宏觀非平衡超分子自組裝綜合實驗

趙婷，李盼盼，王旭

山東大學化學與化工學院，國家膠體材料工程技術研究中心，濟南 250100

自然界中的非平衡組裝是一個常見且重要的過程[1,2]。這種動態(tài)的非平衡組裝體系受控于耗散熱力學，通常運行在高能量狀態(tài)下，并通過消耗能量或者化學燃料來維持活性結構以實現(xiàn)復雜功能[3–5]。不管是微觀還是宏觀層面，都存在多種多樣的非平衡組裝過程。模擬這種能量驅動的非平衡組裝是構造仿生組裝體的基礎[6–8]?；诖?，研究者們設計出了一系列化學燃料驅動的諸如合成小分子[9]、聚合物[10,11]、生物大分子[12]以及納米顆粒[13]等微觀基元的非平衡組裝體系，并將其應用在可控藥物釋放[14]以及自修復[15]等領域。在宏觀組裝領域，尺寸大于十微米的組裝基元通過長程力[16]、共價鍵[17]或者超分子相互作用[18–20]實現(xiàn)組裝，但當前的宏觀組裝體系多處于能量穩(wěn)定的狀態(tài)，導致解組裝過程難以實現(xiàn)。因此，開發(fā)宏觀超分子非平衡體系不僅可以動態(tài)調控宏觀組裝基元的組裝和解組裝，而且在設計和開發(fā)精準組裝以及自適應的智能材料領域中發(fā)揮重要作用。

水凝膠是一種具有三維交聯(lián)聚合物網絡結構的親水性高分子材料[21,22]，因其表面具有良好的變形性而被廣泛應用在宏觀組裝領域。通過制備聚電解質水凝膠，并結合脲酶(urease)分解尿素的酶促反應可實現(xiàn)基于靜電相互作用的宏觀非平衡超分子自組裝。通過設計相關實驗，可以激發(fā)本科生從事科學研究的熱情，增加學習興趣，堅定學習信心，提升學生的實驗操作水平。

在本實驗中，我們將具有pH響應性的單體引入到聚電解質水凝膠中，并通過時鐘反應自發(fā)改變非平衡組裝體系的pH，進而實現(xiàn)水凝膠組裝基元的組裝或解組裝。本實驗具有實驗危險系數(shù)低、實驗操作方法簡單易行、實驗現(xiàn)象明顯等特征，因此非常適合用于教學實踐活動。實驗過程中涉及偏光顯微鏡、質構分析儀以及pH計等儀器的使用，促使學生加深對基礎知識的理解，同時增強實驗操作能力以及學習相應的表征技術及分析方法。

1 實驗目的

(1) 了解超分子化學、非平衡體系以及宏觀組裝的基礎知識；

(2) 掌握聚電解質水凝膠的基本制備方法以及基于靜電相互作用的非平衡體系的構建方法；

(3) 掌握偏光顯微鏡和質構分析儀用于非平衡組裝體系研究的分析方法。

2 實驗原理

4-乙烯基吡啶(4VP)是一種含有氨基的單體，其在高pH (堿性或中性)條件下不帶電荷，在低pH(酸性)條件下發(fā)生季銨化反應而帶正電(圖1)[23]。因此，將其作為一種功能單體可制備出具有pH響應性的聚電解質水凝膠，這種凝膠在酸性條件下顯電正性，在堿性條件下不帶電。另一種凝膠則選擇對苯乙烯磺酸鈉(SSNa)作為功能單體，其不具有響應性，在各種條件下均顯電負性。因此，在酸性條件下，兩種凝膠因靜電相互作用而實現(xiàn)組裝，而在堿性條件下則由于靜電相互作用的消失而實現(xiàn)解組裝。尿素-脲酶計時反應[24]在反應過程中可以改變體系的pH (圖2)。因此，將兩種水凝膠與化學燃料驅動的pH計時反應合理地結合在一起，即可構建宏觀非平衡超分子組裝體系。在本實驗中，初始pH為8的體系中兩種凝膠呈現(xiàn)解組裝的狀態(tài)，加入化學燃料(酸性尿素緩沖液)后，體系pH迅速下降至3.8左右，此時，正電凝膠表面發(fā)生季銨化反應而顯正電，兩種凝膠實現(xiàn)組裝；與此同時，體系中的脲酶催化分解尿素產生氨，使得體系pH緩慢上升，達到一定pH后，組裝體實現(xiàn)解組裝，進而實現(xiàn)了凝膠解組裝→組裝→解組裝的動態(tài)轉換，即宏觀非平衡超分子組裝過程(圖3)。反復添加燃料可以實現(xiàn)凝膠之間的循環(huán)組裝過程，但由于體系內存在廢物累積以及脲酶失活的問題，此非平衡組裝過程不能夠無限循環(huán)。

圖1 4VP的化學結構式

圖2 脲酶分解尿素的反應方程式

圖3 非平衡體系中組裝體燃料耗散過程中組裝狀態(tài)變化及原理示意圖

3 實驗儀器與試劑

實驗所用儀器和實驗所用試劑詳見表1、表2。

表1 主要實驗儀器

表2 主要實驗藥品

4 實驗步驟

4.1 兩種聚電解質水凝膠的制備

兩種凝膠均采用均相自由基聚合的方式合成，合成所用原料以及合成過程如圖4所示。

圖4 正電凝膠和負電凝膠的合成示意圖

具有pH響應性的正電凝膠(PCgel)的制備：稱取306.0 mg丙烯酰胺(AAm)，15.5 mgN,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAAm)，6.0 mg脲酶(urease)，5.0 mgO-甲基丙烯酸熒光素酯(FM)溶解于5.0 mL去離子水中，充分溶解以后，再加入70.0 μL 4VP以及10.0 μLN,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED)，經超聲充分混合后，在體系中加入11.5 mg過硫酸銨(APS)。接著將混合均勻的溶液倒入相應的模具中，在室溫條件下，溶液在30 min內變成水凝膠，用去離子水反復洗滌水凝膠，將黃色的正電凝膠切成棱長為5.0 mm的正方體小塊備用。

負電凝膠(PAgel)的制備：稱取306.0 mg AAm，15.5 mg MBAAm，6.0 mg脲酶，5.0 mg炭黑(CB)溶解于5.0 mL去離子水中，充分溶解以后，再加入25.2 mg SSNa以及10.0 μL TEMED，經超聲充分混合后，在體系中加入11.5 mg APS。接著將混合均勻的溶液倒入相應的模具中，在室溫條件下，溶液在30 min內變成水凝膠，用去離子水反復洗滌水凝膠，將黑色的負電凝膠切成棱長為5.0 mm的正方體小塊備用。

4.2 宏觀非平衡超分子自組裝體系的構建

(1) 配制0.1 mol·L?1的緩沖液：分別配制好0.1 mol·L?1的檸檬酸溶液以及0.1 mol·L?1的檸檬酸三鈉溶液備用，再用兩種溶液調pH，得到pH = 8的0.1 mol·L?1堿性緩沖液以及pH = 3的0.1 mol·L?1酸性緩沖液。

(2) 配制化學燃料：稱取5 g尿素，用濃度為0.1 mol·L?1的酸性緩沖液(pH = 3)溶解并定容至100 mL。

(3) 非平衡組裝體系的構建：分別取兩塊正電凝膠和兩塊負電凝膠放入含有1.5 mL pH = 8的0.1 mol·L?1堿性緩沖液的稱量瓶中，將稱量瓶放置在搖床上，并以180 r·min?1的速度進行搖晃旋轉使得凝膠小塊可以相互碰撞，此時凝膠不組裝。向該體系中加入3.5 mL化學燃料(酸性尿素溶液)，混合均勻，搖晃2 min左右，觀察到凝膠塊的組裝現(xiàn)象。接下來保持180 r·min?1的轉速，觀察兩種凝膠之間組裝狀態(tài)的變化并定時拍攝照片、測定pH、研究組裝體之間的粘接強度變化。

5 結果與討論

5.1 加入化學燃料后，正電凝膠和負電凝膠組裝狀態(tài)隨時間的變化

如圖5所示，初始pH = 8的體系中，正電凝膠和負電凝膠不組裝，加入化學燃料(最終濃度為：50 mg·mL?1尿素，0.1 mol·L?1檸檬酸/檸檬酸三鈉緩沖液，pH = 3)后，非平衡組裝體系的pH迅速下降，兩種凝膠實現(xiàn)組裝。與此同時，化學燃料中的尿素在體系中脲酶的催化下會緩慢分解產生氨，使得體系pH升高，兩種凝膠再次實現(xiàn)解組裝。以上解組裝→組裝→解組裝動態(tài)變化的結果說明正電凝膠會隨著體系pH的變化而表現(xiàn)出不同的帶電性質，在堿性條件下，正電凝膠不顯電性，此時兩種凝膠之間沒有靜電相互作用，因而表現(xiàn)出解組裝的狀態(tài)；而在酸性條件下，正電凝膠的表面因發(fā)生季銨化反應而顯正電，此時兩種凝膠的表面電荷之間存在靜電相互作用，因而表現(xiàn)出組裝的狀態(tài)。

圖5 加入化學燃料后，非平衡組裝體系中組裝基元的組裝狀態(tài)變化

5.2 兩種凝膠在酸性條件下形成的組裝體界面表征

本實驗除了可以直接觀察到宏觀的組裝現(xiàn)象外，還可以利用偏光顯微鏡來進一步觀察組裝界面，結果如圖6所示。從圖中可看出，兩種凝膠在酸性條件下可以形成致密的組裝體，組裝體的界面接觸良好。

圖6 凝膠組裝體的數(shù)碼照片(左)和光學顯微鏡照片(右)

5.3 加入化學燃料后，體系pH隨時間的變化

向宏觀非平衡超分子組裝體系中加入化學燃料后，體系的pH會隨時間的變化而發(fā)生變化，結果如圖7所示。體系的初始pH為8，化學燃料的加入使得體系的pH迅速降到3.8左右，而后又不斷增加，整體呈現(xiàn)出一個先降后升的趨勢，這主要是由于化學燃料中的酸性緩沖液使得體系的pH快速下降，而后凝膠中的脲酶可以分解緩沖液中的尿素，這個過程中產生的氨使得體系的pH緩慢上升。體系pH的變化是正電凝膠和負電凝膠組裝狀態(tài)發(fā)生變化的主要原因。

圖7 加入化學燃料后，非平衡體系的pH隨時間變化圖

5.4 正電凝膠和負電凝膠形成的組裝體在非平衡組裝過程中拉伸曲線的測定

本實驗采取拉伸的測試方法來進一步探索凝膠組裝體之間的粘接程度，用到的儀器為質構分析儀。將粘接到一起的兩種凝膠組裝體固定在夾具兩端，以60 mm min?1的拉伸速度分別拉向相反的位置，即可得到組裝體的應力-應變曲線。上訴非平衡組裝實驗過程中，不同時間下測得的凝膠組裝體之間的拉伸應力-應變曲線如圖8所示。從圖中可知，組裝體在0 min的時候基本沒有粘接力；2 min時由于體系內的pH迅速由堿性變?yōu)樗嵝?，此時拉伸曲線可達到最大的斷裂應力；而隨著脲酶分解尿素反應的進行，體系的pH不斷恢復為堿性，此時組裝體的組裝強度逐漸下降，120 min后恢復到初始狀態(tài)。需要注意的是，凝膠組裝體之間的超分子相互作用是較弱的，因此在實驗過程中需使用合適的測試量程。

圖8 體系中的凝膠組裝體在不同時間的拉伸曲線

5.5 正電凝膠和負電凝膠形成的組裝體在非平衡組裝過程中粘接強度的變化

兩種凝膠之間形成的組裝體的粘接強度可以用拉伸曲線中的斷裂應力來表示。非平衡組裝過程中，凝膠組裝體的粘接強度隨時間而變化，由圖9可知，在初始的堿性緩沖溶液中，兩種凝膠之間不組裝，因此組裝體的粘接強度為0；而向體系中加入化學燃料以后，兩種凝膠發(fā)生組裝，組裝體的粘接強度達到3.9 kPa；隨著體系內pH的不斷增加，凝膠組裝體的粘接強度不斷下降，到120 min時，體系的pH達到8以上，此時凝膠之間發(fā)生解組裝，組裝體的粘接強度又變?yōu)?。

圖9 體系中的凝膠組裝體在不同時間的粘接強度

6 實驗組織運行建議

(1) 建議本綜合實驗分三個模塊進行教學：第一模塊是兩種聚電解質水凝膠的制備以及切塊備用；第二模塊是宏觀非平衡超分子自組裝體系的構建；第三模塊是組裝體的表征和粘接強度的測定。在教學過程中可根據(jù)三個模塊的內容分三個課時進行授課。

(2) 建議教師在開始本綜合實驗前，采用多媒體的教學方式對本實驗涉及到的實驗原理、材料制備過程、儀器設備的使用方法以及各類注意事項進行講解，使學生對實驗過程有初步理解。

(3) 在實驗預習階段，學生要先通過查閱相關文獻資料，了解自由基聚合的基本原理、非平衡組裝的特點及其與靜態(tài)自組裝的區(qū)別，以便后續(xù)的實驗能夠順利地開展。進行本綜合實驗時，要求學生根據(jù)相應的實驗方案以小組的方式進行實驗，要求小組成員分工合作。

(4) 在制備兩種含脲酶的凝膠時，引發(fā)劑APS和促進劑TEMED的添加順序不可調，須先加促進劑，再加引發(fā)劑，否則會導致脲酶失活。并且凝膠中的脲酶放置太長時間也容易失活，因此建議凝膠在使用時即時制備即可，以保證非平衡組裝體系的成功構建。

(5) 本體系中，凝膠中脲酶的含量和化學燃料中尿素的濃度均會對單位時間內氨的產生量有較大影響，進而影響體系內pH變化的速率以及凝膠實現(xiàn)解組裝的時間。在一定范圍內，尿素的濃度固定時，脲酶的含量越高，則體系內pH升高越快，凝膠實現(xiàn)解組裝所需要的時間越短；脲酶含量固定時，化學燃料中尿素的含量越高，則體系內pH升高越快，凝膠實現(xiàn)解組裝所需要的時間越短。因此實驗過程中教師可以根據(jù)課程時間來選擇合適的脲酶含量以及尿素濃度來調節(jié)凝膠實現(xiàn)解組裝的時間。

(6) 實驗過程中用到的儀器均需要嚴格按照操作說明書進行，注意規(guī)范操作，并且本實驗過程中會產生氨，因此耗散過程須在通風櫥設備中進行。

(7) 建議每名學生在課后獨立完成實驗報告，對實驗體系進行進一步思考，并對所得數(shù)據(jù)進行認真分析及歸納總結。

7 結語

本文介紹了一個大學化學綜合實驗，主要包括了聚電解質水凝膠的制備方法、宏觀非平衡超分子自組裝體系的構建、組裝體表征方法等相關內容。聚電解質水凝膠材料的開發(fā)及應用以及非平衡組裝機理研究是目前比較熱門的科研方向，有助于本科生了解最前沿的科研動向。本實驗綜合性強，將各方面知識充分融合，可以培養(yǎng)學生綜合運用所學知識解決問題的能力，提高學生實驗操作水平，激發(fā)本科生的科研熱情，從而開拓學生創(chuàng)新性思維，提升科學素養(yǎng)。另外，本實驗將最新的科研成果轉化為化學綜合實驗的教學內容，實現(xiàn)了超分子化學前沿研究同本科生實驗教學的融合，使本科生及早接觸科研，使科研育人落到實處，為學生日后升學及工作發(fā)展奠定基礎，為國家和社會輸送高素質的化學科學人才。