巯基改性毛发状聚苯乙烯微球的制备

杜赞玲，常 静，郑 娜，浦 群，曹 堃

（浙江大学化工系聚合与聚合物工程研究所 化学工程国家重点实验室，浙江 杭州 310027）

巯基改性毛发状聚苯乙烯微球的制备

杜赞玲，常 静，郑 娜，浦 群，曹 堃

（浙江大学化工系聚合与聚合物工程研究所 化学工程国家重点实验室，浙江 杭州 310027）

通过顺序添加单体到表面负载可逆加成断裂链转移（RAFT）试剂的亚微米级单分散聚苯乙烯微球胶乳中，采用紫外光引发制备了聚N-异丙基丙烯酰胺-b-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（PNIPA-b-PGMA）两嵌段毛发状聚苯乙烯微球。反应过程中，单体的转化率以及微球的粒径随反应时间基本呈线性增长，具有活性自由基聚合的特征。然后分别在酸性或碱性条件下加入二硫代苏糖醇（DTT）与嵌段高分子刷中PGMA的环氧基团反应，可制得表面巯基含量高的毛发状单分散聚苯乙烯微球，且酸性条件更利于引入巯基。

毛发状微球 高分子刷 可逆加成断链转移聚合 嵌段共聚物 巯基

功能性毛发状微球具有广泛的应用前景，在吸附分离[1]、催化技术[2,3]、信息能源[4-6]、生物制药[7,8]等方面已有大量的基础研究及应用开发。表面带有巯基基团的微球可以协助含二硫键的蛋白复性。通常利用聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（PGMA）与二硫代苏糖醇（DTT）的开环反应，在微球表面引入巯基。但是普通的实心PGMA微球与DTT反应时，由于其表面积小，在DTT大大过量的情况下，单位质量微球表面负载的巯基含量也不高（222.4 μmol/g左右）[9]，而毛发状微球由于表面带有高分子刷，反应面积大，更容易富集巯基。但由于PGMA具有疏水性，在微球表面直接接枝PGMA高分子刷会导致毛发状微球在水中的稳定性变差，因此可以考虑制备两嵌段的毛发状微球，在接枝PGMA之前，先接上温敏性的聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPA）高分子刷，可以增加微球的稳定性，而且PNIPA上的异丙基同样可以起到协助蛋白质复性的效果[10]。目前活性自由基聚合常用方法为嵌段型毛发状微球的方法，包括光引发转移终止自由基聚合（PIMP）、稳定氮氧自由基聚合（NMP）、原子转移自由基聚合（ATRP）以及可逆加成断裂链转移（RAFT）聚合法[11]。本研究拟采用活性自由基聚合方法中的 RAFT法制备聚苯乙烯微球表面的PNIPA-b-PGMA高分子刷，并通过微球表面PGMA中环氧基团与DTT的反应，将巯基基团引入到微球表面。此微球可通过巯基与蛋白质中二硫键的作用，使失活的蛋白恢复天然构象，且使用后的微球可以通过离心进行回收[12]。

1 实验部分

1.1 实验方法

实验用的表面负载RAFT的亚微米级单分散性聚苯乙烯（PS）微球（数均粒径453.2 nm，粒径分布指数为1.01，RAFT试剂与PS微球的物质的量之比为1:20）和光引发剂为实验室自制，制备方法参考文献[13]；N-异丙基丙烯酰胺（NIPA）、甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）和 DTT等均为分析纯。在固含率为2%的表面负载RAFT的PS微球胶乳中添加质量分数为2%的单体NIPA和质量分数为0.06%的光引发剂，在紫外光照下引发聚合（紫外灯功率为250 W），反应100 min得到表面接枝PNIPA的毛发状PS微球，离心后再次添加质量分数为2%的单体GMA和质量分数为0.06%光引发剂，在紫外光照下反应100 min，得到表面接枝两嵌段PNIPA-b-PGMA的毛发状PS微球。调节体系的pH值，在pH值分别为3.5和10.5的条件下，在PNIPA-b-PGMA毛发状PS微球胶乳中加入适量的DTT，反应24 h，通过PGMA链上的环氧基团与DTT上其中一个巯基的开环反应，把另一个巯基基团引入到高分子链段中。

1.2 分析方法

利用Nicolet DX红外（IR）光谱仪分析样品的结构（KBr压片法制样）；采用Malvern Zetasizer 3000动态光散射仪测微球流体力学直径；采用GC950气相色谱仪分析残留单体NIPA或GMA含量来计算单体的转化率，分析条件：毛细管色谱柱，氢火焰检测器，气化温度210 ℃，检测器温度240 ℃，柱前压0.28 MPa；采用BioScope SZ原子力显微镜（AFM）观察粒子的表面形态；采用5,5’-二硫代双（2-硝基苯甲酸（DTNB）法测巯基含量，在pH值为8.0的条件下可与溶液中的自由巯基反应生成5-硫-2-氮-苯甲酸（TNB），产物TNB的量与自由巯基含量成正比，故测TNB在412 nm处的紫外特征吸收值即可获得自由巯基的含量[9]。

2 结果与讨论

2.1 单体转化率及一级动力学

图1和图2是RAFT聚合时，NIPA和GMA的转化率随时间的变化及其动力学曲线。由图1可见，反应100 min后，NIPA的转化率达到83.17%，添加第二单体GMA，继续反应100 min，GMA的转化率为59.98%。由图2可见，RAFT聚合反应呈一级反应动力学特征，表明该反具有活性可控的特点。

图1 NIPA和GMA转化率随时间的变化Fig.1 Conversion of NIPA and GMA versus reaction time

图2 RAFT聚合一级动力学Fig.2 First-order kinetics of RAFT polymerization

2.2 微球粒径及其单分散性

图3是RAFT聚合时，先添加NIPA单体，后添加GMA单体，制备两嵌段毛发状PS微球的粒径以及粒径分布随反应时间的变化。由图可知，微球粒径随时间基本呈线性增长，具有活性自由基聚合的特征。负载RAFT的微球粒径为453.2 nm，反应100 min时，微球的粒径可达561.7 nm，添加GMA单体后继续反应100 min，微球的粒径为579.2 nm。由于PGMA微溶于水，在水中基本呈塌陷状态，而毛发状PS微球的粒径分布指数为1.00～1.03，说明其具有很好的单分散性。

图3 RAFT聚合时微球粒径及粒径分布指数随时间的变化Fig.3 Particle size and particle size distribution of hairy microsphere versus reaction time

图4高分子刷厚度随时间的变化Fig.4 The polymer brush thickness versus reaction time

图4是高分子刷的厚度随反应时间的变化，由图可知，高分子刷的厚度也随时间基本呈线性增长，与粒径随时间的变化趋势一致。

2.3 微球表面形态

图5是RAFT聚合制备两嵌段PNIPA-b-PGMA毛发状PS微球的AFM图。由图可见，随着反应的进行，微球的粒径逐渐增大。表面负载RAFT的微球、接枝PNIPA高分子刷以及接枝两嵌段PNIPA-b-PGMA高分子刷的毛发状微球粒径分别为458.6，565.3和583.5 nm，与动态光散射仪所测得的粒径基本一致。

图5 微球的AFM结果Fig.5 AFM images of microspheres

2.4 巯基含量分析

对于同一PNIPA-b-PGMA毛发状PS微球，分别在pH值为3.5和10.5的条件下添加DTT对PGMA中的环氧基团进行巯基改性，反应机理[14]如图6所示。由图6（a）可知，PGMA的环氧基团在酸性条件下开环有两种路线，即环氧基团首先质子化，使C-O键削弱，然后亲核试剂DTT的巯基以两种路线进攻中心碳原子，使C-O键断裂开环。由图6（b）可知，PGMA的环氧基团在碱性条件下开环有3种路线，此时环氧基团不能质子化，C-O键比较牢靠，但S-可作为亲核试剂，在进攻中心碳原子的同时又可进攻羰基碳原子，从3条路线分别接入巯基基团。

加入与环氧基等物质的量的DTT时，微球表面所得到的单位质量的巯基含量如表1所示，分别为1 070和640 μmol/g。当将DTT的量增加到原来的两倍，分别在酸性和碱性条件下反应，得到单位质量的巯基含量为1 390和960 μmol/g。与文献报道[9]相比，巯基的含量大大提高。在酸性条件下反应所得的巯基含量比碱性条件高，这是由于在碱性条件下反应，反应路线（3）由于S-进攻羰基碳原子，可能导致路线（1）和（2）接入的巯基从高分子链上掉落下来，因此降低了微球表面巯基的含量。

图6 毛发状微球的巯基改性机理Fig.6 Mechanism of hairy microspheres modified by thiol group

表1 不同反应条件下所得的巯基含量Table 1 The thiol group content obtained at different reaction conditions

2.5 红外谱图分析

图7是两嵌段PNIPA-b-PGMA毛发状微球和巯基改性的PNIPA-b-PGMA毛发状微球的红外谱图对比。由图7(a)可知，在1 730.6 cm-1出现酯键C=O的吸收峰，在1 650.2 cm-1出现酰胺C=O的吸收峰，而且在906.6和848.1 cm-1出现环氧基团的吸收峰。说明微球表面已接枝上含有酯基和环氧基团的PGMA以及含有酰胺基的PNIPA，从而得到两嵌段的PNIPA-b-PGMA毛发状微球。由图7(b)可知，用DTT对毛发状微球进行改性后，在 906.6和 848.1 cm-1处的环氧基团吸收峰基本消失。说明DTT确实与环氧基团发生了反应。

图7 PNIPA-b-PGMA毛发状微球红外图谱Fig.7 IR spectra of PNIPA-b-PGMA hairy microspheres

3 结 论

在表面负载RAFT的单分散性聚苯乙烯微球胶乳中添加单体NIPA和GMA，在紫外光引发作用下制备了两嵌段PNIPA-b-PGMA毛发状PS微球，具有良好的单分散性。在此基础上，再加入DTT与此毛发状PS微球上的PGMA中的环氧基团反应，通过调节pH值和DTT含量，可得到表面巯基含量高的毛发状聚苯乙烯微球，而且酸性条件比碱性条件更利于巯基的引入。

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Preparation of Thiol-Modified Hairy Polystyrene Microspheres

Du Zanling, Chang Jing, Zheng Na, Pu Qun, Cao Kun
（State Key Laboratory of Chemical Engineering, Institute of Polymerization and Polymer Engineering, Department of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China）

The monodisperse hairy polystyrene microshperes grafted with poly(N-isopropylacrylamide)-b-polyglycidyl methacrylate(PNIPA-b-PGMA) were synthesized by reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization(RAFT) under UV-initiation. It was found that the monomer conversion and the microshpere diameter almost linely increased with the reaction time, which directly reflected the feature of the living radical polymerization. By controlling the pH, the high content of thiol group grafted onto the surface of the microsphere were obtained by the reaction of dithiothreitol(DTT) and epoxide group of polyglycidyl methacrylate(PGMA), and the content of thiol group obtained under the acidic condition was higher than that under the basic condition.

hairy microshpere; polymer brush; reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization;block copolymer; thiol group

TQ316.31+2 文献标识码：A

1001—7631 ( 2011 ) 06—0567—05

2011-04-11；

2011-11-30

杜赞玲（1985-），女，硕士研究生；浦 群（1967-），女，工程师，通讯联系人。E-mail: puq@zju.edu.cn