高度均一的聚(N-异丙基丙烯酰胺)微凝胶的可控合成与荧光示踪

摘要

非搅拌沉淀聚合法提供了一种快速、可重复的原型制备方法，可用于合成粒径分布窄且对刺激敏感的聚（N-异丙基丙烯酰胺）微凝胶。本实验方案展示了在此类微凝胶合成过程中，利用宽场显微镜系统进行光散射表征及单颗粒荧光追踪的方法。

摘要

对刺激敏感的聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）微凝胶在基础研究和多种潜在实际应用中具有重要意义。本研究以荧光标记的PNIPAM微凝胶的单颗粒追踪为例，展示如何通过一种快速非搅拌沉淀聚合法调控微凝胶的尺寸。该方法特别适用于新型反应组分与条件的原型开发，或对产物用量要求不高的应用。本实验方案详细描述了微凝胶的合成过程，以及利用动态光散射和静态光散射测定颗粒尺寸与结构的方法。结果表明，引入功能性共聚单体对颗粒成核过程及最终结构具有显著影响。通过宽场荧光显微镜进行单颗粒追踪，可研究荧光标记的示踪微凝胶在未标记高浓度微凝胶基质中的扩散行为，而此类体系难以通过动态光散射等其他方法有效表征。

引言

刺激响应性聚(N-异丙基丙烯酰胺) (PNIPAM) 微凝胶^1,2在过去二十年中因其在多种智能应用中的潜力而持续受到关注。已展示的应用案例包括可切换的乳液稳定剂^3-8、微透镜⁹、便于细胞收获的细胞培养基底^10,11，以及用于小分子化合物和其他生物医学用途的智能载体¹²。从基础研究的角度来看，这些颗粒已被证明可用于研究胶体相互作用^13-15和聚合物-溶剂相互作用^16-18等课题。

在任何特定应用中成功使用PNIPAM微凝胶及其衍生物通常需要了解颗粒的平均粒径以及粒径分布的宽度。为了正确解读涉及PNIPAM微凝胶的实验结果，必须知晓可能受功能共聚单体影响的颗粒结构。动态光散射和静态光散射（DLS和SLS）特别适用于获取这些信息，因为这些方法快速且相对易于操作，并且能够在颗粒所处的原始环境（分散体系）中以非侵入方式探测其性质。DLS和SLS还能从大量颗粒中收集数据，避免了显微镜方法因样本量小而产生的偏差。因此，本工作的首要目标是为初次接触胶体表征的研究人员介绍光散射技术的良好实践规范。

通常，沉淀聚合在实验室规模下进行，而为特定颗粒性质寻找合适的反应条件可能十分耗时，且需要多次重复合成过程。与大规模批次合成不同，非搅拌沉淀聚合^19,20....

方案

1. 微凝胶合成

注意：N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）使用正己烷重结晶。其他试剂直接使用，未经进一步处理。

1. 聚(NIPAM)基质微凝胶的传统批次合成
   1. 在装有回流冷凝器、搅拌器和橡胶隔垫的500 ml三颈圆底烧瓶中，将1.8 g NIPAM和24 mg N,N'-双丙烯酰胺（BIS）溶于245 ml经滤膜（0.2 µm再生纤维素（RC）膜滤器）过滤的重蒸馏水中。
   2. 通过隔垫插入一支温度计和一根120 mm长的针头用于通入氮气。
   3. 在搅拌下将溶液加热至60 °C，并持续通入氮气40分钟以除去溶液中的氧气。
   4. 同时，将155 mg过硫酸钾（KPS）溶于5 ml过滤后的重蒸馏水中配制引发剂溶液，并向该溶液中通氮气以去除氧气。
   5. 将全部5 ml KPS溶液转移至一支经氮气冲洗过的注射器中，并装上120 mm长的针头。
   6. 将氮气针头提升至液面以上，通过橡胶隔垫迅速将KPS溶液注入反应器中。
   7. 在60 °C、持续通氮气和缓慢搅拌条件下进行聚合反应1小时。
   8. 使用布氏漏斗和滤纸过滤热反应液，以去除大颗粒聚集体，然后让分散液自然冷却。
   9. 将分散液在257,000 × g条件下离心并重新分散三次，每次40分钟，最后将沉淀物重新分散于最小可行体积的重蒸馏水....

结果

批次中 PNIPAM 微凝胶颗粒的数量，从而最终颗粒体积，在反应初期的成核阶段即已确定²⁰。疏水性共聚单体染料甲基丙烯酰氧乙基硫代卡巴酰基罗丹明 B 通过降低批次中颗粒数密度来影响成核过程。对于两种不同初始 NIPAM 浓度，随着染料浓度增加，颗粒浓度降低表现为坍塌状态下平均最终颗粒体积增大，如图 1所示。体积的增大可归因于该疏水性共聚单体染料，它在反应早期促进微凝胶核的聚集，从而降低颗粒浓度并增大最终颗粒体积。

成功的动态光散射（DLS）测量结果如图2所示。对于体积最小的六个粒子批次，平均衰减率 Γ₂ 与 q² 呈线性关系，且在误差范围内 y 轴截距为零，表明这些批次的粒径分布相.......

讨论

添加少量功能性共聚单体可显著影响由PNIPAM制备的微凝胶的粒径和结构。同时进行小规模试管聚合是评估此类变化的有效方法，有助于快速确定目标粒径所需的反应物配比，以便根据需要放大反应规模。当使用热分解引发剂（如KPS）时，颗粒质量与聚合温度大致呈指数关系 ²⁰，因此为保证良好的重复性，必须在反应器内建立稳定且精确的温度控制。如果能够尽量减少与批量合成相关的干扰因素（例如对反应混合物进行过于剧烈的搅拌以消除大型反应器中的温度梯度，或使用过量的引发剂溶液导致引发阶段反应温度发生变化），常规间歇反应与非搅拌反应所得的最终颗粒体积通常具有较好的一致性。

动态光散射是一种成熟且快速的方法，用于测定大量粒子的扩散行为 原位然而，必须在多个散射角度下采集数据。若仅在某一任意角度进行动态光散射（DLS）测量，而该角度恰好与形态因子的极小值重合，或在粒径分布较宽的情况下，所获得的表观扩散系数.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
丙酮	VWR Chemicals	KRAF13455
双丙烯酰胺	AppliChem	A3636
正己烷	Merck	104374
N-异丙基丙烯酰胺	Fisher Scientific	AC412785000	用正己烷重结晶
甲基丙烯酰氧乙基硫代氨基甲酰罗丹明B	Polysciences	23591
过硫酸钾	Merck	105091
硅油 47 V 350	VWR Chemicals	83851
甲苯	Sigma Aldrich	244511
F12 制冷/加热循环器	Julabo	9116612
显微镜	Olympus	IX83
XY(Z) 压电系统	Physik Instrumente	P-545.3R7
100倍油浸物镜	Olympus	UPLSAPO
四线分光镜	AHF Analysentechnik	F68-556T
Cobolt Jive 150 激光器	Cobolt	0561-04-01-0150-300
多模光纤	Thorlabs	UM22-600
iXON Ultra 897 EMCCD 相机	Andor	DU-897U-CS0-BV
激光测角仪	SLS Systemtechnik	Mark III
CF40 冷冻紧凑型循环器	Julabo	9400340
激光测角仪系统	ALV GmbH	ALV / CGS-8F
多τ相关器	ALV GmbH	ALV-7004
光散射电子设备	ALV GmbH	ALV / LSE 5004
光子计数模块	PerkinElmer	SPCM-CD2969	2个单元以伪互相关模式运行
633 nm 氦氖激光器	JDS Uniphase	1145P
F32 制冷/加热循环器	Julabo	9312632