芘荧光探针跟踪纳米复合水凝胶的形成过程*

王涛 郑树典 刘新星 付时雨 童真†

(1.华南理工大学材料科学研究所∥发光材料与器件国家重点实验室，广东广州510640;2.华南理工大学轻工与食品学院∥制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州510640)

21世纪以来，高强度水凝胶的研究取得了较大进展.2002 年，Haraguchi等［1］首次报告了将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)单体在锂藻土Laponite分散液中进行原位自由基聚合，不添加任何化学交联剂，得到具优异力学性能的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)/Laponite纳米复合(NC)水凝胶.锂藻土Laponite是一种人工合成的表面带有大量负电荷而边缘带有少量正电荷的层状粘土，片层直径约25～30 nm，厚度约1nm［2］.这种力学性能优异的纳米复合水凝胶引起了广泛的注目［3-9］，但对于其凝胶形成的机理，特别是交联点的本质，至今未明确.Haraguchi等［10］认为聚合反应之前单体处在Laponite片层周围，引发剂在片层表面引发聚合反应，分子链从片层表面开始增长，先形成聚集的“粘土刷(clay-brush)”粒子，最后形成透明的凝胶，但该观点缺乏实验证据.

荧光探针是观测微环境极性、黏度等的有效手段之一，发色团芘由于其荧光激发态寿命长，能够高效形成激基缔合物等特点而被广泛应用［11-12］.例如:可以通过芘的激基缔合物荧光发射强度来考察芘探针之间的距离［13］.在文中，采用阳离子型芘荧光探针芘甲胺基盐酸盐(PyMA·HCl)跟踪NC水凝胶的形成过程，深入探索其凝胶化机理.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

溶胶型锂藻土Laponite XLS［洛克伍德公司提供，Mg5.34Li0.66Si8O20(OH)4Na0.66质量分数为92.32%，Na4P2O7质量分数为7.68%］，125℃干燥2h后使用.N-异丙基丙烯酰胺(Acros，含1%稳定剂)，在甲苯/正己烷中于40℃重结晶后使用.引发剂过硫酸钾(K2S2O8，KPS)用去离子水重结晶后使用.离子型荧光探针芘甲胺基盐酸盐(奥德里奇公司提供，纯度为95%)和催化剂 N，N，N'，N'- 四甲基乙二胺(TEMED，国药集团化学试剂有限公司)购买后直接使用.实验用水均为Millipore制备的去离子水(电导率≥18 MΩ·cm).荧光光谱仪采用 Hitachi F-4500型荧光光谱仪，紫外-可见光分光光度计采用Hitachi U-3010型紫外-可见光分光光度计.

1.2 NC水凝胶的制备

PNIPAm/Laponite NC水凝胶制备方法与我们以前报道的方法类似［8-9］.先将 Laponite XLS分散在10-5mol/L的PyMA·HCl溶液中搅拌2～3h，然后加入单体NIPAm，置于冰水浴中再搅拌2 h，最后加入一定量的引发剂KPS溶液(20 g/L)和催化剂TEMED.将反应液倒入石英池(10 mm×10 mm×40mm)中密封，转移至紫外-可见光分光光度计或荧光光谱仪中观测.测定透光率所用波长为600nm.温度由恒温水浴控制在20℃.开始检测的时间定为t=0.聚合反应溶液中KPS和TEMED的起始浓度分别为3.7和13.3mmol/L.

1.3 紫外-可见光及荧光光谱测定

为了验证荧光探针PyMA·HCl是否吸附在Laponite片层上，文中采用了加入NaCl提高离子强度使 Laponite聚集［14］及离心分离等方法.配制PyMA·HCl水溶液，加入Laponite XLS，经超声和搅拌分散均匀，再加入 NaCl并搅拌.将分散液以10000r/min的速度离心30min，取上清液检测紫外-可见吸收光谱，测定温度为20℃.

测定PyMA·HCl的紫外-可见光吸收光谱时，狭缝宽度2.5nm，波长范围250～400nm.测定PyMA·HCl的荧光发射光谱时，激发与发射狭缝宽度都为2.5nm，激发波长342nm，波长扫描范围350～550nm.通过在荧光的激发光路和发射光路中添加偏振片检测荧光偏振光谱，得到荧光各向异性比r，探测荧光探针的运动能力

式中，I‖、I⊥分别代表发射偏振片平行和垂直于激发偏振片时在395nm处的荧光发射强度.

1.4 流变仪跟踪凝胶化过程

为了进行对比，还使用TA ARES-RFS应变控制流变仪跟踪反应液的模量随反应时间的变化情况.实验使用夹具直径为50mm、锥角为0.04rad的不锈钢锥板夹具.测试参数为:应变0.5%、频率5.0rad/s、Gap值0.053mm.测试过程中用硅油涂在夹具边缘以防止氧气的影响.

2 结果与讨论

2.1 荧光探针在Laponite XLS片层上的吸附

阳离子型荧光探针PyMA·HCl可以通过静电吸引吸附在表面带有负电的Laponite XLS粘土片上，文中通过紫外-可见光谱进行验证.Laponite难以通过离心将其从水中分离，当离子强度较高时，Laponite会发生聚集［14］，通过离心可以分离.图1为PyMA·HCl在溶液中的紫外-可见吸收光谱.在溶液中同时加入NaCl和Laponite XLS并离心分离后，上清液的吸收光谱几乎消失，表明上清液中已经基本没有荧光分子.这说明荧光探针被吸附到Laponite片层上，加入NaCl导致Laponite聚集，离心后，荧光探针被一起分离.

图1 不同PyMA·HCl分散液的紫外-可见光吸收光谱Fig.1 UV-Vis absorbance spectra of different PyMA·HCl dispersion

图2为荧光探针PyMA·HCl在不同浓度Laponite XLS分散液中的荧光发射光谱，探针的浓度为10-5mol/L.可以看到，荧光探针PyMA·HCl在水溶液中的发射光谱在485nm附近没有发射，表明此浓度下，其自身在溶液中不会形成激基缔合物.当加入少量Laponite时(100 mL水中含0.05 g XLS)，发射光谱在485 nm附近出现明显的激基缔合物发射峰;而随着Laponite浓度的提高，激基缔合物发射峰的强度逐渐降低.

通常用芘荧光光谱中485 nm处的激基缔合物发射强度IE与395nm处的单体发射强度IM之比IE/IM来描述芘探针的激基缔合物的多寡，用荧光各向异性比r来描述荧光探针的运动能力.IE/IM越大说明荧光探针之间的距离越近，激基缔合物浓度越高;r越大则说明荧光探针运动受到的限制越强［13］.

图2 不同Laponite XLS浓度分散液中PyMA·HCl的发射光谱Fig.2 Emission spectra of PyMA·HCl in Laponite XLS suspensions with different clay concentrations PyMA·HCl浓度:1×10-5mol/L

图3给出了激基缔合物相对荧光强度IE/IM和荧光各向异性比r随Laponite浓度的变化.Laponite的加入使得IE/IM突然增大，再逐渐减小，r则先突然增大，再缓慢增大.说明荧光探针通过静电相互作用吸附到Laponite片层上，相互之间的距离减小，分子运动受到明显的限制.Laponite浓度增大时，荧光探针可以吸附到更多的片层上，使得激基缔合物浓度下降，IE/IM减小;但是，此时荧光探针仍然吸附在Laponite片层上，所以r只是略有增大.

图3 不同浓度的Laponite XLS分散液中PyMA·HCl的IE/IM和 r值Fig.3 IE/IMand r values of PyMA·HCl in Laponite XLS suspensions with different clay concentrations PyMA·HCl浓度:1×10-5mol/L

2.2 荧光光谱跟踪NC凝胶的形成

图4 不同NIPAm浓度的Laponite XLS反应液在20℃下聚合不同时间的照片Fig.4 Photos of Laponite XLS suspensions with different NIPAm concentrations at 20℃after polymerizing for different time

图4为不同NIPAm单体浓度的Laponite分散液在不同聚合时间的照片.聚合反应开始前(0 min)分散液都是无色透明，聚合过程中分散液的透光率随反应时间而改变，这种变化与分散液的组成有关.浓度为0.1mol/L的分散液在20 min后变成不透明的乳白色，最终形成的凝胶也不透明.浓度为1.0mol/L的分散液在40 min后出现不透明的乳白色，但最后形成的水凝胶则完全透明.而浓度为0.3和0.5mol/L的分散液分别在25和30min后变成不透明的乳白色，最终成为半透明的凝胶.Haraguchi等［15］报道过在NC凝胶聚合过程中的不透明现象，其NIPAm浓度约为0.9 mol/L，最后得到的凝胶是透明的.

聚合反应分散液的透光率随聚合时间变化的曲线如图5所示.聚合反应开始后的前20 min，透光率都大于95%，然后透光率骤降.NIPAm浓度降低，透光率出现骤降的时间越早，且透光率越低，不透明状态更不可逆.出现这种现象的根本原因目前尚不清楚.Haraguchi等［10］也报道了透光率变化的相关发现，其凝胶组成为100 mL水中含1.5 g Laponite XLG、NIPAm 浓度为1.0 mol/L，Haraguchi等认为该现象源自聚合反应中形成的“clay-brush”粒子的聚集.Miyazaki等［3］通过光散射和小角中子散射观测了凝胶化过程，发现在反应开始时可以降低透光率的大团簇产生.

图5 不同NIPAm浓度的Laponite XLS分散液在20℃下反应时透光率随聚合时间变化的曲线Fig.5 Transmittance of the Laponite XLS suspensions with different NIPAm concentrations varying with polymerization time at 20℃

图6 不同NIPAm浓度的NC凝胶反应体系中PyMA·HCl的IE/IM和r随聚合时间的变化Fig.6 IE/IMand r values of PyMA·HCl in NC reaction system with different NIPAm concentrations during the polymerization at 20℃for different time

图6是浓度为10-5mol/L的PyMA·HCl在不同NIPAm浓度的聚合反应液中，且在不同聚合时间的荧光发射光谱的IE/IM和各向异性比r随聚合反应时间的变化.在t=20 min之前反应液是透明的，IE/IM和r也基本不变.反应时间在20～50min之间，反应液不透明，没有可靠的数据.反应50 min后，这3个体系的透光率恢复，IE/IM增大.IE/IM开始增大的时间与图5中透光率骤降的时间基本一致.除了NIPAm浓度为1.0 mol/L的分散液外，其它NIPAm浓度的分散液在50min后IE/IM和r达到稳定，这与图5的结果一致.在反应初期，生成的PNIPAm分子链在Laponite片层上吸附，导致片层上吸附的荧光探针被挤压，使得IE/IM和r增大.50min后大分子链的分布基本稳定，IE/IM和r也达到稳定值.结果还表明，在聚合过程中r值在0.13～0.20之间波动，与图3中100mL水中含1.0g Laponite的r值(0.15)在同一范围内.因此推测，在聚合过程中荧光探针始终被吸附在Laponite XLS片层上.而NIPAm浓度为1.0mol/L的反应液，随着聚合时间的增加，生成的PNIPAm分子链不断增多，从而占据了Laponite XLS片层上更多空间，使荧光探针受到更大的挤压而更靠近，IE/IM继续升高，直到反应150min后才达到稳定值.

聚合反应初期生成的PNIPAm分子链在Laponite片层及凝胶体系中的不均匀分布和聚集导致IE/IM与r变化，当聚集体达到一定的尺寸就会导致体系呈现不透明的乳白色.而在反应刚开始时(20min内)，生成的PNIPAm分子链数量很少，分子链密度与聚集体尺寸都非常低，对透光率没有影响.随着单体转化率的升高，聚集体尺寸增大，使体系透光率下降.根据Miyazaki等［3］的报道，NC凝胶在反应初期形成可以引起体系不透明的簇，簇的尺寸随反应的进行而增大，如果单体浓度足够大，可以形成逾渗网络，从而得到透明的凝胶.因此单体浓度较低(NIPAm浓度为0.1mol/L)时，无法形成逾渗网络，最终得到乳白色的水凝胶.而NIPAm浓度为1.0mol/L的反应液，由于单体足够多，随着反应的进行，在Laponite片层上及片层之间的空间会形成更多的高分子链，使反应初期产生的簇增大并最终形成逾渗网络，从而得到透明的水凝胶(透光率＞95%).更多PNIPAm分子链吸附在Laponite片层上导致IE/IM升高至约0.7，远高于图3中的IE/IM值，这说明随着高分子链的增多，荧光分子所占空间在凝胶体系中被进一步压缩.

另外，文中使用粘弹谱仪原位跟踪了NC凝胶的形成过程，结果如图7所示，在聚合反应初期，反应体系模量较低，体系处于液体状态;随着反应的进行，体系模量突然增大，然后逐渐达到平衡，且储存模量G'大于损耗模量G″，说明已形成凝胶.模量出现突然增大的时间与透光率和荧光IE/IM的突变时间基本一致，这也验证了荧光探针跟踪NC凝胶形成过程的可靠性.

图7 不同NIPAm浓度的NC凝胶反应体系储存模量(G')和损耗模量(G″)随聚合时间的变化Fig.7 Storage modulus G'and loss modulus G″in reaction system with different NIPAm concentrations during the polymerization at 20℃for different time

3 结论

通过实验验证了阳离子荧光探针PyMA·HCl在Laponite片层上的吸附，研究利用PyMA·HCl对PNIPAm/锂藻土Laponite纳米复合水凝胶的形成过程进行了跟踪.不同NIPAm浓度的Laponite分散液在聚合过程中出现透光率突然下降，几分钟后又不同程度地恢复.从荧光探针PyMA·HCl的IE/IM和r可知，聚合生成的高分子链吸附在Laponite片层周围占据空间，使得吸附在Laponite片的荧光探针被挤压而互相靠近，产生激基缔合物;探针的运动受限，导致荧光各向异性比r增大;且IE/IM出现突变的时间和透光率及模量出现突变的时间基本一致.因此，可以通过荧光探针来跟踪NC凝胶的形成过程，认识透光率的变化及大分子链与Laponite之间的相互作用，为深入认识NC凝胶的交联结构提供新的观察方法.

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