pH響應(yīng)型空心微球在CSTR中的振蕩行為

路興杰，趙 芳，谷田平，張 柯，閆繼偉，朱永宏

（1.河南省計(jì)量科學(xué)研究院，河南鄭州 450002；2.河南出入境檢驗(yàn)檢疫局，河南鄭州 450002）

刺激響應(yīng)型微球[1-3]會(huì)根據(jù)所受刺激信號(hào)做出相應(yīng)的響應(yīng)行為，在體積和形態(tài)等方面發(fā)生變化，即“智能響應(yīng)型行為”，比如pH、溫度、光、生物分子響應(yīng)性[4-8]等。此種特性為研究生化傳感器、藥物輸送系統(tǒng)、納米計(jì)算機(jī)和生化分離等智能生化系統(tǒng)[9-15]提供重要啟示。刺激響應(yīng)型微球在許多領(lǐng)域存在巨大的潛在用途吸引了廣泛關(guān)注，成為近年來的研究熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)刺激響應(yīng)型微球[16-19]大多采用無規(guī)共聚法和核殼結(jié)構(gòu)法獲得。其實(shí)心結(jié)構(gòu)的阻尼特性導(dǎo)致刺激響應(yīng)行為不夠明顯，過程的可逆性差，甚至失去了二次響應(yīng)性。另外，在實(shí)驗(yàn)過程中外部環(huán)境的刺激因素多為單次、單向刺激，與實(shí)際的生化環(huán)境相差甚遠(yuǎn)?；谏鲜銮闆r的考慮，我們首先采用模板自由基聚合法，將含有pH響應(yīng)官能團(tuán)的丙烯酸（AAc）與異丙基丙烯酰胺（NIPAm）接枝共聚，合成膨脹收縮比更大的空心結(jié)構(gòu)pH響應(yīng)性P（NIPAm-co-AAc）微球。然后將合成的空心微球與BrO3--SO32--H＋[20]這一pH振蕩體系相混耦合。該pH振蕩體系的特點(diǎn)是：1）振蕩的溫度區(qū)間主要是室溫范圍，與人體溫度接近，也與所合成空心微球臨界相轉(zhuǎn)變溫度接近。2）pH振蕩幅度比較大（3.5～7.5）。3）體系在振蕩反應(yīng)過程中停留在高pH和低pH的時(shí)間相對(duì)較長，有利于微球充分膨脹收縮。

耦合體系在pH振蕩過程中，空心微球表面的羧基也同時(shí)發(fā)生質(zhì)子化和非質(zhì)子化的過程，電荷密度隨之發(fā)生變化，這樣微球就會(huì)產(chǎn)生周期性的膨脹收縮，這是一個(gè)化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程。為了使耦合體系能持續(xù)反應(yīng)下去，本實(shí)驗(yàn)選取連續(xù)流動(dòng)攪拌反應(yīng)器（CSTR）作為反應(yīng)器，通過物料的不斷流入、流出，可以使反應(yīng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)，長時(shí)間穩(wěn)定進(jìn)行。為了考查空心pH響應(yīng)型微球耦合pH振蕩反應(yīng)動(dòng)力學(xué)行為，我們搭建了能在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)耦合體系動(dòng)力學(xué)行為的動(dòng)態(tài)光散射系統(tǒng)（DLS）和pH監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 空心微球的合成及其粒徑pH響應(yīng)性測(cè)試

圖1為空心微球合成路線示意圖[21]，首先取2.5 mL正硅酸四乙酯和50 mL乙醇混合加入反應(yīng)器，室溫條件下攪拌3 min（500 r/min）。再取1.4 mL去離子水與4 mL氨水混合，攪拌3 min（500 r/min）。然后將上述氨水溶液加入反應(yīng)器中，快速攪拌3 min（750 r/min），使溶液充分混合，再溫和攪拌（500 r/min）。反應(yīng)24 h后，向反應(yīng)器中加入2 mL硅烷偶聯(lián)劑KH-570（MPS），溫和攪拌（500 r/min），再反應(yīng) 24 h。對(duì)反應(yīng)24 h后的溶液進(jìn)行離心分離，棄上層清液。用無水乙醇洗泡產(chǎn)物，超聲波振蕩分離，再次離心分離，棄上層清液。換用去離子水洗泡產(chǎn)物，離心分離2次。產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，得到表面改性的SiO2納米粒子。

圖1 空心微球合成路線示意圖Fig.1 Synthetic schematic diagram of hollow microsphere

將0.2 g改性SiO2納米粒子與2.5 g N-異丙基丙烯酰胺（NIPAm）、2.5 g N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）交聯(lián)劑溶于175 mL的去離子水中，超聲振蕩使其完全溶解，氮?dú)獗Ｗo(hù)下緩慢攪拌30 min，充分除去反應(yīng)器中的氧氣。加入適量丙烯酸（AAc），再將0.25 g KPS溶于25 mL水中（預(yù)先通氮?dú)獬酰┘尤敕磻?yīng)器中引發(fā)單體聚合，升溫至70℃，反應(yīng)6 h。反應(yīng)結(jié)束后，在磁力攪拌下自然冷卻至室溫。之后再加入75 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氟化氫（HF）溶液以溶解SiO2，靜置過夜。將所得溶液離心分離，棄上層清液。再用去離子水重新分散產(chǎn)物，再離心分離2次。用截止相對(duì)分子質(zhì)量為14 000的透析袋透析7 d，每天超純水換水3次。對(duì)透析后的產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，就得到純凈的pH響應(yīng)型空心微球。

將純化的空心微球0.05 g混于200 mL超純水中，通過HCl和NaOH溶液來調(diào)節(jié)其pH值，pH復(fù)合電極e-corder數(shù)據(jù)記錄儀相連，以監(jiān)測(cè)反應(yīng)中pH變化情況。微球粒徑的變化通過搭建的DLS在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，整個(gè)DLS由BI-DLS檢測(cè)器（美國Brookhaven）、BI-9000數(shù)字相關(guān)器（美國Brookhaven）和氬離子激光器構(gòu)成，激光波長為532 nm，檢測(cè)角度為90°。

1.2 CSTR中空心微球耦合pH振蕩反應(yīng)動(dòng)力學(xué)行為測(cè)試

耦合體系動(dòng)力學(xué)測(cè)試裝置如圖2所示。耦合反應(yīng)在CSTR中進(jìn)行，有效反應(yīng)體積為22 mL，外包恒溫水套（溫控精度為±0.1℃），由2個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)液瓶分別供料，一個(gè)儲(chǔ)液瓶中裝有濃度為0.050 mol/L的Na2SO3和0.001 25 mol/L的H2SO4的混合溶液，另外一個(gè)儲(chǔ)液瓶中為0.050 mol/L的NaBrO3和空心微球混合溶液。CSTR頂部安裝一個(gè)pH復(fù)合電極，一個(gè)數(shù)顯溫度計(jì)，以監(jiān)測(cè)反應(yīng)過程體系的pH值和溫度變化。微球粒徑的變化通過搭建的DLS在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過精密蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)，2根進(jìn)料管分別獨(dú)立進(jìn)料，在輸入CSTR前預(yù)混合。耦合體系通過磁力攪拌來確?；旌暇鶆?，攪拌速度為900 r/min。為了避免干擾DLS測(cè)量，通過程序軟件控制，反應(yīng)過程中每隔30 s，持續(xù)攪拌、供料120 s，在攪拌、供料停止的30 s過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)光散射測(cè)量。反應(yīng)過程中pH隨時(shí)間變化過程通過e-corder數(shù)據(jù)記錄儀記錄在電腦上。微球粒徑的實(shí)時(shí)變化情況也通過DLS數(shù)字相關(guān)器記錄在電腦上。

圖2 CSTR動(dòng)力學(xué)測(cè)試裝置圖Fig.2 Schematic diagram of CSTR for kinetic test

2 結(jié)果與討論

2.1 空心微球pH響應(yīng)性能

調(diào)節(jié)耦合體系pH值從2.5增大到9.5，微球粒徑隨pH的變化情況如圖3所示。由圖可以看出，隨著pH值的增大，微球粒徑先減小后增大。這是由于在所合成的無規(guī)共聚物微球中，響應(yīng)性官能團(tuán)—COOH主要分布在聚合物表面，聚合物在水中時(shí)表面羧基會(huì)發(fā)生解離，生成羧酸根離子（—COO-）和氫離子（H＋），呈離解平衡狀態(tài)，該平衡態(tài)受混合體系pH值的影響。當(dāng)pH值較小時(shí)（3.5～5.5），使陰離子靜電場(chǎng)得到平衡，以致分子鏈表面電荷排斥力作用減弱，共聚物鏈發(fā)生蜷曲，粒徑減小，溶解性變差；當(dāng)pH值足夠小時(shí)（小于3），羧基不電離，氫鍵穩(wěn)定，使網(wǎng)絡(luò)緊密呈收縮狀態(tài)，微球進(jìn)一步發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，粒徑反而又增大了。當(dāng)pH值較大時(shí)（大于羧基的電離常數(shù)pKa＝4.28），聚合物鏈上的同性電荷（—COO-）數(shù)目就會(huì)增加，陰離子之間的排斥力增強(qiáng)使得共聚物鏈在水溶液中呈伸展?fàn)顟B(tài)，溶解性增強(qiáng)，導(dǎo)致粒徑的增大。當(dāng)繼續(xù)增大pH值（大于6），微球分子鏈上的羧基與堿作用形成羧酸鹽，增加了微球粒子的親水性，大分子之間疏水締合作用減小，大分子鏈段處于伸展?fàn)顟B(tài)而自由運(yùn)動(dòng)，以致無相分離現(xiàn)象出現(xiàn)，粒徑保持穩(wěn)定。

圖3 空心微球粒徑隨pH的變化情況Fig.3 pH dependence of diameter of hollow microsphere

空心微球粒徑的pH脈沖響應(yīng)性如圖4所示。調(diào)節(jié)環(huán)境介質(zhì)的pH值在高低之間變化，當(dāng)溶液介質(zhì)pH值呈現(xiàn)脈沖式振蕩變化時(shí)，微球粒徑隨pH也呈現(xiàn)脈沖式振蕩，在pH＝6.5時(shí)，粒徑充分膨脹；pH＝3.5時(shí)，微凝膠粒徑充分收縮，溶脹收縮比：

式中DH、DL分別為空心微球處于高pH（6.5）和低pH（3.5）條件下的粒徑值?？招奈⑶蛄诫SpH值變化的脈沖式振蕩體現(xiàn)出良好的智能響應(yīng)特性。

圖4 空心微球粒徑的pH脈沖響應(yīng)性Fig.4 pH pulse responsibility of hollow microsphere

2.2 空心微球耦合pH振蕩反應(yīng)體系動(dòng)力學(xué)行為

將空心微球在CSTR中與BrO3--SO32--HSO3-這一pH振蕩反應(yīng)體系混合，BrO3--SO32--HSO3-體系主要反應(yīng)過程方程式如下：

反應(yīng)過程（1）是產(chǎn)生H＋的過程，此過程導(dǎo)致體系pH值減??；反應(yīng)過程（2）是消耗H＋的過程，此過程導(dǎo)致體系pH值增大。反應(yīng)過程中當(dāng)H＋消耗到一定水平會(huì)觸發(fā)反應(yīng)（1）開始并逐步占據(jù)主導(dǎo)地位；反之，當(dāng)H＋濃度上升到一定程度，會(huì)觸發(fā)反應(yīng)（2）開始，消耗H＋的反應(yīng)開始占據(jù)主導(dǎo)地位。周而復(fù)始，體系的H＋濃度周期性增大、減小，即體系pH值在低值和高值之間交替振蕩進(jìn)行，體系關(guān)鍵參數(shù)呈現(xiàn)出類似于仿生化環(huán)境的自發(fā)振蕩變化。

CSTR中空心微球粒徑與耦合體系pH同步振蕩情況如圖5所示，耦合體系pH值與粒徑值振蕩動(dòng)力學(xué)行為能保持同步進(jìn)行。在測(cè)量pH值振蕩的同時(shí)也在線實(shí)時(shí)測(cè)量了微球粒徑的變化情況。

當(dāng)pH維持在高位（6.5～7.5）時(shí)，微球充分膨脹，粒徑維持在700～800 nm左右，當(dāng)pH振蕩到低位（3.5～4.5）時(shí)，微球充分收縮，粒徑維持在450～500 nm左右，粒徑振蕩與pH振蕩實(shí)時(shí)同步。pH振蕩體系提供化學(xué)能驅(qū)動(dòng)空心微凝膠體系實(shí)時(shí)地膨脹收縮，整個(gè)過程是一個(gè)化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程。

圖5 CSTR中空心微球粒徑與耦合體系pH的同步振蕩情況Fig.5 Synchronous oscillations of diameter of hollow microsphere and pH of coupling system in CSTR

在低pH值區(qū)域出現(xiàn)了幅度較小的復(fù)雜振蕩。而在高pH值區(qū)域，pH則相對(duì)穩(wěn)定。 這是由于pH響應(yīng)性微球表面的pH響應(yīng)性官能團(tuán)—COOH耦合非線性化學(xué)反應(yīng)過程造成的，因?yàn)椤狢OOH的pKa＝4.28，正好處在振蕩過程中的低pH值區(qū)域（3.5～4.5），—COOH發(fā)生質(zhì)子化和非質(zhì)子化過程。對(duì)H＋來說，這又是一個(gè)正負(fù)反饋過程，并且在此pH條件下，空心微球呈收縮狀態(tài)，聚合物空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也會(huì)影響質(zhì)子的反應(yīng)擴(kuò)散，所以pH受到影響發(fā)生微振蕩。在高pH值區(qū)域，pH遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于—COOH的pKa值，羧基早已非質(zhì)子化，主要以—COO-形式存在，耦合體系趨于均相化，在此范圍內(nèi)不對(duì)非線性體系的pH產(chǎn)生反饋影響。

CSTR中耦合體系振蕩周期隨溫度變化曲線如圖6所示，隨著溫度的不斷升高，耦合體系的振蕩周期逐漸減小，可由阿倫尼烏斯公式得到解釋，溫度升高導(dǎo)致體系反應(yīng)速率加快了。也可由經(jīng)典的關(guān)于凝膠聚合物的Flory-Rehner理論[22]得到解釋，其理論認(rèn)為耦合體系的化學(xué)勢(shì)由各物質(zhì)的混合化學(xué)勢(shì)和聚合物支鏈彈性化學(xué)勢(shì)構(gòu)成。溫度升高直接導(dǎo)致耦合體系的化學(xué)勢(shì)相應(yīng)增大，反應(yīng)趨勢(shì)增強(qiáng)，速率增大，反應(yīng)周期相應(yīng)減小了。

圖6 CSTR中耦合體系振蕩周期隨溫度變化曲線Fig.6 Oscillation period of coupling system mearured at different temperature in CSTR

3 結(jié)論

通過模板自由基聚合法獲得的空心微球具有良好的生化響應(yīng)特性：1）微球粒徑可以隨所處環(huán)境的pH值變化而變化，并能呈現(xiàn)脈沖式響應(yīng)特性。2）在CSTR中將空心微球與pH振蕩體系BrO3--SO32--H+混合作用，在維持CSTR進(jìn)料、出料平衡條件下，空心微球粒徑膨脹、收縮與體系pH值增大、減小保持長時(shí)間同步變化。整個(gè)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)能驅(qū)動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)變的過程。其空心結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步包埋特定生化藥物成分，微球在響應(yīng)環(huán)境變化的同時(shí)，通過膨脹收縮行為，達(dá)到定向釋放的功能。能夠被調(diào)制的響應(yīng)性空心微球耦合非線性化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)為研究生化傳感器、藥物輸送系統(tǒng)、納米計(jì)算機(jī)等提供有益啟示。

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