环状聚合物的合成及其在熔融态下单分子扩散运动的表征

本实验的总体目标是在缠结条件下，在单分子水平上表征拓扑聚合物（尤其是环状聚合物）的扩散运动。该方法有助于回答聚合物物理领域中的一些关键问题，例如聚合物的拓扑依赖性时空动力学。该技术的主要优势在于，可以在单链水平上对异质扩散进行定量表征，而这种异质性通常在一定程度上被掩盖。

开始此实验步骤时，将苝二酰亚胺盐溶解于150毫升水中，然后将单官能团聚四氢呋喃溶解于4毫升丙酮中。将丙酮溶液逐滴加入剧烈搅拌的水溶液中。通过真空过滤收集生成的沉淀物。

接下来，将沉淀物溶于甲苯，配制成浓度为5毫克/毫升的溶液。回流反应4小时。待溶液冷却后，在减压条件下通过旋转蒸发完全除去溶剂。

完成后，将残留物溶解于正己烷:丙酮（2:1）的混合液中，并将所得溶液通过一小段硅胶柱进行过滤。随后将滤液加入冰水浴中，使产物析出。制备聚合物熔融样品时，取100 µL未标记的线性聚四氢呋喃（poly(THF)）加入玻璃瓶中，用吹风机加热至约25 °C。

在氯仿中配制浓度为10⁻⁶ molars的荧光标记聚合物溶液。然后取1微升该溶液加入到100微升未标记的线性聚(四氢呋喃)熔体中。用移液枪头充分混合样品后，用吹风机加热蒸发氯仿。

使用微量移液器将10微升样品滴加到一块已清洁的盖玻片上。将另一块已清洁的盖玻片覆盖在样品上，用塑料镊子轻轻按压使两块盖玻片贴合。接着，将物镜加热器安装到倒置显微镜的物镜上，并将温度设置为30°C。

在物镜上滴加一滴浸油，并将样品置于显微镜载物台上。通过检测样品顶面和底面的轴向位置，确保样品厚度约为10微米。然后将显微镜焦距调节至样品底面上方几微米处。

随后，对 CCD 相机应用电子倍增（EM）增益，以获得单个荧光分子的高质量荧光图像。现在，使用控制相机的软件设置一个感兴趣区域。为优化实验条件，通过调节插入激发光路中的光圈，将样品的照明区域调整至直径约 20 微米。

通过手动选择插入激发光路中的适当中性密度滤光片，将样品处的激发激光功率设置为四至八毫瓦。最后，在100至200赫兹的帧率下，记录500至1000组熔融状态下含荧光染料聚合物的荧光图像序列。对四臂和八形聚合物进行了时间分辨的单分子荧光成像，结果显示由于将高荧光性的苝二酰亚胺荧光染料引入聚合物链中，出现了空间上分离的明亮且锐利的荧光点。

通过均方位移分析确定的扩散系数的频率直方图呈现出宽泛的分布，这种分布源于分析过程中的统计误差以及扩散行为的异质性。频率直方图明显偏离均质扩散模型，表明聚合物分子表现出非均质扩散特性。单高斯和双高斯模型均能较好地拟合实验获得的累积分布函数，结果表明所形成聚合物的扩散行为可用扩散系数的宽分布来描述，而八形聚合物则表现出两种截然不同的扩散模式。

一旦掌握，聚合物的合成可在六小时内完成，单分子浸没实验若操作得当，也可在数小时内完成。该技术发展后，为聚合物科学领域的研究人员探索拥挤环境中聚合物的动力学行为开辟了道路。观看本视频后，您应能充分理解如何在缠结条件下于单链水平表征拓扑聚合物的扩散运动。

请务必注意，使用激光器和有机溶剂可能具有极高的危险性，在进行本实验操作时，必须采取相应的安全预防措施，例如遵守激光安全规范并查阅材料安全数据表（MSDS）。