温度响应性非传统荧光聚合物的制备与性能

赵 靓，史凌月，张 彤，蒋其民，黄文艳，薛小强，杨宏军，江 力，蒋必彪,2

(1.江苏省环境友好高分子材料重点实验室常州大学材料科学与工程学院，江苏 常州 213164;2.常州大学怀德学院,江苏靖江 214500)

近年来，一类不含传统共轭发色团的非传统荧光聚合物具有高的分子柔韧性、低的生物相容性和环境友好型等优点，其在药物控释、基因转染、细胞成像等生物医学领域具有广泛的应用前景[1～3]。其中，刺激响应性荧光聚合物兼具荧光和刺激响应特性，其荧光性质可随温度、pH、光、热、电等外界环境的刺激做出响应性，已被证明是一种可生物医用的智能荧光材料[4]。由于温度是人体内一个重要的生理参数，控制着广泛的生物活动，且还能表现出对病理和正常细胞的差异性，因此基于温度响应性的非传统荧光聚合物的设计及应用备受关注[5,6]。如Zhu 等以双丙烯酰胺和1-(2 氨基乙基)哌嗪单体的Michael 加成聚合制备一种具有温度响应和聚集诱导荧光增强（AIE）特性的线型和超支化聚酰胺-胺，并实现了在细胞内成像[7]。Biswajit 等通过传统自由基聚合制备了具有AIE 荧光性能的温度响应性聚合物聚己内酰胺，并将其用于温敏荧光探针[8]。尽管已有大量基于温度响应性非传统荧光聚合物的报道，但是具有接近人体相转变温度的非传统荧光聚合物的研究很少[9,10]，这限制了其在生物医学领域的进一步应用。

最近，笔者发现基于t-BuP2催化羟基与双键的oxa-Michael 加成聚合制备的叔胺生色团超支化聚合物具有温度响应性[11]。因此，本文通过t-BuP2催化TMP 与MBA 单体的oxa-Michael 加成聚合制备了主链含酰胺键的温度响应性非传统荧光聚合物（Scheme 1），且能通过简易改变聚合单体的摩尔比来调控最低临界相转变温度（LCST）至人体温度。该聚合物无传统发色团，且表现出AIE 特性和LCST依赖荧光特性。

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

1 实验部分

1.1 原料及试剂

三羟甲基丙烷（TMP）和N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）:分析纯，TCL 公司；膦腈碱（t-BuP2，2.0 mol/L）:Sigma-Aldrich 公司，未经纯化直接使用；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）：分析纯，国药集团化学试剂有限公司，经氢化钙回流后减压蒸馏使用；乙酸、四氢呋喃（THF）：分析纯，国药集团化学试剂有限公司，直接使用。

1.2 样品制备

典型聚合物合成如下。将TMP（0.134 g，1 mmol），MBA（0.154 g，1 mmol）和DMF（1.15 g）加入到经除水并用氩气置换的反应瓶中，经“冷冻-抽真空-充气”3 次循环解冻后，在氩气保护下用100μL微量进样器缓慢加入催化剂t-BuP2（100μL，0.2 mmol），于25 ℃水浴锅中反应36 h。反应结束后，加入1 mL乙酸终止反应，将聚合物水溶液置于相对分子质量3500 的透析袋中透析，经冷冻干燥得到目标聚合物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别制备聚合物B-2 和B-3。

1.3 测试与表征

1.3.1 聚合物结构表征：采用美国Thermo 公司Nicolet 6700 红外光谱仪（FT-IR）测试红外光谱。采用瑞士Bruker 公司AV-500 型核磁共振波谱仪（NMR）对聚合物结构进行表征，4% 氘代盐酸（DCl）为溶剂、四甲基硅烷（TMS）为内标。

1.3.2 聚合物相对分子质量及分子量分布测定：采用美国Waters 公司2414 型凝胶渗透色谱（GPC）在35 ℃测试聚合物相对分子质量及分子量分布。聚甲基丙烯酸甲酯为标样，DMF 为流动相，测试流速1.0 mL/min，色谱分离柱为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：采用美国Agilent 紫外分光光度计测定聚合物的紫外吸收及其LCST。

1.3.4 荧光光谱分析：采用美国Agilent 荧光分光光度计表征聚合物荧光光谱图。激发狭缝与发射狭缝均为10 nm，扫描电压为650 V ，扫描速度为600 nm/min。

2 结果与讨论

2.1 聚合物的合成与表征

Fig.1 为单体TMP、MBA 及聚合物B-1 的FT-IR谱图。与单体TMP，MBA 相比，所得聚合物除了在波数为3200 cm-1有对应于TMP 上羟基（—OH）伸缩振动峰及波数1660 cm-1和1530 cm-1处有分别对应于MBA 上碳氧双键（C=O）和氮氢键（N—H）伸缩振动峰外，其还在波数1100 cm-1处新产生了经羟基与双键Michael 加成的醚键（C—O—C）伸缩振动峰，此结果表明，主链含酰胺键的目标聚合物通过TMP 与MBA 单体的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 为制备所得聚合物的1H-NMR 谱图。各峰归属如图所示，δ0.82 和δ1.28 分别对应TMP 上甲基（j）与亚甲基（i）的质子峰,δ2.50～2.75 和δ3.75～3.95分别对应丙烯酸双键经羟基加成所生成的与醚键相 连 的 亚 甲 基 的 质 子 峰（g 和e），δ4.75～4.95 和δ8.10～8.30 分别对应于MBA 上与酰胺键相连亚甲基（d）及酰胺键（a, a’）的质子峰，上述结果确证了TMP 与MBA 经oxa-Michael 加成聚合制得了主链含酰胺键的聚合物。

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

Tab.1 为以不同摩尔比的TMP 与MBA 单体经oxa-Michael 加成聚合制备的3 种主链含酰胺键的聚合物B-1，B-2 和B-3 的GPC 测试结果。由表可知，所得3 种聚合物的相对分子质量相近，聚合物的收率也达到55% 以上，且所得聚合物均具有良好的水溶性，为后续探究其在水溶液中的性能提供了有利条件。

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

2.2 聚合物的温度响应性

温度响应性聚合物的分子链中通常含有醚键和酰胺键等官能团[13]。而本文基于TMP 与MBA单体的oxa-Michael 加成聚合所制得的聚合物主链中则含有酰胺键和醚键，因此探究了聚合物B-1，B-2 和B-3 在10 mg/mL 水溶液中的温度响应性，其结果如Fig.3 所示。研究发现，3 组聚合物在低温时均为清澈透明的水溶液，随着温度上升，清澈透明的水溶液逐渐变浑浊，且以不同TMP/MBA 摩尔比所制备的聚合物水溶液变浑浊时所需的温度不同，这一现象表明该主链含酰胺键的聚合物具有温度响应性，且表现出不同的LCST。随后，通过紫外分光光度计测试聚合物B-1，B-2 和B-3 的LCST 分别为19 ℃，25 ℃，38 ℃, 进一步确证所制备主链含酰胺键的聚合物具有温度响应性和LCST 可调控性，能实现以简易改变TMP 和MBA 单体的投料摩尔比来调控聚合物的LCST 至人体温度，其LCST 可调控性是基于TMP 和MBA 单体的亲疏水性变化，即疏水性单体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 聚合物的荧光性能

Fig.4 为单体TMP，MBA 和聚合物B-1，B-2，B-3 在10 mg/mL 水溶液中的紫外(a)和荧光(b)光谱图。由Fig.4(a)可知，单体TMP 和MBA 无紫外吸收峰，而3 组聚合物在299 nm 处均具有明显紫外吸收峰。更重要的是，在320 nm 波长激发下，单体TMP 和MBA 没有明显的荧光信号，而3 组聚合物均在发射波长400 nm 处具有明显的荧光信号，表明通过TMP 与MBA 单体的oxa-Michael 加成聚合制备主链含酰胺键的聚合物具有荧光性能。基于该聚合物没有传统的共轭或苯环荧光发射团，其荧光可能来源于聚合物主链中的酰胺基团，这是因为聚合物主链中的酰胺基团在强的氢键相互作用下发生聚集而形成团簇发色团[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 为聚合物B-1 在不同浓度水溶液及不同体积分数劣溶剂四氢呋喃与水混合溶液中的荧光光谱图。从图中可知,聚合物的荧光强度随着聚合物水溶液浓度或劣溶剂THF 体积分数的增加而逐渐增强，表明该聚合物具有AIE 特性。这一结果进一步说明，聚合物的荧光来源于酰胺发色团，因为聚合物主链中的酰胺基团在高浓度或劣性溶剂中更易发生聚集，由于氢键相互作用，从而诱导聚合物荧光强度增强。

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 为聚合物B-1 水溶液在不同激发波长时的荧光光谱图。由Fig.6 (a)可知，在所研究的激发波长范围内，聚合物水溶液的荧光强度随着激发波长的增加呈现先增加后减弱的趋势，且在激发波长320 nm 处达到最大。另外，该聚合物水溶液的发射波长会随着激发波长的增加而发生明显红移，从380 nm 处红移至440 nm，表现出激发波长依赖荧光现象，其归一化的荧光光谱图如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 为聚合物B-1，B-2 和B-3 水溶液在不同温度时的荧光光谱图。由图可知，在所研究的温度范围内，3 组聚合物的荧光强度都随着温度的升高而呈现下降的趋势，这可能是因为聚合物主链中酰胺键间的氢键相互作用力会随着温度上升而降低。另外，3 组聚合物荧光强度及发射波长在某一特定温度时会发生突变，且其突变的温度与聚合物的LCST 相近，表明该聚合物具有LCST 依赖荧光行为。即当温度低于LCST 时，3 组聚合物的发射波长位置没有明显的变化，但荧光强度均随着温度升高呈线性下降，其相对荧光强度与温度的线性关系如Fig.7 (d) 所示。当温度高于LCST 时，聚合物荧光强度稍有下降，但聚合物的发射波长位置会发生明显的蓝移，其蓝移的原因可能是聚合物主链中酰胺基团间的氢键相互作用力在高温下被破坏[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 结论

在常温下以t-BuP2催化TMP 和MBA 单体的oxa-Michael 加成聚合制备了主链含酰胺键的温敏性非传统荧光聚合物，并对其温度响应性和荧光性能进行了研究。与单体TMP 和MBA 没有明显的荧光信号相比，经oxa-Michael 加成聚合得到主链含酰胺键的聚合物具有AIE 和激发波长依赖荧光特性。更重要的是，该含酰胺键的聚合物的LCST 可通过改变单体的投料比在19～38℃之间调节，且表现出LCST 依赖荧光行为。该聚合物合成方法简单，同时聚合物还兼具水溶性、内在荧光和LCST 可调控特性，是一种具有生物医学应用前景的刺激响应性非传统荧光聚合物材料。