金鑫 楊春明 滑文強 李怡雯 王劼

1)(中國科學院上海應用物理研究所,上海光源,上海 201204)

2)(中國科學院大學,北京 100049)

3)(中國科學院上海生命科學研究院,國家蛋白質中心,上海 200031)

(2017年10月3日收到;2017年11月17日收到修改稿)

1 引 言

近年來,嵌段共聚物由于其在藥物輸送[1?3]、激光光刻[4?6]、分離薄膜等[7,8]方面的應用而受到了廣泛重視.人們通過改變嵌段高分子結構[9]、溶劑性質(如 pH值、溶解度參數(shù)等)[10?12]、體系的組成等[13]已成功實現(xiàn)了對膠束形貌結構的調控,并對其機理做了深入研究.一般情況下,嵌段共聚物具有較長疏水鏈段,往往形成大核小殼膠束,這種膠束又稱為“平頭”膠束[14];而具有較長的親水鏈段往往形成小核大殼膠束的星形膠束[15].其中值得注意的是,通過添加酸、堿改變體系的pH值,進而改變體系電荷相互作用的方法可以方便、有效地調控膠束的形貌結構,但是這種方法通常僅改變體系的電荷相互作用,難以參與到膠束內部的構筑.而使用不同成分的選擇性溶劑不僅可以改變體系的電荷相互作用,實現(xiàn)對膠束結構的調控,且可參入膠束內部的構筑,進而使膠束形貌完全發(fā)生變化.當合成具有確定比例成分的嵌段共聚物后,采用不同選擇性溶劑通過共聚物的自組裝,得到具有核殼結構不同形態(tài)的聚集體,包括球狀、棒狀、層狀及囊泡狀[16].

一般而言,平頭膠束聚集體系溶液自組裝更容易發(fā)生多種形態(tài)變化而星形膠束傾向于穩(wěn)定,使平頭膠束更容易產生形態(tài)變化[17].目前許多研究對平頭溶液自組裝極為關注,并觀察到許多不同形態(tài)的平頭聚集體.而當親水端鏈段增加時,膠束更易形成且更加穩(wěn)定,更適用于藥物傳輸[18,19].同時對于膠束形貌研究主要集中在常溫環(huán)境中,而溫度變化對嵌段共聚物形貌亦有較大影響.研究嵌段共聚物聚合物膠束的溫度感應,對于制備具有定向靶向作用的藥物載體具有重大意義[20].

自1996年Adieisenberg小組[17]首次發(fā)現(xiàn)短親水鏈段平頭膠束以來,從球狀、棒狀、層狀及囊泡狀形貌和其他特殊形貌均被合成及表征.Shen等[21,22]通過透射電鏡(TEM)研究了兩親嵌段共聚物聚苯乙烯-聚丙烯酸(PS-b-PAA)膠束在不同配比下的N,N-二甲基甲酰胺/水(DMF/H2O)混合溶劑中膠束的形貌.岳玲等[23]通過原子轉移自由基的方法合成了PS-b-PAA,并通過TEM離線地研究了不同放置時間下PS-b-PAA的形貌特征.雖然通過TEM成像可以清楚觀察到膠束形貌,但只能對局部區(qū)域的特性進行表征,缺乏統(tǒng)計性,同時只能對于膠束形貌變化進行離線表征.陸冬云等[24]基于標度理論建立了嵌段共聚物溶劑體系的膠束模型,討論了溫度對嵌段共聚物膠束形貌的影響,結果顯示溶液中膠束的聚集數(shù)目和內核半徑隨溫度明顯升高,但膠束的整體半徑變化較小.

本研究應用同步輻射小角X射線散射(SAXS)技術與變溫設備相結合,原位、實時研究了兩親嵌段共聚物PS-b-PAA,在不同配比的DMF/H2O混合溶劑中,PS-b-PAA的結構與溫度的關聯(lián).

2 實 驗

2.1 嵌段共聚物膠束制備

嵌段共聚物聚苯乙烯聚丙烯酸(Polystyreneblock-poly(acrylic acid),DDMAT terminated,產品編號:776351,PS:PAA=3000:5000)購于Sigma-Aldrich試劑公司,DMF購于上海國藥集團化學試劑有限公司(產品編號:81007718).實驗中所用水均為密立根超純水(18 M?·cm).具體操作步驟如下:取PS-b-PAA樣品10 mg,在室溫下將其溶解于共同溶劑DMF中(依照待配置樣品的濃度要求,分別使用0.9,0.8和0.7 mL),緩慢攪拌60 min左右,至嵌段共聚物完全溶解,然后逐滴加入去離子水,滴入量為50μL/次,每5 s滴一次,配制成指定水含量嵌段共聚物溶液并放入冰箱保存.嵌段共聚物膠束濃度均為10 mg/mL.

2.2 原位SAXS測量

SAXS實驗在上海光源BL19U線站上完成.實驗時選擇的入射X射線的能量為12 keV,能量分辨率大約為3×10?4,在樣品處的光斑尺寸大約為320×43μm2,光通量2×1012phs/s.實驗站的X射線探測器為Pilatus 1 M,有效面積為169×179 mm2,像素尺寸172×172μm2,每幀讀取速度最快20 ms.根據(jù)膠原蛋白樣品的標定,樣品到探測器的距離為5340 mm,實驗能夠獲得的q值范圍為0.11—0.89 nm?1.

SAXS實驗采用透射模式,實驗時將樣品注入液體樣品池中.樣品池的有效厚度大約為1 mm,根據(jù)液體散射強度與吸收強度的計算,在該厚度下可以獲得較大的SAXS信號.樣品池的窗口材料為Kapton膜,為減少膜本身的吸收和散射,取膜厚為20μm.原位樣品變溫裝置為TS1500(Linkam公司,英國),樣品池緊貼于加熱片處,但由于樣品池窗口和加熱片之間難以完全消除間隙,為保證樣品的均勻受熱,升溫速度控制為5°C/min,并在測定溫度處停留3 min,確保在X射線光束覆蓋的范圍內,樣品的溫度有較好的一致性.液體升溫范圍為30—70°C,單幀曝光時間100 s.為防止實驗測量過程中液體由于蒸發(fā)、揮發(fā)等效應影響樣品的一致性,樣品池的開口一律封堵.

盡管入射X射線的通量和亮度較高,但我們在實驗中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的樣品損傷,因此在整個實驗過程中沒有采用防損傷的措施.為消除散射本底的影響,在測試樣品前,先測試了同樣樣品池中的緩沖液,得到的SAXS圖像作為樣品測量數(shù)據(jù)的本底,扣除方法仿照蛋白質溶液樣品扣除本底的方法[25].一維SAXS曲線使用Fit2D處理數(shù)據(jù)獲得,為消除Pilatus探測器的模塊間隔,對二維圖像積分采用了“間隔填充”方法處理,保證不影響一維SAXS曲線.

3 實驗結果

通常情況下,嵌段共聚物PS-b-PAA在常溫DMF溶液中可完全溶解,在逐步加入純水過程中形成核-殼結構的球狀膠束,PS段為硬的核,而PAA段形成冠狀物.為觀察不同水含量對PS3000-b-PAA5000膠束結構的作用,我們制備了水含量為10%,20%和30%的膠束溶液樣品(表1),分別開展了SAXS實驗研究.

表1 實驗研究制備的樣品Table 1.Samples used for experiments.

圖1給出了室溫時不同樣品的一維SAXS曲線.對于#1樣品,在0.418 nm?1附近出現(xiàn)散射峰.室溫下TEM圖像(圖2(a))中球形粒子清晰可見,根據(jù)球形粒子散射的基本公式(qr=5.76,第一峰值點),估算出此時散射體的名義“粒徑”約為28 nm,與圖2TEM圖像中的紅色標記的粒子尺寸一致.TEM測試為場發(fā)射電鏡(Tecnai G2 F20 STWIN,FEI公司,美國).制樣步驟為先將銅網(wǎng)放在濾紙上,然后將溶液滴在銅網(wǎng)上,濾紙吸收大量多余溶劑的同時自然風干30 min以上,最后得到了TEM圖像(圖2(a)).粒徑分布如圖2(b)所示,其中粒徑27 nm(±2 nm)的膠束23個,粒徑53 nm(±2 nm)左右的膠束17個,粒徑73 nm左右的膠束8個,粒徑100 nm左右的膠束5個.53 nm,73 nm和100 nm球形粒子的一級散射峰的峰位分別是0.22,0.16和0.11 nm?1,但在本實驗中均未看到明顯的峰.一種可能是由于這些膠束的個數(shù)相對較少,沒有形成足夠明顯的散射峰.在#2樣品的小角散射信號上沒有觀察到明顯的散射峰,根據(jù)文獻報道[17],在PS-b-PAA的結構中,可以出現(xiàn)層狀結構.如果我們的樣品也是層結構,則應符合薄片體的散射理論,即散射強度不會出現(xiàn)明顯的結構特征峰.當水含量為30%以上時,散射強度曲線的低q區(qū)又出現(xiàn)散射峰,對應的膠束結構的“粒徑”約為60 nm,應該是具有更大直徑的顆粒物或小顆粒物聚集而形成大的顆粒聚集體,基本符合文獻[17]的TEM結果.

圖1 常溫(30°C)下不同溶劑配比的PS-b-PAA溶液X射線小角散射曲線Fig.1.SAXS pro files of the PS-b-PAA solutions with different concentrations at room temperature.

圖2 室溫下#1的TEM圖(a),球形粒子清晰可見;從TEM圖像得到的粒徑分布的統(tǒng)計結果(b);其中粒徑27 nm(±2 nm)的膠束(紅色)23個,粒徑53 nm(±2 nm)左右膠束(綠色)17個,粒徑73 nm左右膠束(藍色)8個,粒徑100 nm左右的膠束(黃色)5個Fig.2.TEM image of#1 was obtained at room temperature,in which particles of spherical pro file were clearly shown(a).The distribution of particles diameter(b)was obtained from TEM image,23 particles with diameter of(27±2)nm(red),17 particles with diameter of(53±2)nm(green),8 particles with diameter of～73 nm(blue),and 5 particles with diameter of～100 nm(yellow).

圖3 #1樣品在不同溫度下的SAXS曲線Fig.3.SAXS pro files of sample#1 at various temperatures.

為進一步了解嵌段共聚物的溫度-結構效應,選擇體系相對簡單的#1樣品開展了原位變溫SAXS研究.圖3是#1樣品原位變溫的一維SAXS曲線,可以看出,30°C時q值在0.41 nm?1附近有一個弱散射峰,主峰的右側隱約有散射峰的存在,但是不很明顯;40°C時,除了q=0.41 nm?1的峰,右側q=0.45 nm?1附近出現(xiàn)了一個相對較弱的峰;45°C時,明顯的雙峰出現(xiàn);隨著繼續(xù)升溫,q=0.41 nm?1附近的峰逐漸變弱,而q=0.45 nm?1附近的峰逐漸增強.70°C時,左側的峰變得不明顯了,右側的峰成為明顯的主峰.

4 討 論

隨著溫度的升高,雙峰現(xiàn)象的出現(xiàn)預示著體系中存在至少兩種粒徑非常接近的顆粒物.擬合發(fā)現(xiàn),雙峰擬合可以很好地符合散射強度曲線(圖4),不同溫度下各擬合峰的參數(shù)見表2.

從擬合的結果可以看出,在擬合過程中沒有對峰的位置加以限制,但擬合峰的峰位相對穩(wěn)定,沒有明顯的偏移,說明溶液中確實存在兩種不同直徑的粒子,而且它們的直徑可以認為是不隨著溫度的改變而改變的,峰位的微小差異應該是來源于測量誤差和后續(xù)數(shù)據(jù)處理引入的誤差.為計算出粒子的直徑,取q的平均值作為實際的q值是合理的,則qpeak1=0.418 nm?1,qpeak1=0.456 nm?1,根據(jù)球形粒子散射強度的第一峰值點qr=5.76,對應的粒子直徑分別為27.6 nm和25.3 nm.

圖4 #1不同溫度下的SAXS曲線的雙峰擬合Fig.4.Double-peak fi tting for SAXS intensities at various temperatures.

表2 不同溫度下#1樣品散射峰的擬合參數(shù)Table 2.Fitting parameters for the sample#1 scattering peaks at various temperatures.

由散射理論,對于稀疏溶液體系,當散射體的形狀相同時,體系的總散射強度為[26]

式中r為散射體的粒徑,ρ(r)是距離分布函數(shù)(distance distribution function),I(r,q)是粒徑為r的散射體的散射強度.

對于本文中的樣品體系,可以認為是只有兩種球形粒子的稀疏散射體系,且粒子形狀不隨溫度變化而變化,溫度為T時的散射峰的總散射強度可以近似為:

N(ri,T)是半徑為ri的球形顆粒在溫度T時的粒子數(shù),

是單個球形粒子的散射強度,Δρ是散射體和溶劑的電子密度差,V是球形顆粒的體積,J是貝塞爾函數(shù).根據(jù)對峰位的判斷,在整個變溫過程中,球形粒子的直徑是不變的,也即單顆粒的散射強度是不變的.可以推斷,散射強度隨溫度的變化主要是由于散射體系中散射顆粒的數(shù)量發(fā)生了變化.

盡管在我們的原位實驗過程中,實驗條件保持了基本不變,特別是X射線入射光的強度、樣品的有效質量和總質量、樣品-探測器距離等與散射強度有關的條件,但為更準確地考察粒子數(shù)隨溫度的變動,引入散射峰面積占比參數(shù)為擬合峰面積除以總散射峰面積,以消除不同溫度下總散射強度的變化導致的粒子數(shù)的變動,因此散射峰面積比表示了一種歸一化的粒子數(shù).圖5給出了擬合峰的歸一化面積與溫度的關系.

圖5 #1樣品散射強度的擬合峰的面積比與溫度的關系,圖中實線是量效函數(shù)擬合結果Fig.5.Temperature dependence of the normalized area ratio between two fi tting peaks of SAXS pro files for sample#1. The solid lines indicate the fi tting curves of dose-response relations.More details can be seen in the text.

從圖5中可見,擬合峰1(粒徑為27.6 nm)的數(shù)量隨著溫度的增加而減少,在40—50°C間存在一個突變.相應地,擬合峰2(粒徑25.3 nm)的數(shù)量隨溫度的上升而增加,突變也發(fā)生在相同的溫度區(qū)域內.我們發(fā)現(xiàn),選擇量效函數(shù)(dose-response relation):

可以得到與實驗數(shù)據(jù)符合得非常好的擬合.?max和?min分別代表轉變前后達到穩(wěn)態(tài)時的最大值和最小值.擬合得到的參數(shù)見表3.

表3 歸一化粒子數(shù)隨溫度變化的函數(shù)關系Table 3.Relationship between normalized number of particles and temperatures.

SAXS雙峰的存在說明在室溫下,#1樣品中形成的粒子尺寸并不是均勻的,特別是對于尺寸極其相近的兩種球形粒子(粒徑相差2.3 nm),這種基于大量粒子的統(tǒng)計上的差別結果TEM是難以給出的.實驗結果表明大粒徑粒子和小粒徑粒子的散射強度隨著溫度的升高存在明顯的依存關系,當溫度上升時,大粒徑粒子的散射強度降低,小粒徑粒子散射強度升高,而且盡管二者的初始和最終強度值并不一致,但散射強度的變化速率在實驗誤差范圍內是一致的,即

這也從實驗數(shù)據(jù)上驗證了(2)式.

假設兩種粒子的與溶劑的電子密度差值Δρ是相同的,根據(jù)(2)式可以很簡單地計算出兩種粒子的粒子數(shù)之比:

式中的積分就是單個球形粒子的散射強度的積分,其中Speak1和Speak2為SAXS曲線分峰處理得到的peak1和peak2的峰面積值(表2),代入球形粒子的散射強度公式有:

圖6是根據(jù)表2中的擬合數(shù)據(jù)以及r1=27.6 nm,r2=25.3 nm計算得到在不同溫度下粒子數(shù)之比(Nlarge/Nsmall).圖中實線是應用(3)式對數(shù)據(jù)進行擬合的結果.對于粒子數(shù)比(和總的散射強度)的擬合得到的參數(shù)為:T0=40.5°C,p=0.25(以及T0=38°C,p=?0.37),也基本和表3中的擬合結果一致.

圖6 兩種粒徑的粒子數(shù)之比(Nlarge/Nsmall)與溫度的關系(圓)以及總體散射強度的溫度依賴性(方),圖中實線是(3)式擬合的結果Fig.6.Temperature dependence of the number ratio(Nlarge/Nsmall)of large one to small one(cycles),and total scattering intensity(squares)changed with the temperature.The solid lines are obtained using a fi t of the data.

從圖6中可以看出,隨著溫度的升高,總的散射強度逐漸增加并于一個臨界溫度后趨于恒定.總的散射強度增加意味著溶液中總的粒子數(shù)在增加,但大粒徑的粒子數(shù)卻在相對減少,也就是說,隨著溫度升高,溶液中的大粒徑顆粒相對減少.在低溫區(qū)域,大粒徑顆粒占比值隨溫度上升下降迅速,大約45°C后,二者的比例變化趨緩.從實驗結果的分析可以大致推測PS3000-b-PAA5000膠束溶液中膠束隨溫度的變化過程,隨著樣品溫度的升高,小粒徑的膠束迅速合成生長,其所占比例大幅增加;同時,大粒徑膠束的數(shù)量最終減少,由于增加的粒子數(shù)要遠大于減少的粒子數(shù),使得溶液的總散射強度隨溫度的增加而加強.在45°C前的溫度明顯適宜于小粒徑膠束的合成,而當溫度進一步升高時,溶液中的總膠束數(shù)變化不大.

5 結 論

本研究應用SAXS技術原位研究了水含量10%的PS3000-b-PAA5000膠束溶液中粒子的尺寸隨溫度的變化特性.隨著溫度的升高,發(fā)現(xiàn)了明顯的雙峰現(xiàn)象. 雙峰對應的q值分別為qpeak1=0.418 nm?1,qpeak1=0.456 nm?1;對應的粒子的尺寸分別為27.6 nm和25.3 nm.雙峰的位置不隨著溫度的變化而改變,但是peak 1和peak 2的相對強度隨著溫度發(fā)生了減弱和增強的交錯變化.它們的變化過程中存在著一個強度突變的臨界溫度,通過擬合計算發(fā)現(xiàn),共同的臨界溫度為40°C左右,并且有著相同的變化速率.SAXS雙峰的存在說明在室溫下PS3000-b-PAA5000膠束溶液中形成的粒子尺寸并不是均勻的,主要分為尺寸相近的兩種球形粒子.隨著溫度的升高,粒徑大小不同的兩種粒子存在著消融和生長的過程,并且保持著一個速率的動態(tài)平衡.

感謝中國科學院上海生命科學研究院國家蛋白質中心劉廣峰博士以及吳洪金的設備調試幫助.

[1]Kataoka K,Harada A,Nagasaki Y 2001Adv.Drug Deliv.Rev.47 113

[2]Gaucher G,Dufresne M H,Sant V P,et al.2005J.Control.Release109 169

[3]Allen C,Maysinger D,Eisenberg A 1999Colloid.Surface.B16 3

[4]Bates C M,Maher M J,Janes D W,et al.2014Macromolecules47 2

[5]Park M,Harrison C,Chaikin P M,et al.1997Science276 1401

[6]Peng Q,Tseng Y C,Darling S B,et al.2010Adv.Mater.22 5129

[7]Phillip W A,O’neill B,Rodwogin M,et al.2010ACS Appl.Mater.Inter.2 847

[8]Yang S Y,Park J,Yoon J,et al.2008Adv.Fun.Mater.18 1371

[9]Cameron N S,Corbierre M K,Eisenberg A 1999Can.J.Chem.77 1311

[10]Lee A S,Gast A P,Bütün V,et al.1999Macromolecules32 4302

[11]Shim W S,Yoo J S,Bae Y H,et al.2005Biomacromolecules6 2930

[12]Zhang L,Yu K,Eisenberg A 1996Science272 1777

[13]Alexandridis P,Olsson U,Lindman B 1998Langmuir14 2627

[14]Gao Z,Varshney S K,Wong S,et al.1994Macromolecules27 7923

[15]Pang X,Zhao L,Akinc M,et al.2011Macromolecules44 3746

[16]Choucair A,Eisenberg A 2003Eur.Phys.J.E10 37

[17]Zhang L,Eisenberg A 1996J.Am.Chem.Soc.118 3168

[18]Ivanova R,Lindman B,Alexandridis P 2000Langmuir16 9058

[19]Wang F,Bronich T K,Kabanov A V,et al.2005Bioconjugate Chem.16 397

[20]He C,Kim S W,Lee D S 2008J.Control.Release127 189

[21]Shen H,Zhang L,Eisenberg A 1997J.Phys.Chem.B101 4697

[22]Shen H,Eisenberg A 2000Macromolecules33 2561

[23]Yue L,Zhang X H,Wu S K 2004Acta Poly.Sin.1 236(in Chinese)[岳玲,張曉宏,吳世康 2004高分子學報 1 236]

[24]Lu D Y,Wen H,Liu H Z,Xu Z H 2004Acta Phys.Chim.Sin.20 38(in Chinese)[陸冬云,溫浩,劉會洲,許志宏2004物理化學學報20 38]

[25]Li Y W,Bian F G,Hong C X,et al.2015Atom.Energ.Sci.Technol.49 1914(in Chinese)[李怡雯,邊風剛,洪春霞,等2015原子能科學技術49 1914]

[26]Fedorova I S,Schmidt P W 1978J.Appl.Crystallogr.11 405