基于不對稱星形聚合物制備Janus 雜化金納米粒子

劉子強， 張國穎

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高分子科學(xué)與工程系，合肥 230026）

根據(jù)諾貝爾獎得主de Gennes 所提出的概念，Janus 粒子是具有兩種不同的物理或化學(xué)性質(zhì)從而呈現(xiàn)出不對稱性或各向異性的粒子[1,2]。由于其獨特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，Janus 粒子在表面活性劑[3]、光學(xué)探針[4]、粒子馬達(dá)[5]、顯示器[6]和藥物輸送[7]等領(lǐng)域顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Α４送?，利用不對稱Janus 粒子有趣的聚集行為特性，可以將其作為基礎(chǔ)粒子進(jìn)行更大尺度上的自組裝，構(gòu)建結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜和多樣的材料以獲得基礎(chǔ)粒子所不具備的新功能[2,8-10]。由于金納米粒子（AuNP）在光學(xué)和電學(xué)等方面的應(yīng)用潛能，具有Janus 表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的金納米粒子一直是人們的研究熱點。然而，目前研究制備的Janus 金納米粒子大多為較大的粒子（直徑一般大于20 nm），且大多以小分子配體進(jìn)行不對稱修飾，相比之下，利用聚合物對更小的金納米粒子進(jìn)行不對稱修飾較為困難[11-15]。

Wany 課題組[16]以表面帶有巰基的聚環(huán)氧乙烷（PEO）單晶作為固態(tài)載體，結(jié)合固相接入（solid-state grafting-to）和表面接枝（grafting-from）技術(shù)制備了兩親性的Janus 金納米粒子。Niu 等[17]采用可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移 （RAFT） 聚合得到聚2-（2-甲氧基乙氧基）甲基丙烯酸乙酯，再利用Langmuir 單層膜技術(shù)通過配體交換反應(yīng)對粒徑5 nm 左右的金納米粒子進(jìn)行修飾，得到Janus 金納米粒子。利用上述方法雖然可以得到Janus金納米粒子，但處理過程和合成步驟往往較為復(fù)雜，且Janus 金納米粒子的產(chǎn)率較低。因此，發(fā)展更加簡單高效的、聚合物修飾的小粒徑Janus 金納米粒子的方法顯得非常重要。

β-環(huán)糊精（β-CD）是由7 個葡萄糖單元通過α-1,4-糖苷鍵連接而成的中空環(huán)狀低聚糖化合物，其分子結(jié)構(gòu)略呈錐筒形。在其分子窄截面一側(cè)，即較小的開口端，有7 個親核性較強的伯羥基；而在其分子寬截面一側(cè)，即較大的開口端，則有14 個反應(yīng)活性相對較低的仲羥基。β-CD 分子中不同位置的羥基在反應(yīng)活性上的差別，使對β-CD 進(jìn)行選擇性修飾成為可能，從而可設(shè)計合成出各種具有不對稱結(jié)構(gòu)的模型分子[18-22]。例如，Xu 等[20]利用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）和點擊化學(xué)合成得到了以β-CD 為核的多臂不對稱星型聚合物。

受到以上工作的啟發(fā)，本文對β-CD 進(jìn)行不對稱改性，在其分子窄截面一側(cè)通過疊氮-炔基點擊化學(xué)引入7 個硫辛酸基元（LA），在其寬截面一側(cè)修飾ATRP 引發(fā)劑基元，再聚合得到14 條聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）鏈，得到不對稱星形聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14，然后利用LA 基元與金納米粒子之間的強相互作用，以此聚合物通過配體交換法對小粒徑金納米粒子進(jìn)行表面改性，利用聚合物鏈的空間位阻效應(yīng)，得到具有兩親性表面的Janus 雜化金納米粒子Au3.1-CD-（PNIPAM46）14。這些兩親性Janus 雜化金納米粒子可以在選擇性溶劑水中自組裝形成類似于膠束結(jié)構(gòu)的球狀聚集體。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

如無特別說明，實驗中所采用的原料和試劑均為化學(xué)純，且使用前未經(jīng)純化。在β-CD 分子窄截面一側(cè)帶有7 個疊氮基團的β-CD-（N3）7[23]、N-炔丙基硫辛酰胺[24]、表面由丁硫醇（Bu）穩(wěn)定的平均粒徑為3.1 nm 的金納米粒子（Bu-Au3.1NPs）[25,26]參考相應(yīng)文獻(xiàn)報道的方法合成；NIPAM：Tokyo Kasei Kagyo Co，使用前經(jīng)正己烷-苯（體積比65/35）混合溶劑重結(jié)晶3 次；四氫呋喃（THF）：分析純，通過加入鈉屑在常壓下回流提純，以二苯甲酮為指示劑；無水N-甲基吡咯烷酮（NMP）、二氯甲烷（DCM）、異丙醇（IPA）、溴化亞銅（CuBr）、氯化亞銅（CuCl）、2-溴丙酰溴、聯(lián)吡啶（bpy）、三（2-（二甲氨基）乙基）胺（Me6TREN）、N,N,N′,N′′,N′′-五甲基二乙烯三胺（PMDETA）：Aldrich 公司。組裝實驗用水為去離子化處理的超純水。

1.2 測試與表征

核磁共振（NMR）譜圖利用Bruker DMX-300 NMR 核磁共振儀、經(jīng)傅里葉變換模式測試得到，測試時1H-NMR 和13C-NMR 的共振頻率分別為300 MHz 和75 MHz。聚合物的分子量及其分子量分布利用配備有Waters 1515 和2414 色譜泵的凝膠滲透色譜儀（GPC）測試完成，以6 種分子量為0.8×103～4.0×105的窄分布聚苯乙烯為標(biāo)樣。利用Hitachi H-800 場發(fā)射透射電子顯微鏡（TEM）觀察Janus 雜化金納米粒子組裝體的形貌。基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜（MALDI-TOF MS）用Bruker BIFLEXe III 測定，采用氮激光（337 nm）及20 kV 的加速電壓，以反射模式測試樣品分子量：對于PNIPAM 樣品，以2,5-二羥基苯甲酸作為基質(zhì)，采用NaBF4以促進(jìn)離子化；對環(huán)糊精樣品，則以1,8,9-二硝基蒽作為基質(zhì)。熱重分析使用 Perkin Elmer Diamond TG/DTA 熱分析儀在空氣氣氛中進(jìn)行，升溫速率為10 °C/min。傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）利用Bruker VECTOR-22 測定得到，采用溴化鉀壓片法制樣，掃描次數(shù)為64 次，光譜分辨率為4 cm-1。

1.3 兩親性Janus 雜化金納米粒子的制備

首先合成得到不對稱星形聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14，然后通過配體交換法以其對金納米粒子進(jìn)行表面修飾，制備得到具有兩親性Janus 表面的不對稱雜化金納米粒子Au3.1-CD-（PNIPAM46）14，其合成路線及其在水中的組裝示意圖如圖1 所示。

圖1 Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 的制備及其在水中的組裝示意圖Fig. 1 Schematic illustration for the preparation of Au3.1-CD-（PNIPAM46）14, as well as their self-assembly in water

1.3.1 全（2,3-（2-溴丙?；?6-疊氮基）-β-環(huán)糊精（（N3）7-CD-（Br）14）[27]將β-CD-（N3）7（1.97 g, 1.5 mmol）溶解于20 mL 無水NMP 中，將2-溴丙酰溴（20.08 g, 93 mmol）用10 mL 無水NMP 稀釋后，在冰水浴冷卻條件下，通過滴液漏斗將其緩慢滴加入上述溶液中，然后在室溫下反應(yīng)3 d，再在真空條件下反應(yīng)1 d。反應(yīng)結(jié)束后在反應(yīng)體系中加入DCM 進(jìn)行稀釋，依次用1 mol/L HCl、飽和NaHCO3溶液、1 mol/L NaCl 和水各洗3 次后，加入無水硫酸鎂干燥，過濾、濃縮后以THF 為洗脫劑過硅膠色譜柱進(jìn)行分離提純，所得溶液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑后真空干燥得到（N3）7-CD-（Br）14白色粉末0.53 g, 產(chǎn)率11%。

1.3.2 14 臂星形聚合物（N3）7-CD-（PNIPAM46）14的合成[28,29]將NIPAM （1.25 g, 11 mmol）、Me6TREN （25 mg,0.11 mmol）、（N3）7-CD-（Br）14（50 mg, 0.22 mmol Br）和IPA （2 mL）加入到反應(yīng)瓶中，經(jīng)3 次冷凍-抽氣-融化循環(huán)后，在N2氣氣氛下使體系溫度恢復(fù)至室溫，再將CuCl （11 mg, 0.11 mmol）快速加入到聚合瓶中引發(fā)聚合反應(yīng)。在N2氣氣氛和30 °C 下反應(yīng)5 h 后，用液氮使聚合反應(yīng)終止。反應(yīng)體系溶液經(jīng)THF 稀釋后，在空氣中氧化過夜，然后過硅膠柱除去銅鹽。所得溶液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑后，再將混合物溶解在少量THF 中，在冷乙醚中進(jìn)行沉淀以除去未反應(yīng)單體，收集沉淀置于真空干燥箱中干燥過夜，得到最終產(chǎn)物（1.02 g, 產(chǎn)率82%）。根據(jù)1H-NMR 表征結(jié)果計算出PNIPAM 鏈的聚合度為46×14，因此將合成得到的聚合物命名為（N3）7-CD-（PNIPAM46）14。

1.3.3 不對稱星形聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14的合成[29]在三口燒瓶中加入N-炔丙基硫辛酰胺 （24 mg,0.1 mmol）、PMDETA （17 mg, 0.1 mmol）、（N3）7-CD-（PNIPAM46）14（0.38 g, 0.035 mmol N3）和5 mL DMF，在攪拌條件下通氮氣0.5 h 后在氮氣保護(hù)下向溶液中加入CuBr （15 mg, 0.1 mmol），然后升溫至30 °C 反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束加入THF 稀釋反應(yīng)混合物溶液，過中性氧化鋁柱除去銅鹽，所得溶液經(jīng)旋蒸濃縮后再在冷乙醚中沉淀以除去未反應(yīng)的N-炔丙基硫辛酰胺，收集沉淀物經(jīng)真空干燥后得到淺黃色固體粉末（LA）7-CD-（PNIPAM46）14（0.30 g, 產(chǎn)率 79%）。

1.3.4 Au3.1-CD-（PNIPAM）14的制備[30]由不對稱星形聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14修飾的兩親性Janus雜化金納米粒子采用配體交換法制備得到。在氮氣保護(hù)的1 L 圓底燒瓶中，將200 mg Bu-Au3.1NPs分散在300 mL 的THF 中。然后在氮氣保護(hù)條件下利用注射泵以0.5 mL/h 的速率向燒瓶中緩慢滴加（LA）7-CD-（PNIPAM46）14（50 mg）的THF （20 mL）溶液，同時進(jìn)行快速攪拌。滴加完畢后在室溫下繼續(xù)攪拌24 h，然后通過旋蒸濃縮溶液，再將其沉淀到過量的正己烷中，沉淀物利用0.45 μm 的聚四氟乙烯（PTFE）微孔濾膜進(jìn)行過濾收集，溶解沉淀過程重復(fù)多次后，除去過量的Bu-Au3.1NPs，最后經(jīng)真空干燥過夜后得到黑色的粉末狀固體，即Au3.1-CD-（PNIPAM46）14（60 mg）。

1.4 兩親性Janus 雜化金納米粒子的自組裝

在劇烈攪拌下將含有5.0 mg Au3.1-CD-（PNIPAM46）14的0.5 mL THF 分散液快速加入到4.5 mL 水中，持續(xù)攪拌12 h 后，透析除去THF 得到組裝體的水分散液。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩親性Janus 雜化金納米粒子的制備及表征

（N3）7-CD-（Br）14的GPC 曲線（如圖2a 所示）顯示為單峰，分子量和分子量分布測定結(jié)果為Mn,GPC= 3.2×103,PDI = 1.02。（N3）7-CD-（PNIPAM46）14的GPC 曲線也顯示為對稱的單峰（圖2b），與（N3）7-CD-（Br）14的GPC 曲線（圖2a）相比明顯向高分子量區(qū)偏移，Mn,GPC= 35.0×103，PDI = 1.08。不對稱星形聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14的GPC 曲線在位置和峰形上與（N3）7-CD-（PNIPAM46）14的曲線相比均無明顯變化（圖2c）。

圖2 （a）（N3）7-CD-（Br）14, （b）（N3）7-CD-（PNIPAM46）14 和 （c）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14 在THF 中的GPC 曲線Fig. 2 GPC traces obtained in THF for （a）（N3）7-CD-（Br）14, （b）（N3）7-CD-（PNIPAM46）14 and （c）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14

根據(jù)1H-NMR 的表征結(jié)果（圖3A），β-CD-（N3）7與2-溴丙酰溴發(fā)生酯化反應(yīng)后，在分子中的β-CD 寬截面一側(cè)，即葡萄糖單元中C-2、C-3 上的仲羥基已完全反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢l(fā)ATRP 聚合的2-溴丙酰氧基：1H-NMR（CDCl3，δ）: 1.88 （42H, CHCH3）, 3.50～5.50 （63H, H-1, H-2, H-3, H-4, H-5, H-6, CHCH3）;13C-NMR （CDCl3，δ）:21.3 （CHCH3） , 39.9 （CHCH3）, 51.6 （C-6）, 71.2～71.3 （C-2,C-3,C-4,C-5）, 96.0 （C-1）, 169.3 （C=O）。（N3）7-CD-（Br）14的MALDI-TOF MS 測試結(jié)果也證明了β-CD 寬截面一側(cè)14 個仲羥基的成功改性：C84H106O42N21Br14（M + H+）的理論值是3 184.5，實測值為3 183.1。經(jīng)ATRP 引發(fā)NIPAM 單體聚合后，PNIPAM 鏈的聚合度可根據(jù)（N3）7-CD-（PNIPAM46）14的1H-NMR 譜中β-CD 在4.7～5.5 的氫原子峰與PNIPAM 在4.0 的氫原子峰的積分面積比計算得到（圖3B）。

考慮到（LA）7-CD-（PNIPAM46）14的1H-NMR 譜中硫辛酰胺結(jié)構(gòu)與PNIPAM 鏈段的特征峰之間的重疊，難以由1H-NMR 測試結(jié)果直接計算點擊化學(xué)反應(yīng)效率（圖3C），進(jìn)而利用FT-IR 對（LA）7-CD-（PNIPAM46）14進(jìn)行了表征（圖4）。對比 （N3）7-CD-（PNIPAM46）14（圖4a）和（LA）7-CD-（PNIPAM46）14（圖4b）的FT-IR 吸收光譜可見，經(jīng)點擊化學(xué)反應(yīng)后，2 100 cm-1處疊氮基團的特征吸收譜帶完全消失，表明反應(yīng)已高效完成，成功合成得到了不對稱星形聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14。

圖3 （A）（N3）7-CD-（Br）14, （B）（N3）7-CD-（PNIPAM46）14 和（C）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14 在CDCl3 中的1H-NMR 譜圖Fig. 3 1H-NMR spectra recorded in CDCl3 for （A）（N3）7-CD-（Br）14, （B）（N3）7-CD-（PNIPAM46）14 and （C）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14

圖4 （a）（N3）7-CD-（PNIPAM46）14, （b）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14, （c） Bu-Au3.1NPs 和（d） Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 的紅外光譜Fig. 4 FT-IR spectra of （a）（N3）7-CD-（PNIPAM46）14, （b）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14, （c） Bu-Au3.1 NPs and （d） Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 nanoparticles

由不對稱星形聚合物修飾的兩親性Janus 雜化金納米粒子通過配體交換法制備得到。對比配體交換前后（圖4c 和4d）FT-IR 譜圖可見，在Au3.1-CD-（PNIPAM46）14的紅外光譜中出現(xiàn)明顯的PNIPAM 特征吸收峰，表明（LA）7-CD-（PNIPAM46）14已被引入到了金納米粒子的表面。

為了進(jìn)一步驗證該雜化納米體系的結(jié)構(gòu)，本文利用GPC 和TG 對其進(jìn)行了表征。圖5 所示為Bu-Au3.1NPs、（LA）7-CD-（PNIPAM46）14和Au3.1-CD-（PNIPAM46）14雜化納米粒子的GPC 曲線，3 條曲線均呈現(xiàn)分布較窄的單峰，Bu-Au3.1NPs （圖5a）和（LA）7-CD-（PNIPAM46）14（圖5b）的Mn分別為0.5×103和35.0×103，PDI分別為1.16 和1.08。根據(jù)GPC 測定物質(zhì)分子量的“體積排斥原理”，（LA）7-CD-（PNIPAM46）14在THF 分散液中的體積要遠(yuǎn)大于Bu-Au3.1NPs 的體積，據(jù)此可以推測，在兩者進(jìn)行配體交換時，（LA）7-CD-（PNIPAM46）14分子鏈具有足夠的空間位阻防止其他（LA）7-CD-（PNIPAM46）14分子修飾到同一個金納米粒子表面上。換言之，經(jīng)過配體交換，每一個金納米粒子表面僅修飾有一個（LA）7-CD-（PNIPAM46）14分子鏈，在其一側(cè)表面仍有丁硫醇配體保留，故而得到具有Janus 表面結(jié)構(gòu)特征的不對稱金納米粒子Au3.1-CD-（PNIPAM46）14，其GPC 曲線相對于（LA）7-CD-（PNIPAM46）14略向大分子量方向移動（圖5c，Mn= 37.2×103，PDI = 1.10），峰形與（LA）7-CD-（PNIPAM46）14基本一致。

圖6 為Bu-Au3.1NPs、（LA）7-CD-（PNIPAM46）14和Au3.1-CD-（PNIPAM46）14的TG 曲線。從圖中可以看出，當(dāng)T=150 °C 時，由于丁硫醇配體的脫除，Bu-Au3.1NPs 開始出現(xiàn)失重，180 °C 左右其質(zhì)量即趨于穩(wěn)定，在700 °C時有87%的質(zhì)量殘留（圖6a）；而（LA）7-CD-（PNIPAM46）14在700 °C 幾乎無殘留（圖6c），Au3.1-CD-（PNIPAM46）14在加熱至700 °C 時則有58%的殘留（圖6b），由此可知在Au3.1-CD-（PNIPAM46）14中，金納米粒子、丁硫醇和（LA）7-CD-（PNIPAM46）14的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約為57.47%、13.14%和29.39%，據(jù)此可進(jìn)行如下計算，以推算（LA）7-CD-（PNIPAM46）14在金納米粒子表面的分布。

圖5 （a）Bu-Au3.1NPs, （b）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14和（c） Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 在THF 中的GPC 曲線Fig. 5 GPC traces obtained in THF for （a） Bu-Au3.1NPs, （b）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14 and （c） Au3.1-CD-（PNIPAM46）14

圖6 （a） Bu-Au3.1NPs, （b） Au3.1-CD-（PNIPAM46）14和 （c）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14 納米粒子的TG 曲線Fig. 6 TG curves of （a） Bu-Au3.1NPs, （b） Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 and （c）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14

Au3.1-CD-（PNIPAM46）14中金納米粒子的質(zhì)量（mAu, g）為：

雜化金納米粒子中聚合物的質(zhì)量（mp, g）為：

而根據(jù)1H-NMR 的聚合度測定結(jié)果，（LA）7-CD-（PNIPAM46）14星形聚合物的數(shù)均分子量約為Mn,p=7.78×104，因此單個雜化金納米粒子中聚合物的數(shù)量Np為：

即：兩親性Au3.1-CD-（PNIPAM46）14中金納米粒子和星型聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14的物質(zhì)的量之比近似為1∶1。

綜上所述，（LA）7-CD-（PNIPAM46）14具有不對稱的Janus 表面結(jié)構(gòu)特征。而考慮到PNIPAM 鏈段的親水性和金納米粒子的另一側(cè)表面仍為丁硫醇修飾所保持的疏水性，Au3.1-CD-（PNIPAM46）14也可以看作兩親性的“兩嵌段聚合物”。

2.2 Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 的自組裝

兩親性分子可以在選擇性溶劑中自組裝形成一定結(jié)構(gòu)的聚集體，然而關(guān)于兩親性分子的自組裝研究主要集中于兩親性的表面活性劑分子或嵌段聚合物，對于兩親性無機/聚合物雜化納米粒子體系的自組裝行為研究則相對較少。因此，基于不對稱修飾的Janus 雜化金納米粒子Au3.1-CD-（PNIPAM46）14的自組裝有望為此類無機/聚合物雜化體系的自組裝研究提供重要的參考。Au3.1-CD-（PNIPAM46）14在THF 中具有良好的分散性（圖7（a）），相互之間不會發(fā)生聚集。然而，兩親性Au3.1-CD-（PNIPAM46）14在選擇性溶劑水中會發(fā)生自組裝（圖7（b）和7（c）），形成類似于球狀膠束的、尺寸為10～30 nm 的高級納米組裝體，每個球狀組裝體中包含幾個至幾十個雜化金納米粒子。

圖7 兩親性Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 在（a） THF 及其組裝體在水中（b, c）的TEM 照片F(xiàn)ig. 7 TEM images of amphiphilic Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 in （a） THF, and （b, c） self-assemblies in water

3 結(jié) 論

（1）結(jié)合ATRP 和點擊化學(xué)對β-CD 進(jìn)行不對稱修飾，合成得到具有不同PNIPAM 鏈段長度、帶有硫辛酸環(huán)狀二硫鍵基元的不對稱星型聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14。

（2）采用配體交換法，以（LA）7-CD-（PNIPAM46）14對小粒徑（3.1 nm）金納米粒子進(jìn)行表面修飾，利用聚合物分子鏈的空間位阻效應(yīng)，得到具有不對稱表面結(jié)構(gòu)和兩親性Janus 雜化金納米粒子Au3.1-CD-（PNIPAM46）14。

（3）采用共溶劑法，Au3.1-CD-（PNIPAM46）14在水中進(jìn)行自組裝，得到類似于膠束結(jié)構(gòu)的球狀聚集體。