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

（中國科學技術大學高分子科學與工程系，合肥 230026）

根據諾貝爾獎得主de Gennes 所提出的概念，Janus 粒子是具有兩種不同的物理或化學性質從而呈現出不對稱性或各向異性的粒子[1,2]。由于其獨特的結構和性質，Janus 粒子在表面活性劑[3]、光學探針[4]、粒子馬達[5]、顯示器[6]和藥物輸送[7]等領域顯示出巨大的發展潛力。此外，利用不對稱Janus 粒子有趣的聚集行為特性，可以將其作為基礎粒子進行更大尺度上的自組裝，構建結構更為復雜和多樣的材料以獲得基礎粒子所不具備的新功能[2,8-10]。由于金納米粒子（AuNP）在光學和電學等方面的應用潛能，具有Janus 表面結構和性質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氧乙烷（PEO）單晶作為固態載體，結合固相接入（solid-state grafting-to）和表面接枝（grafting-from）技術制備了兩親性的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 單層膜技術通過配體交換反應對粒徑5 nm 左右的金納米粒子進行修飾，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雜，且Janus 金納米粒子的產率較低。因此，發展更加簡單高效的、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狀低聚糖化合物，其分子結構略呈錐筒形。在其分子窄截面一側，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，即較大的開口端，則有14 個反應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活性上的差別，使對β-CD 進行選擇性修飾成為可能，從而可設計合成出各種具有不對稱結構的模型分子[18-22]。例如，Xu 等[20]利用原子轉移自由基聚合（ATRP）和點擊化學合成得到了以β-CD 為核的多臂不對稱星型聚合物。

受到以上工作的啟發，本文對β-CD 進行不對稱改性，在其分子窄截面一側通過疊氮-炔基點擊化學引入7 個硫辛酸基元（LA），在其寬截面一側修飾ATRP 引發劑基元，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行表面改性，利用聚合物鏈的空間位阻效應，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構的球狀聚集體。

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純，且使用前未經純化。在β-CD 分子窄截面一側帶有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]參考相應文獻報道的方法合成；NIPAM：Tokyo Kasei Kagyo Co，使用前經正己烷-苯（體積比65/35）混合溶劑重結晶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樣。利用Hitachi H-800 場發射透射電子顯微鏡（TEM）觀察Janus 雜化金納米粒子組裝體的形貌。基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜（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，采用NaBF4以促進離子化；對環糊精樣品，則以1,8,9-二硝基蒽作為基質。熱重分析使用 Perkin Elmer Diamond TG/DTA 熱分析儀在空氣氣氛中進行，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-溴丙酰基）-6-疊氮基）-β-環糊精（（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3 d，再在真空條件下反應1 d。反應結束后在反應體系中加入DCM 進行稀釋，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行分離提純，所得溶液經旋轉蒸發除去溶劑后真空干燥得到（N3）7-CD-（Br）14白色粉末0.53 g, 產率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）加入到反應瓶中，經3 次冷凍-抽氣-融化循環后，在N2氣氣氛下使體系溫度恢復至室溫，再將CuCl （11 mg, 0.11 mmol）快速加入到聚合瓶中引發聚合反應。在N2氣氣氛和30 °C 下反應5 h 后，用液氮使聚合反應終止。反應體系溶液經THF 稀釋后，在空氣中氧化過夜，然后過硅膠柱除去銅鹽。所得溶液經旋轉蒸發除去溶劑后，再將混合物溶解在少量THF 中，在冷乙醚中進行沉淀以除去未反應單體，收集沉淀置于真空干燥箱中干燥過夜，得到最終產物（1.02 g, 產率82%）。根據1H-NMR 表征結果計算出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 后在氮氣保護下向溶液中加入CuBr （15 mg, 0.1 mmol），然后升溫至30 °C 反應24 h。反應結束加入THF 稀釋反應混合物溶液，過中性氧化鋁柱除去銅鹽，所得溶液經旋蒸濃縮后再在冷乙醚中沉淀以除去未反應的N-炔丙基硫辛酰胺，收集沉淀物經真空干燥后得到淺黃色固體粉末（LA）7-CD-（PNIPAM46）14（0.30 g, 產率 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，同時進行快速攪拌。滴加完畢后在室溫下繼續攪拌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）微孔濾膜進行過濾收集，溶解沉淀過程重復多次后，除去過量的Bu-Au3.1NPs，最后經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，持續攪拌12 h 后，透析除去THF 得到組裝體的水分散液。

2 結果與討論

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1H-NMR 的表征結果（圖3A），β-CD-（N3）7與2-溴丙酰溴發生酯化反應后，在分子中的β-CD 寬截面一側，即葡萄糖單元中C-2、C-3 上的仲羥基已完全反應，轉變為可引發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 測試結果也證明了β-CD 寬截面一側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ATRP 引發NIPAM 單體聚合后，PNIPAM 鏈的聚合度可根據（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 譜中硫辛酰胺結構與PNIPAM 鏈段的特征峰之間的重疊，難以由1H-NMR 測試結果直接計算點擊化學反應效率（圖3C），進而利用FT-IR 對（LA）7-CD-（PNIPAM46）14進行了表征（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，經點擊化學反應后，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。

為了進一步驗證該雜化納米體系的結構，本文利用GPC 和TG 對其進行了表征。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GPC 測定物質分子量的“體積排斥原理”，（LA）7-CD-（PNIPAM46）14在THF 分散液中的體積要遠大于Bu-Au3.1NPs 的體積，據此可以推測，在兩者進行配體交換時，（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，在其一側表面仍有丁硫醇配體保留，故而得到具有Janus 表面結構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T=150 °C 時，由于丁硫醇配體的脫除，Bu-Au3.1NPs 開始出現失重，180 °C 左右其質量即趨于穩定，在700 °C時有87%的質量殘留（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的質量分數分別約為57.47%、13.14%和29.39%，據此可進行如下計算，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中金納米粒子的質量（mAu, g）為：

雜化金納米粒子中聚合物的質量（mp, g）為：

而根據1H-NMR 的聚合度測定結果，（LA）7-CD-（PNIPAM46）14星形聚合物的數均分子量約為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 表面結構特征。而考慮到PNIPAM 鏈段的親水性和金納米粒子的另一側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構的聚集體，然而關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）），相互之間不會發生聚集。然而，兩親性Au3.1-CD-（PNIPAM46）14在選擇性溶劑水中會發生自組裝（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Fig. 7 TEM images of amphiphilic Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 in （a） THF, and （b, c） self-assemblies in water

3 結 論

（1）結合ATRP 和點擊化學對β-CD 進行不對稱修飾，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）金納米粒子進行表面修飾，利用聚合物分子鏈的空間位阻效應，得到具有不對稱表面結構和兩親性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在水中進行自組裝，得到類似于膠束結構的球狀聚集體。