原子轉移自由基聚合法制備磁性球形聚電解質刷及其應用研究

謝紹偉，孫麗霞，孫建華，羅秋獻，陳冰

(廣西大學 化學化工學院，廣西 南寧 530004)

磁性球形聚合物刷具備優異的物化性能，在金屬離子的選擇性吸附[1]、抗微生物和防污[2]、固定蛋白質分子[3]、納米催化劑制備[4]及藥物控釋等[5]應用領域備受研究者關注。目前磁性球形聚電解質刷(MSPB)制備仍采用傳統的乳液聚合法，存在聚合條件苛刻、催化劑需單獨合成、工藝復雜繁瑣等缺點[6]。本文采用原子轉移自由基聚合法(ATRP)制備磁性球形聚甲基丙烯酸甲酯刷，優化制備工藝，提高聚合物刷接枝密度，將其應用于吸附牛血清蛋白(BSA)和血管緊張素轉化酶(ACE)抑制肽，為ACE抑制肽的分離純化提供理論依據與技術支持。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

氯化鐵、正硅酸四乙酯(TEOS)、無水乙醇、氨水，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、氯化亞銅、2,2-聯吡啶(2,2-bpy)、2-溴異丁酰溴(BiBB)、曲拉通X-100、3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、N,N,N′,N″,N″-五甲基二亞乙基三胺(PMDETA)、油酸、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、硫酸亞鐵、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉均為分析純；牛血清蛋白(BSA)、五肽(FFVAP)均為生化試劑。

1.門檻值估計結果。由表3回歸結果可以看出，當東道國各項制度指標分別作為門檻變量帶入式(3)時，各制度指標均存在單一、顯著的“臨界值”，無雙門檻或更高階的門檻值。這說明在“一帶一路”背景下，東道國各項制度指標在影響改善東道國基礎設施的中國OFDI的東道國經濟增長效應上均有U型拐點。只有東道國的制度質量越過門檻值，中國用于改善東道國基礎設施的OFDI才能帶給東道國一定的經濟增長，否則中國的這部分直接投資將帶給東道國經濟增長負面的影響。可見，在“一帶一路”背景下，東道國制度對中國直接投資的東道國經濟增長效應有著十分重要的影響。

PHS-3E精密pH計；HH-S恒溫水浴鍋；EP214C電子分析天平；53 kHz超聲波清洗器；FD-150冷凍干燥機；RE-2000B旋轉蒸發儀；UV2550型紫外-可見分光光度計；Nano-SZ激光納米粒度分析儀(DLS)；7400型振動樣品磁強計(VSM)；NICOLET 6700型傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)；Smart-lab 9 kW X射線雙晶粉末衍射儀；STA 449F3型同步熱分析儀(TG)；Tecnai G2透射電子顯微鏡透射電鏡(TEM)。

1.2 磁性球形聚電解質刷的制備

采用改性共沉淀法制備納米Fe3O4[7]。溶膠凝膠法制備包覆有Fe3O4的復合磁性納米SiO2微球(MS)[8]。官能團反應法在MS表面引入 APTES[9]，接枝2-溴基異丁酰溴(BiBB)。選擇CuCl為催化劑,2,2-bpy為催化劑的配體，MMA為單體，DMF為反應溶劑。以初始反應物摩爾比[MMA]o/[BiBB]o/[CuCl]o/[2,2-bpy]o=100/1/0.1/0.2,以體積比[MMA]v/[DMF]v=1/2[10],在一定條件下進行反應合成MSPB。合成路線見圖1。

1.3 材料表征

采用激光納米粒度分析儀對產物粒徑和粒度分布進行分析，并測量Zeta電位以反映氨基化改性效果；用振動磁強計分析材料的磁學性能；傅里葉變換紅外光譜儀分析材料的官能團變化；用紫外-可見分光光度計進行蛋白質吸光度檢測；用X射線粉末衍射儀對產物物相進行分析；用綜合熱分析儀對產物進行熱失重分析。

1.4 MSPB黏均分子量測定

取0.1 g乳液聚合制備的磁性球形聚電解質刷溶于50 mL丙酮溶液中，恒溫25 ℃，放置在搖床上200 r/min反應24 h。用磁分離的方法分離出磁性微球，剩下的即為聚甲基丙烯酸和丙酮混合溶液，等待測試。選用NDJ旋轉黏度儀，1號轉子，60 r/min，當百分比讀數在20%～90%時，在儀表上讀取黏度值，采用半經驗的麥克(H.Mark)非線性方程公式(1)[11]計算MSPB的黏均分子量Mv。

采用激光納米粒度分析儀測試Fe3O4、Fe3O4/SiO2及MSPB的粒徑大小及分布，結果見圖4。

(1)

式中η——聚合物的黏度，Pa·s;

M——聚合物的黏均分子量，g/mol;

K，α——常數。

實驗證明，α值一般在0.5～1之間。聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液在25 ℃時，α=0.7，K=7.5×10-3。

1.5 MSPB吸附性能測試

配制磷酸緩沖液，將FFVAP與磷酸緩沖液配制成一定濃度。取5 mg MSPB置于10 mL離心管中，用緩沖溶液反復洗滌3次，將5 mL濃度為0.6 mg/mL FFVAP溶液與MSPB一定溫度下在恒溫搖床上混合振蕩一定時間，收集上清液，加入0.1 mL雙縮脲試劑，靜置30 min。用紫外可見光分光光度計測定在214 nm處的吸光度，通過測定吸附樣品溶液與吸附后上清液的差值，考察MSPB對FFVAP的吸附效果。

將BSA與磷酸緩沖液配制成一定濃度。取5 mg MSPB置于10 mL離心管中，用緩沖溶液反復洗滌3次，將5 mL濃度為0.4 mg/mL BSA溶液與MSPB一定溫度下在恒溫搖床上混合振蕩一定時間，收集上清液。用紫外可見光分光光度計測定在280 nm處在的吸光度，通過測定吸附樣品溶液與吸附后上清液的差值，考察MSPB對BSA的吸附效果。

2.成本最低：采用以成本最低為目標與效益最高為目標比較類似，因為計算成本雖然比較困難，但以效益為目標更加難以操作。

將BSA和FFVAP溶于pH為7，離子強度為0.05 mol/L的磷酸緩沖液中，配制濃度為0.6 mg/mL的FFVAP溶液，固定FFVAP 濃度，配制FFVAP∶BSA 濃度比分別為1∶100，1∶500，1∶1 000，1∶3 000，1∶5 000五個不同濃度比例的二元混合體系。取5 mg MSPB置于10 mL 的離心管中，再分別加入5 mL 不同比例的吸附樣品溶液，35 ℃ 恒溫搖床中吸附4 h。磁性分離后取上清液，通過測定吸附樣品溶液與吸附后上清液的差值，計算吸附的BSA及FFVAP的量。

2 結果與討論

2.1 物相結構分析

采用X射線衍射儀獲取Fe3O4、Fe3O4/SiO2及MSPB的微觀結構信息，結果見圖2。

由圖3(A)可知，Fe3O4為球形顆粒，粒徑約為30 nm。由圖3(B)可知，黑色Fe3O4顆粒被SiO2包裹呈球形狀，粒徑約為100 nm。由圖3(C)可知，MSPB為球形顆粒，黑色的納米Fe3O4外包裹層增厚，整個球形顆粒粒徑約為200 nm。與圖3(B)相比，納米Fe3O4外包裹層增厚，這可能是由于Fe3O4/SiO2表面接枝了聚甲基丙烯酸甲酯，成功制備出了球形聚電解質刷。

由圖2可知，3個樣品在2θ為10～80 °間的衍射峰強度較弱，說明結晶度不高。Fe3O4的6個特征峰(2θ=18.21，30.24，35.62，43.28，57.22，62.86 °)分別對應立方體Fe3O4(111)，(220)，(311)，(400)，(511)，(440)晶面，與標準卡片pdf#75-0033一致，表明所生成的粒子為四氧化三鐵。SiO2包裹Fe3O4導致Fe3O4/SiO2的衍射峰強度變弱，結晶度降低。Fe3O4/SiO2在衍射角2θ為22°處出現1個弱無定形態的SiO2層衍射峰[12]。Fe3O4/SiO2在接枝聚合物后，由于聚合物刷的空間位阻和電荷效應[13]，使得刷鏈伸展，衍射峰變弱。通過Scherrer方程可以計算晶粒尺寸，進行定量的分析。

從圖4可以看出，當甲基紫初始濃度從0.1 mg/l增加到1.0 mg/l時，甲基紫的降解率從43.4%逐漸降至32.1%，并且減小趨勢隨濃度增大而變大.初始濃度與降解率反相關，這可能是由于溶液濃度越高，光穿透溶液的能力越弱，導致參與光催化氧化反應的光子數量減少，從而導致降解率降低.此外，濃度越高，更多的溶質質點被吸附在催化劑表面，導致活性部位減少.但初始濃度過低，去除污染物的總量就低，不能充分發揮光催化降解的能力.因此，溶液初始濃度的選擇還要根據處理工藝、經濟效益等具體條件來確定.

(2)

其中，k=0.189，λ=0.154 2 nm，β為半峰寬，由圖2中Fe3O4試樣中2θ=35.62 °峰位的半峰寬計算得到Fe3O4晶粒尺寸為14.1 nm。

2.2 微觀形貌分析

采用場發射透射電鏡觀測材料的微觀形貌，結果見圖3。

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2.3 材料粒徑及表面電勢分析

[η]=KMα

由圖4可知，Fe3O4微球粒徑分布區間為16～22 nm，Fe3O4/SiO2復合微球的粒徑分布區間在90～120 nm，MSPB的粒徑分布區間在180～210 nm。這與TEM和XRD的結果相吻合。Fe3O4/SiO2復合微球的粒徑分布大于Fe3O4微球粒徑分布，說明SiO2包裹Fe3O4上造成粒徑分布變大，SiO2分散性良好沒有發生團聚。在Fe3O4/SiO2表面接枝聚合物后，由于聚合物的鏈長導致粒徑分布繼續增大。材料粒徑的增大，表面包裹SiO2和接枝聚合物反應成功。采用公式(3)對接枝聚合物的鏈長Lc進行計算。

(3)

其中,DMSPB為MSPB流體力學直徑，DMS為Fe3O4/SiO2流體力學直徑。計算結果MSPB鏈長Lc大約是50 nm。

通過測定材料表面的Zeta電位，可以獲知材料表面的基團是否發生變化，所得結果見表1。

表1 材料Zeta電位Table 1 Zeta potential of materials

由表1可知，Fe3O4在溶液中帶負電，電位為-12.3 mV， SiO2包裹Fe3O4的表面后，表面電勢值增加，MS的表面電位為-21.8 mV，這是由于SiO2表面的羥基較Fe3O4的多。MS表面氨基化改性前后材料表面電位發生改變，由于氨基帶正電，材料表面負電位變為正電位，說明氨基成功接在MS表面。接枝引發劑BiBB后，引發MMA在發生聚合反應后，電位值發生變化，材料表面電位由正變負，也說明MS表面引入了PMMA。采用電導滴定法測得表面氨基含量為380.39 μmol/g，高于文獻[14]報道的氨基含量(35.05±14.18) μmol/g和(51.38±2.91) μmol/g對比，可知氨基化改性效果良好。

2.4 材料紅外分析

采用紅外光譜獲取材料分子中化學鍵或官能團的信息，結果見圖5。

由定義6可知，求解M中長度為T的最大可能執行路徑的時間復雜度為O(|S′|T)，顯然不能滿足運行時驗證需求.對于該問題可以采樣隨機優化算法近似求解[13]，本文采用動態規劃算法來求解，下面的引理給出了系統反例的生成方法.

2.5 材料熱性能分析

由圖7可知，磁性Fe3O4的飽和磁化強度達到48.9 emu/g，飽和磁化強度較大，剩磁和矯頑力很小，說明合成的磁性微球是超順磁性的。MS磁性微球的飽和磁化強度為32.8 emu/g，在包覆SiO2層后飽和磁化強度下降比較小，磁性微球的剩磁和矯頑力都很小。MSPB接枝PMMA在MS表面后，飽和磁化強度為28.5 emu/g。材料飽和磁化強度下降了，但并沒有改變它的超順磁性，可以從體系中分離出來。

(4)

x——PMMA熱失重的分數，%；

由圖2可知，線纜SC1固定點間最近的距離為371 mm，最遠的距離為834 mm。根據車鉤緩沖器的伸縮量進行曲線模擬，可得到表2。

式中Mn——PMMA的相對分子質量，g/mol；

R——SiO2流體力學直徑的1/2，nm；

ρ——SiO2的密度，g/cm3。

2.6 材料磁學性能分析

如圖6所示，MSPB有3個失重臺階，第1個在溫度為200 ℃處，DTG曲線出現一個向下的峰，說明樣品發生熱分解，是樣品中表面水分的蒸發造成的失重，失重3.1%；第2個失重臺階在550 ℃處，DTG出現一個較大的向下的峰，樣品受熱分解，主要是骨架水、有機物等的失重，失重13.5%；第3個失重臺階在800 ℃處，主要是Fe3O4/SiO2表面基團失重，失重為5.2%。MSPB曲線在800 ℃時殘留率為79%。測試前樣品重量為5 mg，根據MSPB曲線第1個臺階和第2臺階之間失重的量(200～550 ℃)，可以得出聚合物組分含量為0.675 mg，進而得出聚合物的接枝量為135 mg/g[15]。根據材料的熱重分析結果，進一步結合公式(4)[16]，計算出MSPB接枝PMMA的接枝密度σ=0.225 9 μmol/m2。

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表2 材料的磁學性能Table 2 Magnetic properties of materials

2.7 MSPB制備工藝的優化

以黏均分子量為指標，分別考察反應時間、反應溫度、引發劑用量、單體用量、反應溶劑用量、攪拌速率對聚合反應MSPB分子量的影響，結果見圖8。

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由圖8(a)可知，隨著反應時間的增加，聚合反應的聚合度不斷增大。反應初期的引發劑和單體濃度都很高，單體轉化率快[17]，聚合物的黏均相對分子質量的增長速度也快；反應到中期，引發劑和單體被消耗，在體系中的濃度降低，單體轉化率變慢，導致聚合物的分子量趨于穩定。

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由圖8(b)可知，溫度升高，MSPB的分子量不斷增大，這可能是因為升高溫度會加快活性自由基的生成，增大自由基之間的碰撞幾率，加快聚合反應速率，增大聚合物的分子量。當溫度過高時導致聚合反應過快發生副反應，解聚作用高于聚合作用，導致接枝聚合物的分子量下降。

開關電源因其具有高功率密度、高可靠性、體積小等特點被廣泛應用在航空航天、通信和計算機等多種領域中。由于開關電源的核心是DC-DC變換器，所以DC-DC變換器的準確建模對開關電源設計和分析起到非常關鍵的作用。但是，DC-DC變換器是一種非線性、多模態、時變的動態系統，通常無法直接用經典的線性系統理論對其進行建模和設計[1-7]。隨著DC-DC變換器的技術發展，其建模方法也經歷了不斷發展的過程。一般來說DC-DC變換器的建模方法可以分為兩大類：一類稱為數值仿真法；另一類稱為解析建模法，狀態空間平均法屬于解析建模法的一種[6-10]。

由圖8(c)可知，引發劑用量過少，反應體系中的自由基濃度低，鏈引發較難進行，使聚合反應不充分、不完全；而引發劑用量過高時，反應速度過快，會產生過多的自由基，體系發生副反應的幾率增加，造成聚合物相對分子質量降低。

由圖8(d)可知，單體量的增加，造成產物黏度變大，競聚率增大，MSPB的分子量增大，在7 mL處達到最大，繼續增大單體用量，導致反應體系內單體濃度過高，反應分子擴散加快，鏈轉移反應速率增加，導致聚合分子量降低。同時單體用量的增大使得單體在反應體系中的濃度增大，自由基濃度降低，鏈增長受到阻礙，不利于聚合反應，導致分子量下降。

由圖8(e)可知，反應溶劑添加量10 mL時，MSPB分子量達到最大。反應溶劑對聚合反應的影響主要是反應物極性和產物極性的大小，聚甲基丙烯酸甲酯的極性大于DMF和甲基丙烯酸甲酯，使得反應速率加快，聚合物分子量會減少。增大DMF，會使得反應體系極性向反應物傾斜，反應速率變慢，分子量增加。到達10 mL后，溶劑效應增大，“籠效應”明顯，反應分子擴散變慢，聚合物分子量降低。

由圖8(f)可知，在攪拌速率為300 r/min時，MSPB分子量達到最大。合適的攪拌速率可以使得聚合反應受熱均勻，反應更加溫和，防止出現自動加速現象，導致分子量分布變寬，分子量降低。

2.8 MSPB吸附性能

MSPB在單一體系對FFVAP的吸附量為79.03 μmol/g，對BSA的吸附量為1.54 μmol/g，MSPB對FFVAP的吸附優于BSA。由于在生物體系中，活性小分子肽一般較微量，因此以BSA為大分子，ACE抑制肽FFVAP為小分子肽構建二元模擬體系，考察MSPB在該二元模擬體系中對BSA和FFVAP的吸附性能，結果見圖9。

由圖9可知，隨著模擬體系中FFVAP與BSA濃度比的增大，MSPB對FFVAP的吸附量增大，但吸附量均小于在單一體系中對FFVAP的吸附量，說明BSA和FFVAP之間存在競爭吸附的關系。當FFVAP與BSA濃度比為1∶5 000時，由于體系內BSA濃度太高，BSA競爭吸附強烈，占據了MSPB上的吸附位點，從而使MSPB對FFVAP的吸附量少于BSA[18]。其余濃度比時，MSPB對FFVAP的吸附量均大于BSA，且隨著模擬體系中FFVAP與BSA濃度比的增大，MSPB對兩者的吸附量之差逐漸增大，這是因為MSPB大的空間位阻，阻擋了BSA進入刷層，為小分子肽FFVAP提供了更多的吸附位點。當FFVAP和BSA濃度比為1∶100時，MSPB對BSA的吸附量為0.897 μmol/g，對FFVAP的吸附量為37.2 μmol/g， 對FFVAP的吸附明顯優于BSA。以上結果證明，制備的MSPB能在二元模擬體系中優先吸附ACE抑制肽，可用于ACE抑制肽的分離純化。

3 結論

制備了包覆有Fe3O4的復合磁性納米SiO2微球(MS)，對其表面進行氨基化改性，測得接枝氨基量為380.39 μmol/g。熱誘導ATRP法制備出磁性球形納米二氧化硅聚甲基丙烯酸甲酯刷,MSPB的接枝密度為1.286 1 μmol/μm2，接枝量為135 mg/g，流體力學直徑為200 nm，鏈長為50 nm。鏈端帶有負電荷，整體呈現規則、均勻的球狀，具有超順磁性、較大接枝密度和特定的結構。在反應時間為8 h,反應溫度為60 ℃,引發劑的用量為0.12 g,單體用量為7 mL,反應溶劑用量為10 mL,攪拌速率為300 r/min 的聚合條件下，MSPB的最大分子量為13 813.68 g/mol。 MSPB在BSA和ACE抑制肽FFVAP組成的二元模擬體系中，說明BSA和FFVAP之間存在競爭吸附的關系，MSPB能夠優先吸附ACE抑制肽FFVAP，表明MSPB可以作為分離ACE抑制肽的載體。