乙烯基二茂铁、丙烯酰胺和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯共聚物的合成及性能研究

余东栋，陆 杰，孙筱萌，方 晓，李 静，尹应乐，陈绪煌*,3

(1.湖北工业大学材料与化学工程学院，湖北武汉 430068；2.空军预警学院黄陂士官学校，湖北武汉 430034；3.绿色轻工材料湖北省重点实验室，湖北武汉 430068)

乙烯基二茂铁(VFc)具有良好的氧化还原可逆性，氧化还原电位约为0.4 V左右VFc与其他单体共聚合成的聚合物电子媒介体的研究最为广泛。以VFc与其他共聚单体，如N-异丙基丙烯酰胺[1]、十二烷基甲基丙稀酸酯[2]、甲基丙烯酸缩水甘油酯[3]、甲基丙烯酸羟基乙酯[4]等合成的聚合物电子媒介体都表现出良好的电化学性能，并广泛应用于葡萄糖、苯酚衍生物、半乳糖等的分析检测。聚丙烯酰胺具有良好的化学、机械稳定性和对微生物分解的惰性，广泛应用于酶固定和生物传感器的基体。将丙烯酰胺(AM)以共聚的方式引入聚合物链中可提高聚合物链的亲水性。甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)含有可质子化的叔胺基基团，Bütün等指出DMAEMA均聚物的酸度系数pKa为7[5]，而葡萄糖氧化酶和葡萄糖脱氢酶的等电点分别为4.2和4.5，将叔胺基引入共聚物链中，有望在近中性pH范围内分析液中，带正电荷的聚合物链可以和带负电荷的酶之间形成离子键，因此用该共聚物来修饰葡萄糖生物传感器，有利于提高酶电极电子转移效率。

本实验通过采用自由基聚合的方法，实现AM、VFc和DMAEMA三种单体共聚，合成了具有水溶性和氧化还原性能的聚合物电子媒介体，并通过示差扫描量热法、红外光谱、紫外-可见光谱和电化学方法对共聚物的玻璃化转变温度、组成、质子化作用和电化学性能进行了研究。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

U-3900紫外-可见光分光光度计(日本，日立公司)；pHB-8酸度计(上海佑科仪器仪表有限公司)；Nexus型红外光谱仪(美国，热电尼高力公司)；DSC8000示差扫描量热仪(美国，PE公司)；CHI660D电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)。

乙烯基二茂铁(VFc)(分析纯，纯度≥98%，上海泰坦科技股份有限公司)；甲基丙烯酸-二甲氨基乙酯(DMAEMA)(优级纯，纯度≥99%，上海泰坦科技股份有限公司)；透析袋(截留分子量：3 500道尔顿，biosharp)；丙烯酰胺(AM)(优级纯，纯度≥99.9%，biosharp)；1,4-二恶烷(分析纯，纯度≥99.5%，国药集团化学试剂有限公司)；无水乙醇(分析纯，纯度≥99.7%，国药集团化学试剂有限公司)；偶氮二异丁氰(AIBN)(分析纯，纯度≥99.89%，天津市光复精细化工研究所)。

1.2 共聚物的合成及纯化

VFc、AM和DMAEMA共聚物采用自由基聚合法合成的。具体实验步骤如下：向烧瓶中加入AM、VFc、DMAEMA和1.4-二恶烷，并快速搅拌使共聚单体完全溶解，随后将溶液置于低温状态下通氮气除氧1 h，紧接着加入共聚单体摩尔数0.18%的偶氮二异丁氰(AIBN)，并迅速置于65 ℃水浴中反应。反应过程中持续通氮气保证反应液在无氧的条件下聚合，以防止共聚单体VFc发生氧化从而抑制其聚合发生[6]。随着反应的进行，反应液中逐渐有沉淀产生。反应24 h后，停止通氮气并将反应液置于室温下冷却。随后将反应液进行离心，将得到的沉淀物反复以丙酮沉淀-去离子水溶解的方式进行洗涤，最后将沉淀物的去离子水溶液置于透析袋(截留分子量：3 500道尔顿)中进行透析(透析液：乙醇和去离子水的混合溶液)。

1.3 共聚物的表征

1.3.1紫外-可见光谱表征共聚物中VFc单元的含量通过紫外-可见光测量其在440 nm下的吸光度，并以VFc(最大吸收波长：440 nm)作为标准物来进行表征的。三元共聚物的质子化作用是通过0.5～1 mol/L KOH溶液滴定0.02 g/mL的pH=2共聚物水溶液，并通过紫外-可见光谱和酸度计分别对溶液的吸光度和pH值进行实时监测进行表征。

1.3.2红外光谱表征通过Nexus型红外光谱仪对共聚物进行定性分析。实验条件：采用粉末KBr压片共研磨法制样，扫描范围400～4 400 cm-1。

1.3.3示差扫描量热法表征三元共聚物的玻璃化转变温度(Tg)通过示差扫描量热仪来进行表征。实验条件：温度范围100～260 ℃，升温速率10 ℃/min。

1.3.4电化学性能表征三元共聚物的电化学性能通过使用电化学工作站，采用三电极系统(玻碳电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极)进行检测。实验条件：提纯后的三元共聚物溶于0.1 mol/L的磷酸盐缓冲溶液。

2 结果与讨论

2.1 共聚物组成及结构

从表1中可以看出共聚物中VFc单体转化率较低，这是因为VFc的竞聚率相对较小，链自由基诱发AM和DMAEMA单体发生聚合的几率大于VFc。其次以VFc基团为端基的增长链自由基容易发生电子由二茂铁基团向自由基转移，即“分子内电子转移”[7]，从而致使链自由基失活和增长链的提前终止。共聚物玻璃化转变温度Tg为203.56 ℃(表1)，而聚丙烯酰胺均聚物的玻璃化转变温度只有190 ℃[10]，因此可以推断合成的聚合物中可能含有VFc或DMAEMA结构单元或者二者同时存在。这是因为VFc的二茂铁基团的空间位阻较大，而DMAEMA具有较长的侧链，二者引入线性聚丙烯酰胺都将使得高分子内旋受阻，从而表现出玻璃化转变温度的增加。

表1 共聚物的聚合及表征

Note:amonomer concentration 1.4 mol/L;bdetermined from the absorbance at 440 nm based on the absorption of ferrocenyl group by UV-Vis spectrophotometer.

图1为三元共聚物的红外(IR)光谱图，1 670 cm-1处为酰胺中羰基(C=O)对称伸缩振动吸收峰[9]，即证明了聚合物中含有AM结构单元，1 405、1 050和814 cm-1处为二茂铁基团的特征吸收峰[10]，该吸收峰的出现表明VFc已经成功地引入至共聚物分子链中。而在2 832 cm-1的吸收峰为N-CH3中甲基的伸缩振动吸收峰[11]，1 130 cm-1处为C-N伸缩振动吸收峰[14]，说明共聚物的高分子链中含有DMAEMA结构单元。综合以上数据可以得出，合成所得的产物为AM、DMAEMA和VFc三元共聚物。

2.2 共聚物的质子化作用

酸度系数pKa体现了一种化合物的离子化能力。本实验合成的共聚物中含有DMAEMA结构单元即存在叔胺基基团，因此当pH值小于该聚合物的pKa时，共聚物中的叔胺基基团会发生质子化作用，从而使得共聚物带正电荷，增加了该聚合物在溶液中的溶解度。本实验根据共聚物在水溶液中的溶解度与pH值之间的关系曲线来表征共聚物的质子化作用，该方法广泛地应用于两性聚合物等电点的表征[13]。当pH值低于6.5时，随着共聚物溶液的pH值的降低，共聚物水溶液在750 nm下的吸光度也随之降低，说明共聚物的溶解度逐渐增加。该区域内聚合物溶解度的变化主要归功于两个方面：第一，随着溶液pH值的降低，共聚物中叔胺基基团发生质子化作用，其离子化程度增加。第二，共聚物中二茂铁基团在较低的pH环境下将会发生氧化反应生成二茂铁盐，增加了聚合物的亲水性，进而增加了共聚物的溶解度，降低了溶液的吸光度，该反应可从溶液的颜色上得到验证[6]，当溶液pH值大约由3降至2左右时，溶液逐渐由淡黄色转变为淡蓝色，并随着pH值的降低，其颜色的转变更加明显。从理论上来讲，当溶液pH值逐渐增加时，其离子化程度逐渐降低，其吸光度逐渐增加并趋向于一定值，而图2中当pH值大于6.5时，溶液的吸光度逐渐降低，这是由于随着溶液pH值的增加，共聚物的溶解性也逐渐降低，共聚物逐渐地从溶液中析出并结成团沉积于溶液的底部，从而表现出吸光度的降低。综合以上数据，可以推断出共聚物在pH值小于6.5时可发生质子化作用，从而赋予其正电荷，该结论可在Bütün的论文[5]中得到验证。葡萄糖氧化酶和葡萄糖脱氢酶的等电点分别为4.2和4.5，因此在pH近中性的溶液中，共聚物中叔胺基质子化产生的正电荷会与酶产生的负电荷形成离子键，从而达到酶固定的目的，而且该共聚物中主要以柔性链段AM结构单元为主，因此赋予了该共聚物很好的柔性，从而实现电子的直接转移，同时高活性自由度的高分链段也有利于共聚物支链中带正电荷的叔胺基与酶中带负电荷的基团形成离子键，进一步提高修饰电极的电子转移效率。另外，离子键与共价键相比其作用力较小，因此采用共聚物中DMAEMA结构单元与酶之间形成的离子键来固定酶的方法，有助于减小酶固定对酶活性的影响。

2.3 共聚物电化学性能

图2为有无共聚物存在情况下，磷酸盐缓冲溶液的循环伏安法曲线。从图中可以看出当无共聚物存在时，曲线的电流值很小近似等于零，且无氧化还原峰存在，而加入共聚物后循环伏安法曲线上出现了明显的氧化还原峰，其氧化还原峰电位分别为0.246 V(EPa)和0.170 V(EPc)，说明合成的共聚物具有氧化还原性能。对于在溶液中快速运动的单电子转移氧化还原物质，其氧化还原峰电位差在室温(25 ℃)下，其数值为59 mV[14]，该共聚物的氧化还原峰电位差为76 mV略微高于其理论值。

图3在0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液(pH=7)中，扫描速率5 mV/s下，共聚物中单体组成与氧化峰电流之间的关系曲线。从图中可以看出，单体中DMAEMA含量对氧化峰电流的影响不大，而随着单体中VFc含量的增加，氧化峰电流也随之增加，该现象表明增加单体中DMAEMA含量并不能够增加共聚物中二茂铁基团的含量，而增加单体中VFc含量可有效地提高共聚物中二茂铁基团的含量。为了能够保证修饰电极具有较高的检测极限和缩短电极表面与酶之间的距离，共聚物中需具有足够的二茂铁基团和叔胺基基团，然而在提高上述两种基团含量的同时，也会降低共聚物的亲水性和柔性，因此需要综合考虑以上影响因素。

图4为共聚物在不同扫描速率下的循环伏安法图。从图中可以看出该共聚物具有良好的氧化还原可逆性。在该检测模式下，电极与聚合物之间的电子转移主要分为两个步骤：聚合物扩散至电极表面附近，链段中二茂铁基团在附加电压的作用下发生氧化反应产生电子；电子在二茂铁基团之间的“跳槽”以及二茂铁基团与电极之间的电子转移。由于电子在修饰电极中传递速率要远远大于聚合物的扩散，因此聚合物氧化还原电位并不随着扫描速率的升高而发生明显的改变，即氧化还原峰电位与扫描速率大小无关，而氧化还原峰电流则随着扫描速率的增加而增加(图4)。氧化还原峰电流与扫描速率的关系如图5所示，氧化还原峰电流与扫描速率的平方根成正比，其关系符合Randles-Sevcik公式[15]，可得出共聚物在磷酸盐缓冲溶液中的扩散系数约为4.17×10-12cm2/s，该数值相对较低，证实了共聚物与电极之间的电子转移受扩散控制[16]。另外，不同扫描速率下氧化峰电流与还原峰电流的比值接近于1，因此可以证明该共聚物在磷酸盐缓冲溶液中实现了与电极之间的可逆电子转移。

3 结论

通过自由基聚合的方法成功地将VFc、AM和DMAEMA共聚单体合成了具有水溶性和氧化还原活性的聚合物电子媒介体，并通过示差扫描量热法和红外光谱子媒证实了该聚合物电子媒介体是VFc、AM和DMAEMA的三元共聚物。共聚物中的DMAEMA结构单元在近中性的溶液中可发生质子化作用，因此共聚物可与酶之间形成离子键，从而达到酶固定的目的，而且该共聚物中主要以柔性链段AM结构单元为主，因此该共聚物具有很好的柔性、亲水性，从而赋予了酶电极高的检测极限、高的电子转移效率以及聚合物电子媒介体与电极之间直接的电子转移三大优点。另外，共聚物的扩散系数较低，因此以该共聚物来修饰电极有助于提高修饰电极的稳定性。该共聚物可作为优良的聚合物电子媒介体应用于葡萄糖生物传感器领域。