趙 靚，史凌月，張 彤，蔣其民，黃文艷，薛小強，楊宏軍，江 力，蔣必彪,2

(1.江蘇省環(huán)境友好高分子材料重點實驗室常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164;2.常州大學(xué)懷德學(xué)院,江蘇靖江 214500)

近年來，一類不含傳統(tǒng)共軛發(fā)色團的非傳統(tǒng)熒光聚合物具有高的分子柔韌性、低的生物相容性和環(huán)境友好型等優(yōu)點，其在藥物控釋、基因轉(zhuǎn)染、細(xì)胞成像等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1～3]。其中，刺激響應(yīng)性熒光聚合物兼具熒光和刺激響應(yīng)特性，其熒光性質(zhì)可隨溫度、pH、光、熱、電等外界環(huán)境的刺激做出響應(yīng)性，已被證明是一種可生物醫(yī)用的智能熒光材料[4]。由于溫度是人體內(nèi)一個重要的生理參數(shù)，控制著廣泛的生物活動，且還能表現(xiàn)出對病理和正常細(xì)胞的差異性，因此基于溫度響應(yīng)性的非傳統(tǒng)熒光聚合物的設(shè)計及應(yīng)用備受關(guān)注[5,6]。如Zhu 等以雙丙烯酰胺和1-(2 氨基乙基)哌嗪單體的Michael 加成聚合制備一種具有溫度響應(yīng)和聚集誘導(dǎo)熒光增強（AIE）特性的線型和超支化聚酰胺-胺，并實現(xiàn)了在細(xì)胞內(nèi)成像[7]。Biswajit 等通過傳統(tǒng)自由基聚合制備了具有AIE 熒光性能的溫度響應(yīng)性聚合物聚己內(nèi)酰胺，并將其用于溫敏熒光探針[8]。盡管已有大量基于溫度響應(yīng)性非傳統(tǒng)熒光聚合物的報道，但是具有接近人體相轉(zhuǎn)變溫度的非傳統(tǒng)熒光聚合物的研究很少[9,10]，這限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。

最近，筆者發(fā)現(xiàn)基于t-BuP2催化羥基與雙鍵的oxa-Michael 加成聚合制備的叔胺生色團超支化聚合物具有溫度響應(yīng)性[11]。因此，本文通過t-BuP2催化TMP 與MBA 單體的oxa-Michael 加成聚合制備了主鏈含酰胺鍵的溫度響應(yīng)性非傳統(tǒng)熒光聚合物（Scheme 1），且能通過簡易改變聚合單體的摩爾比來調(diào)控最低臨界相轉(zhuǎn)變溫度（LCST）至人體溫度。該聚合物無傳統(tǒng)發(fā)色團，且表現(xiàn)出AIE 特性和LCST依賴熒光特性。

Scheme 1 Synthesis of the polymers via t-BuP2 catalyzed oxa-Michael addition polymerization of TMP and MBA at 25 ℃

1 實驗部分

1.1 原料及試劑

三羥甲基丙烷（TMP）和N,N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）:分析純，TCL 公司；膦腈堿（t-BuP2，2.0 mol/L）:Sigma-Aldrich 公司，未經(jīng)純化直接使用；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司，經(jīng)氫化鈣回流后減壓蒸餾使用；乙酸、四氫呋喃（THF）：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司，直接使用。

1.2 樣品制備

典型聚合物合成如下。將TMP（0.134 g，1 mmol），MBA（0.154 g，1 mmol）和DMF（1.15 g）加入到經(jīng)除水并用氬氣置換的反應(yīng)瓶中，經(jīng)“冷凍-抽真空-充氣”3 次循環(huán)解凍后，在氬氣保護下用100μL微量進樣器緩慢加入催化劑t-BuP2（100μL，0.2 mmol），于25 ℃水浴鍋中反應(yīng)36 h。反應(yīng)結(jié)束后，加入1 mL乙酸終止反應(yīng)，將聚合物水溶液置于相對分子質(zhì)量3500 的透析袋中透析，經(jīng)冷凍干燥得到目標(biāo)聚合物B-1。以投料比[TMP]/[MBA]/[t-BuP2]=1/1.2/0.2 和[TMP]/[MBA]/[t-BuP2]=1/1.5/0.2 采用上述相同的方法分別制備聚合物B-2 和B-3。

1.3 測試與表征

1.3.1 聚合物結(jié)構(gòu)表征：采用美國Thermo 公司Nicolet 6700 紅外光譜儀（FT-IR）測試紅外光譜。采用瑞士Bruker 公司AV-500 型核磁共振波譜儀（NMR）對聚合物結(jié)構(gòu)進行表征，4% 氘代鹽酸（DCl）為溶劑、四甲基硅烷（TMS）為內(nèi)標(biāo)。

1.3.2 聚合物相對分子質(zhì)量及分子量分布測定：采用美國Waters 公司2414 型凝膠滲透色譜（GPC）在35 ℃測試聚合物相對分子質(zhì)量及分子量分布。聚甲基丙烯酸甲酯為標(biāo)樣，DMF 為流動相，測試流速1.0 mL/min，色譜分離柱為StyagelHR3 DMF 7.8 mm×300 mm，StyagelHR4 DMF 7.8 mm×300 mm，StyagelHR5 DMF 7.8 mm×300 mm。

1.3.3 紫外吸收及其LCST 分析：采用美國Agilent 紫外分光光度計測定聚合物的紫外吸收及其LCST。

1.3.4 熒光光譜分析：采用美國Agilent 熒光分光光度計表征聚合物熒光光譜圖。激發(fā)狹縫與發(fā)射狹縫均為10 nm，掃描電壓為650 V ，掃描速度為600 nm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物的合成與表征

Fig.1 為單體TMP、MBA 及聚合物B-1 的FT-IR譜圖。與單體TMP，MBA 相比，所得聚合物除了在波數(shù)為3200 cm-1有對應(yīng)于TMP 上羥基（—OH）伸縮振動峰及波數(shù)1660 cm-1和1530 cm-1處有分別對應(yīng)于MBA 上碳氧雙鍵（C=O）和氮氫鍵（N—H）伸縮振動峰外，其還在波數(shù)1100 cm-1處新產(chǎn)生了經(jīng)羥基與雙鍵Michael 加成的醚鍵（C—O—C）伸縮振動峰，此結(jié)果表明，主鏈含酰胺鍵的目標(biāo)聚合物通過TMP 與MBA 單體的oxa-Michael 加成成功制得[12]。

Fig.1 FT-IR spectra of(A)polymer B-1,(B)MBA and(C)TMP

Fig.2 為制備所得聚合物的1H-NMR 譜圖。各峰歸屬如圖所示，δ0.82 和δ1.28 分別對應(yīng)TMP 上甲基（j）與亞甲基（i）的質(zhì)子峰,δ2.50～2.75 和δ3.75～3.95分別對應(yīng)丙烯酸雙鍵經(jīng)羥基加成所生成的與醚鍵相 連 的 亞 甲 基 的 質(zhì) 子 峰（g 和e），δ4.75～4.95 和δ8.10～8.30 分別對應(yīng)于MBA 上與酰胺鍵相連亞甲基（d）及酰胺鍵（a, a’）的質(zhì)子峰，上述結(jié)果確證了TMP 與MBA 經(jīng)oxa-Michael 加成聚合制得了主鏈含酰胺鍵的聚合物。

Fig.2 1H-NMR spectrum of the polymer via oxa-Michael addition polymerization of TMP and MBA，＊refers solvent DCl

Tab.1 為以不同摩爾比的TMP 與MBA 單體經(jīng)oxa-Michael 加成聚合制備的3 種主鏈含酰胺鍵的聚合物B-1，B-2 和B-3 的GPC 測試結(jié)果。由表可知，所得3 種聚合物的相對分子質(zhì)量相近，聚合物的收率也達(dá)到55% 以上，且所得聚合物均具有良好的水溶性，為后續(xù)探究其在水溶液中的性能提供了有利條件。

Tab.1 Analysis results of polymers prepared by oxa-Michael addition polymerization of TMP and MBA

2.2 聚合物的溫度響應(yīng)性

溫度響應(yīng)性聚合物的分子鏈中通常含有醚鍵和酰胺鍵等官能團[13]。而本文基于TMP 與MBA單體的oxa-Michael 加成聚合所制得的聚合物主鏈中則含有酰胺鍵和醚鍵，因此探究了聚合物B-1，B-2 和B-3 在10 mg/mL 水溶液中的溫度響應(yīng)性，其結(jié)果如Fig.3 所示。研究發(fā)現(xiàn)，3 組聚合物在低溫時均為清澈透明的水溶液，隨著溫度上升，清澈透明的水溶液逐漸變渾濁，且以不同TMP/MBA 摩爾比所制備的聚合物水溶液變渾濁時所需的溫度不同，這一現(xiàn)象表明該主鏈含酰胺鍵的聚合物具有溫度響應(yīng)性，且表現(xiàn)出不同的LCST。隨后，通過紫外分光光度計測試聚合物B-1，B-2 和B-3 的LCST 分別為19 ℃，25 ℃，38 ℃, 進一步確證所制備主鏈含酰胺鍵的聚合物具有溫度響應(yīng)性和LCST 可調(diào)控性，能實現(xiàn)以簡易改變TMP 和MBA 單體的投料摩爾比來調(diào)控聚合物的LCST 至人體溫度，其LCST 可調(diào)控性是基于TMP 和MBA 單體的親疏水性變化，即疏水性單體MBA 的投料比例越低，聚合物的LCST 值越高。

Fig.3 LCST curves of hyperbranched polymers obtained in water solution at 10 mg/mLby UV-vis;the inner graph shows the change in transparency of polymer aqueous solution during heating and cooling under daylight

2.3 聚合物的熒光性能

Fig.4 為單體TMP，MBA 和聚合物B-1，B-2，B-3 在10 mg/mL 水溶液中的紫外(a)和熒光(b)光譜圖。由Fig.4(a)可知，單體TMP 和MBA 無紫外吸收峰，而3 組聚合物在299 nm 處均具有明顯紫外吸收峰。更重要的是，在320 nm 波長激發(fā)下，單體TMP 和MBA 沒有明顯的熒光信號，而3 組聚合物均在發(fā)射波長400 nm 處具有明顯的熒光信號，表明通過TMP 與MBA 單體的oxa-Michael 加成聚合制備主鏈含酰胺鍵的聚合物具有熒光性能。基于該聚合物沒有傳統(tǒng)的共軛或苯環(huán)熒光發(fā)射團，其熒光可能來源于聚合物主鏈中的酰胺基團，這是因為聚合物主鏈中的酰胺基團在強的氫鍵相互作用下發(fā)生聚集而形成團簇發(fā)色團[14]。

Fig.4 (a)UV-vis absorption and(b)fluorescence spectra of TMP,MBA,B-1,B-2 and B-3 in water solution with the concentration of10 mg/mL at 15 ℃(λex=320 nm)

Fig.5 為聚合物B-1 在不同濃度水溶液及不同體積分?jǐn)?shù)劣溶劑四氫呋喃與水混合溶液中的熒光光譜圖。從圖中可知,聚合物的熒光強度隨著聚合物水溶液濃度或劣溶劑THF 體積分?jǐn)?shù)的增加而逐漸增強，表明該聚合物具有AIE 特性。這一結(jié)果進一步說明，聚合物的熒光來源于酰胺發(fā)色團，因為聚合物主鏈中的酰胺基團在高濃度或劣性溶劑中更易發(fā)生聚集，由于氫鍵相互作用，從而誘導(dǎo)聚合物熒光強度增強。

Fig.5 Fluorescence spectra of B-1(a)in water with different concentrations and(b)water-THF mixtures with different THF volumes at 15 ℃(λex=320 nm)

Fig.6 為聚合物B-1 水溶液在不同激發(fā)波長時的熒光光譜圖。由Fig.6 (a)可知，在所研究的激發(fā)波長范圍內(nèi)，聚合物水溶液的熒光強度隨著激發(fā)波長的增加呈現(xiàn)先增加后減弱的趨勢，且在激發(fā)波長320 nm 處達(dá)到最大。另外，該聚合物水溶液的發(fā)射波長會隨著激發(fā)波長的增加而發(fā)生明顯紅移，從380 nm 處紅移至440 nm，表現(xiàn)出激發(fā)波長依賴熒光現(xiàn)象，其歸一化的熒光光譜圖如Fig.6 (b)所示。

Fig.6 (a)Fluorescence spectra and(b)normalized fluorescence spectra of polymer B-1 in water solution with the concentration of 10 mg/mL at 15 ℃by different excitation wavelengths

Fig.7 為聚合物B-1，B-2 和B-3 水溶液在不同溫度時的熒光光譜圖。由圖可知，在所研究的溫度范圍內(nèi)，3 組聚合物的熒光強度都隨著溫度的升高而呈現(xiàn)下降的趨勢，這可能是因為聚合物主鏈中酰胺鍵間的氫鍵相互作用力會隨著溫度上升而降低。另外，3 組聚合物熒光強度及發(fā)射波長在某一特定溫度時會發(fā)生突變，且其突變的溫度與聚合物的LCST 相近，表明該聚合物具有LCST 依賴熒光行為。即當(dāng)溫度低于LCST 時，3 組聚合物的發(fā)射波長位置沒有明顯的變化，但熒光強度均隨著溫度升高呈線性下降，其相對熒光強度與溫度的線性關(guān)系如Fig.7 (d) 所示。當(dāng)溫度高于LCST 時，聚合物熒光強度稍有下降，但聚合物的發(fā)射波長位置會發(fā)生明顯的藍(lán)移，其藍(lán)移的原因可能是聚合物主鏈中酰胺基團間的氫鍵相互作用力在高溫下被破壞[15]。

Fig.7 Fluorescence spectra with different temperature of (a) B-1，(b) B-2 and (c) B-3 at 10 mg/mL(λex =320 nm);(d) the relative fluorescence intensity at different temperatures of B-1，B-2 and B-3

3 結(jié)論

在常溫下以t-BuP2催化TMP 和MBA 單體的oxa-Michael 加成聚合制備了主鏈含酰胺鍵的溫敏性非傳統(tǒng)熒光聚合物，并對其溫度響應(yīng)性和熒光性能進行了研究。與單體TMP 和MBA 沒有明顯的熒光信號相比，經(jīng)oxa-Michael 加成聚合得到主鏈含酰胺鍵的聚合物具有AIE 和激發(fā)波長依賴熒光特性。更重要的是，該含酰胺鍵的聚合物的LCST 可通過改變單體的投料比在19～38℃之間調(diào)節(jié)，且表現(xiàn)出LCST 依賴熒光行為。該聚合物合成方法簡單，同時聚合物還兼具水溶性、內(nèi)在熒光和LCST 可調(diào)控特性，是一種具有生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景的刺激響應(yīng)性非傳統(tǒng)熒光聚合物材料。