di nd e t a i lt od e t e r m i n et h ee f f e c to ni t sy i e l da n dt h em o n o m e rw a s c h a r a c t e r i z e dt h r o u g ht h em e l t i n gp o i n ti n s t r u m e n t ，i ra n d1 hn m r t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e m o n o m e ro f p u r i t yw a sm o r et h a n6 0 2 u s i n g2 5 岫m o n o d i s p e r s ep o l y s t y r e n ea ss e e d s ，e t h y l e n eg l y c o ld i m e t h y la c r y l a t e ( e d m a ) a s c r o s s l i n k i n ga g e n t ，t o l u e n ea n dc y c l o h e x a n o la l sp o r o g e n ，o n e s t e po fs e e ds w e l l i n gp o l y m e r i z a t i o n m e t h o dw a sa p p l i e df o rp r e p a r a t i o no fm o n o d i s p e r s eb e a d s t h e nt h em o n o m e ro fn i p a mw a s p o l y m e r i z e do nt h es u r f a c eo ft h em o n o d i s p e r s eb e a d st op r e p a r et h e7 0p mm o n o d i s p e r s e t h e r m o - s e n s i t i v ec h r o m a t o g r a p h i cs t a t i o n a r yp h a s e t h es t a t i o n a r yp h a s ew a se v a l u a t e di nd e t a i lt o d e t e r m i n ei t ss e p a r a b i l i t y , t h e r m o s e n s i t i v i t ya n dd y n a m i ca d s o r p t i o nc a p a c i t y t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h es t a t i o n a r yp h a s eh a sb e t t e rs e p a r a t i o np e r f o r m a n c e ，t h e r m o - s e n s i t i v ep r o p e r t i e sa n dl a r g e a b s o r p t i o nc a p a c i t ya n ds oo n 3 u s i n g6 0 埘mm o n o d i s p e r s em a c r o p o r o u sc r o s s l i n k e dp o l yg l y c i d y lm e t h a c r y l a t e e t h y l e n eg l y c o l d i m e t h a c r y l a t e ( p o m a e d m a ) m i c r o s p h e r e s a sa m a t r i x ，an e wt y p eo ft h e r m o s e n s i t i v e c h r o m a t o g r a p h i cp a c k i n g sw a sp r e p a r e db ya t o mt r a n s f e rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ( a t r p ) m e t h o d t h es t a t i o n a r yp h a s ew a se v a l u a t e di nd e t a i lt od e t e r m i n ei t sp o l y m e r i z a t i o np r o c e s s e s ，m o n o m e r c o n v e r s i o nr a t e ，s e p a r a t i o np e r f o r m a n c ea n dt h e r m o s e n s i t i v i t yp r o p e r t i e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e c o n v e r s i o nr a t eo ft h e p a c k i n gw a s 10 4 a n di th a sg o o ds e p a r a t i o np e r f o r m a n c ea n d t h e r m o - s e n s i t i v i t yp r o p e r t i e s f i v ek i n d so fa r o m a t i cc o m p o u n d st oo b t a i nt h eb a s e l i n es e p a r a t i o n a n dt h r e ek i n d so fa r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ，w h i c hw e r en o ts e p a r a t e da tl o wt e m p e r a t u r e s ，c o u l db e s e p a r a t e db yc h a n g i n gt h et e m p e r a t u r e 4 t h en e wt h e r m o s e n s i t i v ec h r o m a t o g r a p h i cs t a t i o n a r yp h a s ew a sp r e p a r e db ya t o mt r a n s f e rr a d i c a l p o l y m e r i z a t i o nm e t h o d ，u s i n g7 0 f i lm o n o d i s p e r s em a c r o p o r o u sc r o s s l i n k e dc h l o r o m e t h y l a t e d s t y r e n e - d i v i n y l b e n z e n e ( p c m s d v b ) r e s i na sam a t r i x 。t h es t a t i o n a r yp h a s ew a se v a l u a t e di nd e t a i l t od e t e r m i n ei t sp o l y m e r i z a t i o np r o c e s s e s ，m o n o m e rc o n v e r s i o n ，s e p a r a t i o np e r f o r m a n c ea n d t h e r m o - s e n s i t i v i t yp r o p e r t i e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg r a f t i n gy i e l do fm o n o m e ro nt h es u r f a c eo f p c m sd v bb e a d si sm o r et h a n1 1 5 ，a n da c i dd r u g s ，m i x e dd r u g sw e r ew e l ls e p a r a t e do nt h en e w t h e r m o s e n s i t i v ec h r o m a t o g r a p h i cs t a t i o n a r yp h a s eb yc h a n g i n gt e m p e r a t u r e s k e y w o r d ：p o l y m e rt h e r m o s e n s i t i v ec h r o m a t o g r a p h i cs t a t i o n a r yp h a s e ，n i s o p r o p y la c r y la m i d e ， a t o mt r a n s f e rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ( a t r p ) ，b i o m a c r o m o l e c u l e s ，a r o m a t i cc o m p o u n d s ，d r u g s 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了i 胄十意。 研究生签名：盈父伽苁菇时问：，纠口年7 月j 垌 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：磋欠弘蕾衣时间：伽年3f j 厅日 导师签名： 时间：年月只 宁夏人学硕l j 学位沦文第一帝文献综述 皇皇曼曼曼曼! 量曼i m m i m 曼曼曼 第一章文献综述 1 i 高效液相色谱固定相简介 高效液相色谱 h i g hp e m 岫a l l c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y , h p l o ) ，是利用高压输液泵驱使流动 相通过装填同定相的色谱柱，按照溶质在固液相之间的分配机理对混合物进行分离的方法。该技 术的实施除了具有专用的高压输液系统和高灵敏度检测系统等设备之外，最关键的还需要有高效 的分离柱。分离柱是液相色谱的核心，高效分离柱填料的研究是现代液相色谱方法赖以建立和发 展的基础。 目前液相色谱的同定相依据其组成大体上可以分为无机基质填料( 硅胶、氧化铝、羟基磷灰 石、多孔石墨炭、二氧化锆等) 、有机基质填料( 多糖和高分子聚合物) 和复合型填料三种【1 1 。其 中硅胶填料机械强度人、柱效高、孔径和颗粒大小易丁控制，是目前应埘最为广泛的一类无机填 料。但其存在着p h 应用范围窄( 2 0 8 o ) 、在蛋白分离中硅胶表面残余的硅羟基对蛋白质产生不可 逆吸附等缺陷，从而导致蛋白质的质量同收率降低，生物活性损失。在某些复杂样品中，若需要 对丁强碱性样品分离，则需要在较高的p s 值卜才能有效分离。冈此，硅胶基质难以满足强碱性 化合物拆分的需要。多糖类基质，如b i o g e lp 、s p a n d e x 、s e a h o r s e 等与蛋向质有很好的生物兼 容性，所得产品生物活性和质量同收率高，但胶质软，即使交联也只能在较低压力卜使j | = f j 【2 1 。2 0 世纪末，随着合成技术的进步，许多性能优异的新一代高效填料竟相出现，促使整个液相色谱技 术获得了k 足发展 3 - 6 1 。聚合物基质填料具有良好的生物兼容性、化学稳定性及易下被衍生化的优 点【7 j ，使其在生物犬分子分离中的地位愈来愈重要。它的亲水性减小了基质与蛋白之间发生非特 异性相互作用的机会，可龟广泛的p h ( 1 1 2 ) 值范围内使用：并且对于样品的负载能力强，有较 高的色谱容量。这些特点显著优了：硅胶。为改进硅胶的性能，还可将高聚物涂敷或共价聚合到硅 胶或其他无机物( 氧化铝，氧化锆，羟基磷灰石) 等的表面，既有良好的机械强度，又具有聚合 物基质的化学稳定性和选择性【9 】。因此，高分子类型填料具有广阔的发展前景，尤其对于分离纯 化活性生化物质和手性分离中所表现的良好性能，已越来越受到研究者和应用者的重视。 1 2 合成高聚物填料的常见方法 1 2 1 悬浮聚合法 自从m o o r e 于1 9 6 4 年席朋有机基质作为色谱填料以后，在长时期内，高分子微球的合成一 直采川此种方法【1 0 川。这种聚合方法合成j - = 艺简单，应用最为广泛。合成出的微球粒度分布范围 很宽，必须经过分级处理才能麻用- y h p l c 。但是分级处理过程却非常麻烦，而且处理后的颗粒 仍不够均匀，使得色谱柱效降低。 1 2 2 分散聚合法 宁夏人学硕卜学f 童论文第一奄支献综述 分散聚合是二十世纪7 0 年代初由英国i c i 公司的研究者提出的一种新的制备单分散微球的聚 合方法l l2 。，该方法实际上是一种在分散介质中加稳定剂的沉淀聚合。反应开始前，单体、稳定剂 和引发剂都溶解在有机介质中形成均相体系；反应开始后，引发剂分散引发单体聚合，当聚合物 分子量达到临界链长后，就会在介质中沉淀析出形成小颗粒；小颗粒借助于分散稳定剂悬浮于介 质中，形成稳定的分散体系。从理论上讲，油溶性和水溶性单体都可以进行分散聚合，但目前研 究最多的还是苯乙烯【1 3 彩】、甲基丙烯酸甲酯1 2 6 , 2 7 1 ；乖 1 甲基丙烯酸环氧丙酯2 8 1 。在分散聚合中，单体 浓度除了影响聚合速率外，主要是影响聚合介质的溶解性，从而影响聚合物颗粒的粒径及其分布。 t s e n g 和l u 等人 2 6 j 研究了分散聚合动力学，p r o c h a z k a 等人【2 9 1 及l u 等人【2 6 】提出了分散聚合的热 力学模型，研究了分散聚合体系中聚合物颗粒内的溶胀现象及单体、引发剂和溶剂在颗粒内外的 分布，得到了可以接受的预计结果。p a i n e 蛐】研究了分散聚合体系稳定机理、溶剂的作用及聚合反 应场所，提出了一个简单的分散居和机理模型，根据这个模型可以较成功的预计聚合物颗粒直径。 目前对分散聚合的机理研究有多种方法并都有一定的实验证明，但是还不能定论。人们主要 倾向行于两种机理，一是齐聚物沉淀机理 3 h ，二是接枝共聚物聚结机理1 3 2 1 。 1 2 3 种子溶胀聚合法 种子溶胀聚合法是制备各种不同物理、化学结构的单分散、大颗粒聚合物微球的一种有效方 法，所谓种子溶胀法就是先用无皂乳液聚合、分散聚合或雾化法等方法制成小粒径单分散聚合物 颗粒，然后以此为种子用单体进行溶胀，使颗粒长大，再引发聚合，这样就可以制得大粒径单分 散聚合物微球。根据合成：艺又可以将种子溶胀聚合法分成常规溶胀聚合法、逐步溶胀聚合法、 两步溶胀聚合法、动力学溶胀聚合法及一步溶胀聚合法五种。 合成单分散并具有一定孑l 结构的高分子聚合物微球作为常用的分离介质，一直是高分子科学 以及相关应用领域中颇受重视的研究内容。以这类树脂为基质的高效液相色谱填料，具有优异的 分离性能，尤其对丁提高梓效和增强穿透性十分有利。普遍认为u g e l t a d 等【3 3 】发明的“两步种子 溶胀聚合法”是合成单分散微球较为有效的方法。目前按照“两步种子溶胀聚合法”合成的聚合物微 球有：交联聚苯乙烯【3 4 j 、交联聚甲基丙烯酸甲酯( 3 5 】、交联聚甲基丙烯酸环氧丙酯【3 6 i 、交联聚氯甲 基苯乙烯p7 j 等。由丁要进行两步溶胀并聚合，该方法制备过程较繁琐、合成条件苛刻，致使最终 微球的粒径控制困难。1 9 9 5 年日本科学家o g i n oe ta l t 3 8 】发明了“一步种子溶胀聚合法”并成功地制 备了单分散交联聚苯乙烯树脂。g o n g 等采用“一步种子溶胀聚合法”合成了大孔单分散交联聚甲 基丙烯酸环氧丙酯( p g m e d m a ) 树脂，并以该树脂为基质成功地用于生物大分子的分离纯化 1 3 9 - 4 1 。目前为j ：，聚烷基大冬酰胺、烷基聚硅氧烷、聚乙烯n 比咯烷酮、聚乙烯、聚n 磺乙基天 冬酰胺、聚乙烯呃胺、聚胺、聚丁二烯马来酸、聚乙烯咪唑等f 4 2 】材料都已用于色谱同定相。 然而，随着高分子材料学的发展，智能聚合物( s m a r tp o l y m e r s ) 材料也逐渐应用到色谱领域 当中。 1 3 智能高分子材料的概述 智能高分子是一种功能高分子材料4 引。此类物质的特性是当外界环境( 如温度、p h 值、电场、 2 宁爱人学硕卜学何论文第一章文献综述 j l ； 一； 一 i 曼曼曼! ! 皇! ! ! 曼曼曼皇曼皇笪曼曼曼皇曼曼曼量曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇 光、离子强度、外加试剂或磁场等) 发生微小变化时，聚合物分子微观结构会发生快速、可逆的转 变。导致材料由水溶性变为不溶性，由亲水性变为疏水性m 1 。转变在宏观上表现为聚合物在水溶 液中溶解度的变化或聚合物水凝胶体积和含水量的变化。最初，人们发现在生物体内组成生命的 主要成分( 如蛋白质、碳水化合物以及核酸等) 都具有类似的性质。近几十年出现了人工合成的功 能性聚合物，它们能对外界环境的变化产生预期的响应。因此这类聚合物又被称为“刺激响应性” 聚合物( s t i m u l u s r e s p o n s i v ep o l y m e r s ) 。刺激响应性是智能高分子材料的显著特征。当受到环境刺 激时这种凝胶结构、物理性质、化学性质可以就会随之响应，随外界环境改变而变化，材料呈现 相转变行为。这种响应体现了凝胶的智能性。 智能聚合物的上述刺激响应性结构转变主要是在水溶液中进行的，因此在生物技术和医学等 领域得到了广泛的应脂。目前，最常见的智能聚合物有水溶性聚合物、吸附于载体表面的聚合物、 智能水凝胶等三种存在形式。根据所受的刺激信号不同，可以将高分子凝胶分为不同类型的刺激 响应性凝胶。如温敏性凝胶，p h 敏感性凝胶，电场响应性凝胶，光敏性凝胶等。在很多情况下， 智能材料会对多种刺激均产生响应，如凝胶对电场，温度，p h ，离子强度等均有响应，所以上述 分类方法侧重于使j h j 条件下对具体的刺激信号的响应。详细内容如下： 1 3 1 温度敏感性聚合物 温度敏感性聚合物( t e m p e r a t u r e - r e s p o n s i v ep o l y m e r s ，t r p ) 是研究最，“泛的一类智能材料。 因为温度的变化容易实现，且不会改变体系的化学组成。大部分物质的溶解度会随温度升高而增 大，但t r p 材料的溶解度会随温度升高而降低。这主要是由丁此类物质通常不带电荷，它们在水 溶液中的可溶性主要是由于与水分子形成氢键。温度或离子强度的提高都将会破坏氢键，有利于 聚合物分子内或分子间的疏水作用，使聚合物分子相互聚集，发生沉淀。这种聚合物通常具有较低 临界溶解温度( 1 0 w e rc r i t i c a ls o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，l c s t ) 。低于此温度，聚合物和水分子间存在氢 键作j ，聚合物溶于水中，温度上升，高于临界温度，氢键作用已经不足以维持聚合物分子的可 溶性，从而发生相变产生沉淀。而当体系温度降低时，聚合物义能可逆溶解。 聚( n - 异丙基丙烯酰胺) ，( p o l yn i s o p r o p y l a c r y l a m i d e ，p n i p a m ) 是研究较充分的n 材料， 在水溶液中的l c s t 为3 2 。c 其结构为： o n h 图1 1n 异丙基丙烯酰胺 f i g 1 一in - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e 相变时，由丁温度升高，线型高分子链与水分子形成的氢键被破坏，高分子链发生分子链构 象的变化，由伸展的无规线团( c o i l ) 结构转变为蜷曲球( g l o b u l a r ) 结构，这种构象的变化一般认为是 亲水作刚和疏水作用相互竞争的结果1 4 引。具体过样如图l - 2 所示： 3 宁夏大学硕 学f z 论文 第一幸文献综述 焉h 2 0 p n i p a a m 叁 9 岛 霭 l c s t 以下l c s t 以上 图l 一2p n i p a m 相转变示意图 f i g i - 2t h ep h a s et r a n s i t i o nd i g r a mo fp n i p a m 当作为分离介质时，往往需要增加t i 心材料的热敏性。热敏性的提高可以提高材料的相变速 率，进而影响聚合物的溶涨退涨速率，这样可以增加样品在色谱柱上的保留和选择性。为了得剑 设计的热敏性和提高材料的亲水性，n 烷基丙烯酰胺经常与亲水性单体如丙烯酸，甲基丙烯酸共 聚合。共聚除了能提高材料热敏性之外，当共聚单体为含有阴离子团的丙烯酸【4 6 1 或阳离子团的二 甲氨基丙基丙烯酰胺【47 j 时，还会引入离子交换功能团，使共聚材料的l c s t 、疏水性、电荷密度 等性质随单体浓度可控。调：1 ，热敏性的另外一个方法是改变聚合物的链结构，如川梳犁结构代替 线犁结构，梳型结构中的较长的接枝链能够提供疏水区域，聚合物水溶胶收缩时能加速脱水4 引。 梳型聚合物结构如图1 3 所示： ( a ) 正常结构( b ) 梳型结构 图i - 3 梳型聚合物示意图 f i g 1 - 3t h ed i a g r a mo fc o m bp o l y m e r t r p 材料的l c s t 可以通过改变组分中亲水或疏水单体的含量来改变。如n i p a m 与亲水性单 体丙烯酰胺( a c r y la m i d e ，a a m ) 共聚，会使共聚物的亲水性$ i l c s t 增加。反之，如果n i p a m 与 疏水性较强的单体止丁基丙烯酰胺( n b u t y la c r y la m i d e ，n t b a a m ) 共聚，会使共聚物的亲水性 和l c s t 降低1 4 9 】。图l _ 4 表示了单体含量丰t l l c s t 之间的关系。 4 宁夏大学硕卜学位论丈 第一章丈献综述 口 o 1 。 憎甜* 略从辅h a 啊嘲删蝴n 图l4 共聚物中单体含量和l c s t 的关系 f i g 1 - 4t h er e l a t i o n s h i pb c t w e l lt h ec o n t e n to f m o n o m e ra n dl c s ti nc o p o l y m e r t r p 材料的制备通常有两种方法。是通过臼由基聚合：将温敏性单体( 如n i p a m ， n - v i n y l i s o b u t y r a m i d e ) 等在交联剂( 如二甲基丙烯酸乙二醇酯) 存在下由自由基引发共聚合。二 是对已有聚合物化学改性，由v 射线引发，在交联聚合物表面接枝温敏性侧链【5 0 1 。 1 3 2p h 敏感聚合物( p h - r e s p o n s i v ep o l y m e r s ) p h 敏感聚合物中通常都含有弱酸( 如聚丙烯酸1 5 i 】) 弱碱( 如聚4 氯吡啶【5 2 】) 基团，当外界 p h 改变时，这些基团既可作为质子给体和也可作为质子受体。由基团结构的改变引起材料性能 的改变。聚丙烯酸( p a a m ) 和聚甲基丙烯酸( p m a a m ) 分子链上含有人量可电离的c o o h 基团，因 而是一类具有p h 值敏感特性的智能高分子。当溶液p h 值高于丙烯酸的p k a 时，c o o h 呈解 离状态，此时p a a m 的亲水性加强，同时c o o 静电排斥作用导致p a a m 链以伸展的无规线团 ( c o i l ) 构象存在，体系自由能降剑最低；当溶液p h 值低于丙烯酸的p k a 时，由于c o o h 的亲 水性低于c o o ，p a a m 的亲水性减弱，疏水性相对增强。对甲基丙烯酸而言，情况类似。p h 值 低t - p m a a m 的p k a 时，由于骨架碳链及侧链甲基的疏水相互作用，p m a a m 采取高度压缩线团 ( g l o b u l a r ) 构象，随p h 值的升高，c o o h 解离获得负电荷，库仑静电作用导致p m a a m 转化 为较为松散的伸展构象。所以改变溶液p h 值将引起丙烯酸类聚合物的构象转型5 。这类聚合物 中，聚合物链之间的静电排斥作崩力是控制聚合物沉淀溶解，聚合物水溶胶溶涨收缩，聚合物 表面亲水疏水等性质的关键。 1 3 3 电场敏感聚合物( e l e c 仃of i e l d r e s p o n s i v ep o l y m e r s ) 电场敏感的聚合物实际上是既对p h 值敏感又对电场敏感的一类聚合物材料。当外加电场时， 聚合物形状会发生溶涨、退涨、弯曲等改变。如部分水合的聚丙烯酰胺凝胶与正负电极相接处时， 即使外加电压很小，也会产生很人的体积收缩。外电场作- i - f ，水合h + 向负极移动，导致正极区 域的凝胶材料火水。同时，聚丙烯酸中的负电荷( c o o 一) 受静电吸引，偏向正极，使整个材料 受剑偏离轴向的压力，宏观表现为材料弯曲。这两种作用共同发生时，聚合物凝胶体积收缩而失 水【5 3 j 。 5 翮 铂 翘 协 o 8 ) 卜毁x l基叁口臣口壮 宁夏大学顾 + 学化论史第一章文献综述 1 3 4 光敏感聚合物0 i g h t r e s p o n s i v ep o l y m e r s ) 目前，智能高分子的光响应机理有以下三种：将遇光能够分解的感光性化合物添加到高分子 凝胶中，在光的刺激作用下，凝胶内部将产生大量离子，引起凝胶内部渗透压的突变，溶剂由外 向内扩散，促使凝胶发生体积相转变，产生光敏效应；在温敏性凝胶中加入感光性化合物，当凝 胶吸收一定能量的光子之后，感光化合物将光能转化为热能，使得凝胶内部局部温度升高，当温 度升高剑凝胶的相转变温度时，凝胶就会溶胀或收缩，发生体积相转变：更为常用的方法是在高 分子主链或侧链引入感光基团，这些感光基团吸收了一定能量的光子之后，就会引起某些电子从 基态向激发态的跃迁。此时，处丁高能激发态的分子会通过分子内部或分子间的能量转移而发生 异构化作月j ，引起分子构型的变化。例如偶氮苯及其衍生物在紫外光照射下其分子结构会发生顺 反异构的变化，由“v ”字型的反式异构体转变成棒状的顺式异构体，不仅分子尺寸发生大的变化， 同时也改变了大分子链间距离，从而导致相转变的发生 5 4 , 5 5 j 。 1 3 5 化学敏感聚合物 有些凝胶的溶胀行为，会冈特定物质( 如糖类) 的刺激而发生体积突变，例如约物释放凝胶体系 是依据病灶引起的化学物质进行自反馈，通过凝胶的溶胀与收缩米控制约物的释放。最具有代表 性的葡萄糖敏感型智能系统是利用了p h 值敏感型高分子和葡萄糖氧化酶( g l u c o s eo x i d a s e ) 的系 统。在p h 值敏感型高分子组成的水凝胶内包埋葡萄糖氧化酶后，葡萄糖浓度升高时，葡萄糖受 葡萄糖氧化酶作蚪j 而变为葡萄糖酸( g l u c o n i ea c i d ) ，凝胶内的p h 降低，凝胶溶胀，释放出内部所 贮存的胰岛素( i n s u l i n ) 。i s h i h a r a 等用甲基丙烯酸- n ，n 一二乙氮基乙酯( d m a e m ) 、甲基丙烯酸一2 羟基基丙醋( h p m a ) 。a a m 组成共聚物制备成葡萄糖氧化酶载体膜，发现葡萄糖存在时膜的透 过性增高，能释放出胰岛素。 1 3 6p h 和温度双敏感智能聚合物 研究最多的是双重敏感水凝胶，如p h 温度敏感水凝胶、光热敏感水凝胶、电热敏感水凝胶 等。其中以p h 温度敏感水凝胶的研究尤为活跃，如p a r k 等5 6 1 刚温度敏感的n i p a m 与p h 敏感 的阿l 离子单体d m a p a a m 以9 7 3 的摩尔比共聚，制备了p h 和温度敏感水凝胶。结果p h 敏感 区在7 4 ，温度敏感区为3 7 ，凝胶的溶胀度变化最大。 6 ：三尘耋譬：耋堡耋三茎：耋銮墼耋耋 c 伯a c 图l - 5p h 和温度对凝胶的溶胀影响 f 嘻i - $ t 1 1 e 栅k bo f p h d 肿p 啪r i l r c 。n t h eg e ls w e l l i n g 14 智能聚合物在色谱分离中的应用 智能聚合物由于其良好的生物相容性，在生物分离，生物结合_ 日能给药，蚓定化生物催化 蛋白质复性。免疫测定等领域都有，。泛应用。在分离科学领域智能聚台物已被丁疏水( 反相) 色谱离子交挽色谱体积排阻色谱，亲和色谱等不同模式的分离。 l 4 1 疏水作用色谱( h y d r o p h o b i c i n t e r a c t i o nc h r o m a t o g r a p h y ) 智能高分子材料通常涂敷在硅胶基质表面作为色谱固定相。p n i p a m 政性的硅胶表现出对温 度依赖的亲水疏水性质。在l c s t 以f ，聚合物的亲水性好，在l c s t 以上，由于发生相变，聚台 物亲水性减弱，疏水性增强。这种同定相对温度表现出非常快速和可逆的亲水，疏水性质的改变。 这样在r p - h p l c 模式f 可以用温度梯度来代替流动相梯度。p n i p a m 改性硅胶既可以用自由基 聚合也可以j j 已有聚合物侧链馥性的方法来制备。已报道的用丁改性硅腔的聚合物有 p o l y ( n i p a m - c o - b u t y l m e t h a c y l a t e ) i ”1 ，p o l y f n m a m - e o - a e r y l l ca c i 山吧 p o l y ( n i p a m - c o - b u t y i m e t h a c r y t a t e - e o - n ，n _ l i m e t h y l a m i n o p r o p y l a e i - y l a m i d e ) t 4 ”“，p o l y 州i p a t t l e o - a c r y l i e a c i d - e o - n - t e r t - b u t y l a c t y l a m i d e ) i 她叫等温敏聚台物，p o l y n f f l p a m - c o - b u t y l m e t h a - c y t a 瞄 改性的硅胶被川来进行多肚的分离。如用于胰岛素a 链，胰岛素b 链 脑啡肚三种多肚的分离， 发现温度梯度能够迅速改变鲥定相的表面性能，形成温度调节的多肽洗脱特征岬j 。这种州智能高 分子改性的硅胺吲定相在使玎i 过程中，能够利用温度来调1 y 保留和分离效果，从而减少或不j ；溶 剂梯度，特别适h j 于需要反复调节溶液梯度才能洗脱的体系。文献”报道了使, 4 p n i p a m 改性砘 脞分离5 种甾类化台物。 在低于l c s t 时( 3 2 c ，此时p n i p a m 是水合井且亲虞的) ，甾粪化台物保留不好。高于l c s t 时所有化合物得到来矗好分离，并且保留时间随温度升高延长，可能是由于p n i p a m 与甾类化 台物的疏水相互作崩随温度升高而增强。 宁夏夫学顾 ：学位论文第一帝文献综述 曼iii i i i 舅曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 外消旋体n ( 3 ，5 - d i m i 订o b e n z o y l ，d n b ) 的拆分中用到了温敏聚合物改性的手性固定相( 用手性 化合物a c r y l o y l l - v a l i n e - n m e t h y l a m i d e 年l l n , n d i e t h y l a m i d e 类似物来改性硅胶) 1 6 2 1 。分离过程中对 映体选择性和保留值由温度控制，温度改变时手性聚合物通过自身疏水性的变化来改变分子链的 收缩和舒张，对酰胺类化合物的立体选择和保留能力都随柱温的升高而增强。p n i p a m 改性的固 定相还应用除草剂等样品的分离。在低温时( 1 0 。c ) 色谱峰重叠，温度升高后，达到很好的分离 6 3 1 。 1 4 2 离子交换色谱 对p h 和温度均敏感的三元共聚物p o l y ( n i p a m - c o a a c - c o t b a a m ) 改性的硅胶可用于阴离子 交换色谱同定相【舶捌。在此三元共聚物中，a a c 提供阴离子交换的官能团，疏水性较强的t b a a m 来改变共聚物的疏水性。温度的改变可以同时影响共聚物的疏水性和电荷密度。此同定相对温度 年l l p h 的改变都有响应，可川来在水相中对多肽进行分离。( a ) p h = 4 0 ，水( b ) p h = 7 0 离子强度0 1 ， ( c ) p h = 7 0 离子强度0 5 。可以得到，此嘲定相对温度、p h 和离子强度都很敏感【5 9 1 。刚p o l y ( n i p a m c o b m a - c o - d m a p a a m ) 改性硅胶的可以用作温敏型的阿f 离子交换色谱l 爿定相【4 引。这种| 司定相可 以在水溶液中等度洗脱分离生物活性样品。 1 4 3 体积排阻色谱( s i z e - s e l e c t i v es e p a r a t i o n ) 温敏性聚合物也常用作体积排阻色谱的填料，p n i p a m 接枝改性的硅胶表面再包覆葡聚糖和 二乙基乙酰胺，可以用于体积排阻色谱畔j 。在低温条件下，蛋白质在该基质中溶解很好，主要是 由于l c s t 以下，p n i p a m 的亲水性性质，增加了基质的孔隙率。当温度升高时，p n i p a m 与蛋白 质的疏水相互作用增加，某些组分的保留延长。a d r a d o s 等【6 5 】制备了羟丙基醋酸纤维素微球，并 将其用于排阻色谱，在室温条件下，微球溶涨，有尺寸较大的孔，可以保留分子量小于2 0 0 0 0 的 蛋白分子，升高温度，聚合物微球收缩，只能保留分子量小于1 4 0 0 0 的蛋白。p n i p a m 接枝到多孔 玻璃微球上的材料已被用于凝胶渗透色谱f 嘲。使用巯基丙酸作为链转移试剂，对p n i p a m 端基进 行功能化，然后与氨基化的多孔玻璃进行酯化反应，就可得到改性的多孔玻璃微球。装柱后，洗 脱不同分子量的葡聚糖，此时改变温度，葡聚糖的洗脱时间在2 5 3 2 。c 范嗣内随温度而变。这是由 于多孔玻璃微球表面p n i p a m 链的构象# i c o i l s 型转变为g l o b u l e s 露 j _ ，导致渊定相的孔径发生改变。 h o s y a 等h 两步种子溶涨法制备了多孔聚苯乙烯微球接技p n i p a m ，这种温度调节孔径的填料也已 片jt - h p l c l 67 | 。首先制备聚苯乙烯种子，将种子经两步溶涨聚合，然后接枝n i p a m 进行表面改性。 溶涨聚合过程中使删环己醇或甲苯在中作为制孔剂效果是不同的。利用环己醇作为制孔剂时，所 有孔的表面都被p n i p a m 所覆盖，制备的微球尺寸相对也很均匀。用甲苯作为制孔剂时，仅微球 表面接枝了p n i p a m 且微球表面形态粗糙。这种表面结构会影响对葡聚糖的洗脱。h ；j 环己醇作制 孔荆的微球，温度升高时，对大分子量葡聚糖的保留时间延长，这可能是由于高温条件下p n 玎p a m 分子链收缩，增加了孔径，使得葡聚糖分子能够流经更多的孔。相反，甲苯制孔的微球，高温时 对人分子耸葡聚糖的保留减弱，这可能是由丁所有的p n i p a m 都接枝在微球外表面，高温条件( 温 度高+ t - l c s t ) 下分子链收缩，外表面积缩小，一定程度上阻手当了葡聚糖分子进入孔道。 8 宁夏人学硕卜学位论文第一帝文献综述 1 4 4 亲和分离( a f f i n i t ys e p a r a t i o n ) 当智能聚合物加入到待分离物中时，聚合物可与目的蛋白形成亲和复合物，在适当刺激信号的 作用下，聚合物蛋白质复合物发生沉淀，从而将目的蛋白质分离出来。如果聚合物蛋白质亲和 复合物可用简易的方法再次分开，即可用于蛋白质的分离，这一过程称为亲和沉淀【6 8 l 。在亲和沉 淀过程中，智能聚合物能够将失活( 高级结构破坏) 的蛋白质重新折叠，使其恢复活性；在帮助蛋 白质折叠的同时，