LCST聚合物的系列表征方法.docx

LCST/UCST聚合物体系的系列表征方法

摘 要 LCST/UCST（低/高临界溶解温度）聚合物体系因其特殊的温度响应性性质，在很多领域得到广泛关注和应用，而对这类聚合物的表征方法也有很多，传统的像GPC，FTIR，1HNMR等。但本文主要介绍一些该类体系特殊的表征方法，UV-VIS测浊点，荧光法测CAC（临界胶束聚集浓度），DSC测相变温度以及过程中的热参数，DLS测聚合物或其聚集物的尺寸，OP等直接观察聚集物的形貌特征，若观测对象是凝胶的话，还可以通过普通重量分析法测凝胶的膨胀比。
关键词 LCST 表征 浊点 CAC相转变温度 聚集体尺寸 膨胀比

1、背景介绍
温度响应型聚合物是刺激响应型聚合物中很重要的一种，该类聚合物的水溶液具有一个很重要的参数，就是低临界溶解温度（lower critical solution temperature，LCST）或者高临界溶解温度（high critical solution temperature，UCST）。一般情况下，温度响应型聚合物水溶液体系大多只具有LCST，但特殊情况下，通过外界条件的改变，比如使用混合溶剂，往溶液中加入盐等，可能会改变体系的性能，使其同时具备LCST和UCST。在本文中，主要介绍具有LCST的聚合物体系的系列表征方法。
具有LCST的聚合物在其水溶液中，温度低于LCST时处于溶解状态，但是当温度升高超过LCST时，就会发生相分离，宏观现象表现为体系由透明状态变成乳白色的浑浊状态，这一过程是可逆的。这类聚合物一般是具有两亲性的聚合物，如poly(propylene oxide) (PPO) and poly(vinyl methyl ether) (PVME)，而含酰胺基团的聚合物又占其中很大一部分，如poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) and poly(N,N’-diethylacryla-mide) (PDEAAM)等。
当体系温度超过LCST时，相分离会发生，可能是因为打破了体系中存在的各种相互作用力之间的平衡，包括聚合物-聚合物之间的相互作用和聚合物-溶剂之间的相互作用,而其中最主要的是氢键作用和疏水作用的相互竞争。温度低于LCST时，聚合物-水间的氢键作用占主导地位，使聚合物在水中能很好的分散溶解；当温度升高超过LCST时，聚合物和水之间的氢键作用被破坏，聚合物脱水合作用，疏水作用开始占优势，最终导致聚合物的聚集沉降，即出现了相分离。
LCST聚合物体系的表征方法有很多，常规的有GPC或MALDI-TOF MS测分子量大小及其分布，NMR、FTIR等对聚合物进行定性表征；特殊的有UV-VIS measurements测体系的浊点（cloud point）、临界聚集浓度（CAC，critical aggregation concentration），Fluorescence measurements测嵌段或形状等共聚物的临界胶束浓度（CMC，critical micellar concentration），DSC测体系的相转变温度（phase transition temperature），DLS测聚集体或者胶束的尺寸（流体力学半径Rh）, Optical micrographs直接观察体系的相转变过程，如若形成了凝胶，则通过普通的重量分析法测膨胀比（swelling ratio）。以下通过具体实例就几种重要的表征方法进行分类详细说明。
2、表征方法
2.1 浊点测量（Cloud point measurements）
前面提到过，温度响应型聚合物水溶液，在温度低于LCST时，体系溶解呈现透明状，
而当温度逐渐升高超过LCST时，聚合物开始聚集，体系变得不再透明。利用这一特点，可以用紫外-可见光分光光度法测体系在升温过程中的透光率变化，变化最剧烈的点对应的温度可以代表体系的LCST。在此，以PNIPAM水溶液体系为例对实验过程进行具体说明。[1]
引用的体系：ATRP方法合成的含不同端基，不同分子量的窄分布PNIPAM水溶液
测试仪器：Cary 100 Bio UV-vis spectro-photometer equipped with a Temperature-controlled
six-position sample holder
浊点的确定：取透射率为50%时对应的温度作为样品水溶液的cloud point
测试条件：1wt% PNIPAM水溶液，500nm入射光照射，以0.2℃/min的升温速度将体系从25℃升至45℃，记录每一温度下对应的透光率。样品水溶液的cloud point由两次单独扫描取平均得到，并且要求两次扫描至误差在±0.3℃以内
测试对象：1）不同端基的PNIPAM的水溶液2）同一端基，不同分子量的PNIPAM水溶液

图1：1wt%的PNIPAM水溶液的透射率-温度曲线，对应的ATRP引发剂如下(A) CP: Mn,th (a) 3.0,(b) 4.5, (c) 8.8, (d) 16.3 kDa; (B) i-PrCP: Mn,th (a) 3.1, (b) 4.9, (c)8.8, (d) 19.2 kDa; (C) ECP: Mn,th (a) 2.9, (b) 4.6, (c) 8.9, (d) 17.9kDa; (D) PhCP: Mn,th (a) 3.2, (b) 4.6, (c) 9.6, (d) 18.3 kDa. 加热速率 0.2 °C/min。
*其中，CP是指2-氯丙酰胺；Mn,th=[MNIPAM]0.conv/[I0]

图2：不同端基的1wt% PNIPAM水溶液的浊点-分子量曲线。加热速率0.2℃/min
由图1可知亲水端基能提高PNIPAM的LCST，而疏水性端基却会降低PNIPAM的LCST，
且这种效应对低分子量的PNIPAM影响更大。由图2可知，对于同一种端基，体系的LCST都随着分子量的增大而减小，在分子量较小时减小的幅度比较大。浊度法在这篇引用的文献中研究的是端基和分子量对体系LCST的影响，在其他文献中，类似的，浊度法还被用来研究混合溶剂[2]、pH[7]、外加盐以及浓度、共聚物组成及形状等对LCST的影响。

2.2 相转变温度的测量（Phase transition temperature）
前面提到过温度响应性聚合物水溶液体系发生相转变的机理，是因为当温度升高超
过LCST时，聚合物和水之间的氢键被破坏，发生去溶剂化作用，疏水作用开始占主导地位是聚合物开始发生聚集，最终导致相转变的发生。在这个过程中，氢键的破坏是需要吸热的，吸热峰可以由DSC测出，所以可以定义吸热峰峰位置对应的温度代表LCST。在此，还是以上述引用的PNIPAM水溶液体系为例，对测量过程进行具体说明。[1]
引用的体系：ATRP方法合成的含不同端基，不同分子量的窄分布PNIPAM水溶液
测试仪器：MicroCal VP-DSC microcalorimeter
测试条件：1wt% PNIPAM水溶液，脱气后转移至0.5125ml的样品池中，在外压170KPa条件下，以60℃/h的升温速率进行扫描，扫描区间为25～70℃，注意每次扫描前要将样品在10℃下保持10min
相转变温度的确定：取偏超额热容Cp达到峰值时对应的温度作为相转变温度
测试对象：1）不同端基的PNIPAM的水溶液2）同一端基，不同分子量的PNIPAM水溶液

图3：1wt%的PNIPAM水溶液的偏超额热容-温度曲线，对应的ATRP引发剂如下(A) CP: Mn,th (a) 3.0,(b) 4.5, (c) 8.8, (d) 16.3 kDa; (B) i-PrCP: Mn,th (a) 3.1, (b) 4.9, (c)8.8, (d) 19.2 kDa; (C) ECP: Mn,th (a) 2.9, (b) 4.6, (c) 8.9, (d) 17.9kDa; (D) PhCP: Mn,th (a) 3.2, (b) 4.6, (c) 9.6, (d) 18.3 kDa. 加热速率 60 °C/min。

图4：不同端基的1wt% PNIPAM水溶液相转变焓变-温度曲线。加热速率60℃/min
由图3可知，亲水性的端基使PNIPAM水溶液相转变温度升高，而疏水性端基使其减小，而这种效应对低分子量的PNIPAM更显著。另外，对于同一种端基，随着分子量的增加，体系相转变温度逐渐减小。由图4可知，对于同一种端基，体系的焓变也是随着分子量的减小而减小，但是当分子量到达较小范围时，对于具有疏水端基的PNIPAM体系，其焓变基本维持不变，而对于具亲水性基团的体系，其焓变继续下降。
由于上述提到的浊点测量和相转变温度的测量结果都是引自同一篇文献，通过比较可知，两种测量方法所得的代表LCST的数值相差不大，因此浊点（cloud point）和相转变温度（phase transition temperature）虽然测量机理不同，一般情况下都可以用来表示体系的LCST。

2.3 临界胶束浓度（critical micellar concentration, CMC）的测量
CMC参数一般是用于表征温度响应型的共聚物，如嵌段聚合物（由疏水性嵌段和亲水性嵌段组成）的水溶液，在某一温度下，开始自组装形成胶束的临界浓度。一般用疏水性荧光素分子作为探针，在某一温度下（一般是室温），当聚合物浓度较低还未形成胶束时，荧光素分子处于水相，不溶，无荧光信号。当聚合物浓度达到一定值时，嵌段聚合物开始自组装，形成胶束结构，疏水段聚集成核，亲水嵌段暴露在边缘成冕，然后，荧光素分子进入疏水核中，溶解，体系开始产生荧光信号。而这一转变对应的临界聚合物浓度，就是CMC，有的文献中，称这一转变浓度为CAC，即是临界聚集浓度（critical aggregation concentration）[3]。在此，以PNIPAM-b-PMMA嵌段聚合物为例，对测试过程进行具体说明。[4]
引用的体系：PNIPAM-b-PMMA水溶液
测试仪器：LS55 luminescence spectrometer (Perkin-Elmer)
测试条件：芘作为疏水性的荧光探针，配制多种不同浓度的聚合物水溶液，加入芘，保证每个样品溶液中芘的浓度都是6×10-7M。体系在室温下放置24h使混合均匀，达到平衡，然后在室温下以340nm的入射光激发，记录350～600nm的发射光谱。取第一和第二吸收峰的强度I1、I2对浓度做拟合。
CMC的确定：I1-C（或I2-c）曲线拐点处的切线和曲线水平部分的交点对应的浓度就是室温下体系的临界胶束浓度
测试对象：室温下，不同浓度的PNIPAM-b-PMMA的水溶液
由图5可知，体系的CMC很低，只有50mg/L，这说明胶束在很低的浓度下就形成了，并且能够很稳定的存在。因此，可以推知，这种胶束结构可以在很稀的溶液中进行利用，如人的体液等。另外，要注意的是，实验过程中一定要保证每一份样品溶液中，荧光探针的浓度是一样的。而且最后确定CMC时，图的横坐标是logc，而不是c，因为配置的体系溶液的浓度相互之间跨度较大，如果是用c直接作为横坐标，则测出的点太密集，无法体现很好的变化趋势，而取用对数坐标，则能让测量点很好的分散，使总体趋势体现出来。

图5：（a）不同浓度的体系中芘的荧光发射光谱（b）荧光发射光谱中对应的I1、I2强度随着浓度对数值的变化

2.4 相转变时聚合物尺寸的测量（均方末端距Rg和流体力学半径Rh的测量）
温度响应型聚合物水溶液在温度低于LCST时，水合作用占主导地位，水分子将聚合物包围，使聚合物单分散，充分伸展，相应的聚合物尺寸，Rg和Rh就较大。当温度高于LCST时，聚合物与水分子间的氢键被破坏，聚合物链段间或者聚合物与聚合物之间发生收缩聚集。Rg和Rh变小。因此，通过测量体系的Rg和Rh随温度的变化，也可以从一个侧面反映体系的LCST大小，并且帮助形象的认识相变过程中聚合物体系发生的变化。一般，用静态光散射（static light scattering，SLS）测Rg，用动态光散射（dynamic light scattering，DLS）测Rh。以下就举出具体的实例来进行说明。
引用的体系：PNIPAM的水溶液
测试仪器：LLS spectrometer (ALV/SP-150), ALV-5000 digital time correlator , solid-state laser (ADLAS DPY42511, output power ～400mW at λ= 532 nm)
测试条件：配制系列PNIPAM的水溶液（浓度～5×10-5g/ml），用0.25μm过滤器过滤后进行测试
Rg和Rh的确定：具体公式见参考文献 [5]
本文献中，Floryθ温度的确定是由图7中Rg/Rh由定值开始减小的拐点温度确定的，因为在这一温度之前，Rg/Rh≈1.52，与理想预期值（即柔性链在良溶剂中Rg/Rh的值）接近。相转变温度是由图5中Rg=Rh对应的温度确定的，具体原因该文献中没有给出。另外，比较图7中不同分子量对应的Rg/Rh，发现差别并不大，测定的曲线几乎重合，因此判定参数Rg/Rh
与PNIPAM无关，至少关系不大。

图6：PNIPAM水溶液的均方回转半径Rg和流体力学半径Rh随温度的变化，其中"○""□"分别代表Mw=1.08×107g/mol和Mw=1.21×107g/mol的PNIPAM水溶液。垂直虚线对应Flory的θ温度，垂直实线对应相转变温度

图7：PNIPAM水溶液的均方回转半径Rg和流体力学半径Rh之比Rg/Rh随温度的变化，其中"○""□"分别代表Mw=1.08×107g/mol和Mw=1.21×107g/mol的PNIPAM水溶液。垂直虚线对应Flory的θ温度，垂直实线对应相转变温度
这篇文献中同时测量了Rg和Rh，其主要目的还是为了探究PNIPAM聚合物链在温度变化过程中的机理。而一般文献，只用表征出聚合物在LCST前后尺寸变化的大概趋势即可，因此，用DLS方法测出体系的Rh即可。本篇文献对Rh的推导过程只是一笔带过，而在下面要介绍的文献中[4],却给出了Rh的具体推导过程。
测定某一特定温度下体系的Rh大概的思路就是：1）配制系列不同浓度的聚合物溶液。对每一种浓度的样品溶液均进行DLS测试，通过对得到的直接结果进行分析，得到衰减时间的倒数Γ；2）通过公式计算以及对间接得到的数据作图，可以确定不同浓度下体系的扩散系数D；3)作图D-c，按照给出的公式直线拟合，然后外推至浓度c→0得到D0.，即无限稀浓度时体系的扩散系数；4）将D0代入公式求解，即可得到这一特定温度下体系的Rh。以上过程，如果用具体图例来进行说明的话，如下：其中测量的体系是PNIPAM-g-PMMA的水溶液。

图8：DLS法推演Rh的过程图示
这篇文献只测了20℃下体系的Rh，目的是研究的是PNIPAM-g-PMMA中PNIPAM段含量多少对Rh的影响。推而广之，我们可以测同一体系在不同温度下对应的Rh，然后作图，判断体系Rh随温度的变化，可以作为形象理解相转变过程的手段，也可以作为另一种表征LCST的方法。

2.5 直接观察相转变过程中体系的状态
以上介绍的各种方法都是通过实验数据间接表征体系的相转变过程，而我们还可以通过光学显微镜（Optical microscopy，OM）直接观察体系在相转变前后的聚集状态。在此，引用一篇介绍温敏性聚丙烯酸酯超支化衍生物的文献为例来进行说明。[6]
引用的体系：温敏性聚丙烯酸酯超支化衍生物的水溶液
测试仪器：Leica DMRX instrument (objective lens × 50) ,halogen-lamp ,color CCD camera (Leica DFC480) , hot-stage (Mettler, model FP82TM)
测试条件：1）PG1配制成0.25wt%水溶液，涂在凹载玻片上，放在光学显微镜下观察。按照62℃→64℃（保持1min）→62℃ 顺序对体系进行升温和降温，升温/降温速度0.5℃/min，每隔1s拍照记录；
2）PG2配制成0.05wt%和0.25wt%两种浓度的溶液，涂在凹载玻片上，放在光学显微镜下观察。按照63℃→65℃（保持1min）→63℃顺序对体系进行升温和降温，升温/降温速度0.5℃/min，每隔1s拍照记录（其中PG1和PG2的化学结构见参考文献）

图9：光学显微镜观察不同体系的聚集状态随温度的变化，六幅图的标尺都是10μm。六幅图依次对应着0.25wt%的PG1水溶液在a)62℃b)升温到63℃c）升温到64℃d）降温到63℃时候的聚集状态。e）0.05wt%的PG2水溶液在65℃f）0.25wt%的的PG水溶液在65℃时的聚集状态。e）f）中的插图都是部分放大四倍的图。
上图只是该文献测试的许多张图之一。通过观察不同浓度，不同升温速率以及升温和降温过程中，体系聚集状态的变化（包括聚集体的密度，形状，分布，尺寸大小等等）来判断体系聚集状态变化对上述各种因素的依赖性。有时候，这些直观图还可以用于辅助说明解释某一种对聚集过程机理的推测。其他，直观观察聚集物尺寸的方法还有SFM（Scanning Force Microscopy），SEM（Scanning Electron Microscopy）[3]和AFM（Atom Force Microscopy）[6]法等。

2.6 温敏性凝胶的膨胀比（swelling ratio）的测量
有些温敏性材料会做成凝胶的形式，这种温敏性凝胶除了一般温敏性材料都具有的LCST外，还有一个特征，就是随着温度的升高，凝胶的体积会收缩，对应的参数是膨胀比（swelling ratio）。膨胀比的计算公式为：Swelling weight=Wt/W20×100(%)，其中，Wt是指温度为t℃时凝胶在纯水中的膨胀质量，W20则是在20℃时候的膨胀质量，膨胀比用一般的称重分析法即可测得。以下的引用文献[7]研究的是NVF摩尔含量依次为0, 10, 20, 30 mol %的Poly（VAm-co-NVIBA）凝胶在纯水中，当温度从20℃升至65℃过程中体积收缩的情况，并测量每一种凝胶的膨胀比。

图10：不同NVF含量Poly（VAm-co-NVIBA）凝胶的膨胀-收缩行为

图11：不同NVF含量Poly（VAm-co-NVIBA）凝胶的膨胀比随温度的变化曲线（○—0mol%,△—10mol%，□—20mol%，▽—30mol%）
由上两图可知，凝胶在纯水中随着温度的升高体积发生急剧收缩，到达某一程度时宏观上由透明变成不透明。而且凝胶中NVF的含量越高，其收缩速率越慢，凝胶由透明变成不透明对应的温度也越高。可以的话，还可以分别用UV-VIS和DSC测线性聚合物和凝胶后的聚合物的LCST或焓变，然后对所得解雇进行比较，判断交联这一处理对体系的温敏性质有何影响。
3、总结
LCST聚合物水溶液，在温度低于LCST时处于溶解状态，而当温度高于LCST时，体系则会出现相分离，由透明变得浑浊，这一过程是可逆的，当温度重新降至LCST以下时，体系又会恢复到溶解状态。这一特殊的性能使温度响应型聚合物在很多领域受到关注和应用，如载药，蛋白质的粘附和释放，蛋白质配体识别，细胞粘附，高分子溶液浓缩，色谱的装柱材料等。温度响应型的聚合物LCST有高有低，如PEG的LCST超过100℃，PNIPAM的LCST约为32℃，通过以下方法可以在一定范围内改变聚合物的LCST：1）控制聚合物自身的结构，如分子量、端基、侧链等；2）添加另一种单体制备共聚物，一方面可以控制共聚物中不同组分的比例，另一方面可以控制共聚物的形貌，如接枝型、嵌段型、星状或者超支化等。额外添加的单体可以是非温敏性的，也可以是另一种温敏性单体，还可以是其他刺激响应型单体，如pH响应等；3）控制外界条件，如体系浓度、pH值、外加盐、表面活性剂、混合溶剂等。综上所述，在一个很宽的温度范围内，通过不同手段可以制备具有相应LCST的聚合物体系，这极大增加了温度响应型聚合物的适用范围。而上述各种因素对体系LCST等性能的影响，就可以通过本文上述提及的各种检测手段进行分析表征。另外，需要说明的是，本文提到的都是对体系最终性能的表征，而没有提及到的还有一个方面，就是体系发生相转变的机理的探究。目前，已有相关文献做这一方面的研究，如二维红外，二维核磁等，感兴趣的同学可以自行查找研究这一块内容。

参考文献
[1] Yan Xia; Nicholas A.D.Macromolecules.2006,39,2275–2283.
[2] Ricardo O.R. Costa; Roberto F.S. Freitas. Polymer.2002,43, 5879–5885.
[3] E. Hasa; M. Zhang.Jounal of macromolecular science. 2004,41,467–486.
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[5] Chi Wu; S.Q Zhou. Macromolecules.1995,28, 8381–8387.
[6] Wen Li; A.F Zhang. Macromolecules.2008, 41, 3659 –3667.
[7] Kazuya Yamamoto;Takeshi Serizawa. Macromolecules.2001, 34, 8014–8020.