基于單分子力譜的溫敏聚合物研究.pdf

1、對(duì)分子鏈構(gòu)象在“無(wú)規(guī)線團(tuán)狀——坍陷球體狀”之間轉(zhuǎn)變機(jī)理的研究可以有助于分析蛋白質(zhì)的折疊\解折疊過(guò)程、DNA的封裝以及聚合物分子鏈之間的絡(luò)合作用。但是由于生物大分子的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且與周圍分子存在著諸多相互作用。因此，直接研究生物大分子的構(gòu)象轉(zhuǎn)變過(guò)程顯得十分困難。聚（N-異丙基丙烯酰胺）的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且每個(gè)重復(fù)單元均含有與蛋白質(zhì)相似的組成部分——酰胺基團(tuán)。更重要的是，其分子鏈的構(gòu)象也會(huì)隨溫度以及水/甲醇混合溶劑中溶劑組分的變化而發(fā)生“無(wú)規(guī)線團(tuán)—

2、—坍陷球體”之間的可逆構(gòu)象轉(zhuǎn)變過(guò)程。這為科研人員在研究復(fù)雜蛋白質(zhì)構(gòu)象轉(zhuǎn)變時(shí)提供了一個(gè)簡(jiǎn)單化的替代研究材料模型。
　　從單分子水平上研究分子鏈在相變過(guò)程中的力學(xué)性能變化，不但有助于人們深入地理解和掌握這一相變過(guò)程，而且能夠揭示材料受外界刺激后其力學(xué)性能變化的深層次原因?；谠恿︼@微鏡的單分子力譜技術(shù)是一種非常有效地研究分子鏈內(nèi)和分子鏈間相互作用的技術(shù)方法。本論文首先對(duì)基于原子力顯微鏡單分子力譜技術(shù)的原理、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、數(shù)據(jù)分析以及對(duì)它

3、在各個(gè)科研領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析和回顧。其次，對(duì)聚（N-異丙基丙烯酰胺）在不同溫度和不同溶劑組分的混合溶劑（水/甲醇混合溶劑）中展開了單分子力譜拉伸實(shí)驗(yàn)。然后，通過(guò)對(duì)聚（N-異丙基丙烯酰胺）分子鏈在不同條件下力學(xué)性能系統(tǒng)性研究，提出了一種以該聚合物為材料制造分子機(jī)器的設(shè)計(jì)思想。在此基礎(chǔ)之上，通過(guò)研究聚（N，N-二乙基丙烯酰胺）分子鏈在不同溫度條件下的力學(xué)性能，本論文揭示了溫敏性聚合物分子鏈重復(fù)單元上氫鍵供體對(duì)其力學(xué)性能的影響?；?/p>

4、于以上研究，本文得到以下主要結(jié)論:
　　(1)當(dāng)溫度低于其最低臨界溶解溫度時(shí)，聚（N-異丙基丙烯酰胺）分子鏈的力學(xué)性能不受溫度變化的影響;而當(dāng)溫度高于其最低臨界溶解溫度時(shí)，聚（N-異丙基丙烯酰胺）分子鏈的力學(xué)性能表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的溫度依賴性。當(dāng)溫度由31℃逐漸升高至35℃的過(guò)程中，歸一化之后的拉伸曲線在低力區(qū)和高力區(qū)仍可以很好地重合在一起，但是在中間力區(qū)出現(xiàn)了明顯的差異——拉伸曲線上的中間力區(qū)逐漸下降。這主要是由聚（N-異丙基丙烯酰胺

5、）在受熱后分子鏈上結(jié)合水和構(gòu)象變化引起的。當(dāng)溫度由35℃繼續(xù)升高至40℃的過(guò)程中，歸一化后的拉伸曲線在中間部位開始逐漸上升，直至與室溫條件下獲得的拉伸曲線完全重合在一起。拉伸曲線中間部位的上升主要是由鏈內(nèi)氫鍵(-CO…HN-)形成所導(dǎo)致的。通過(guò)對(duì)比聚苯乙烯(polystyrene，PS)在水中的拉伸曲線（平臺(tái)狀），研究結(jié)果還表明:任何溫度的水溶液都不是聚（N-異丙基丙烯酰胺）的極不良溶劑。
　　(2)通過(guò)對(duì)聚（N-異丙基丙烯酰胺）

6、在水/甲醇混合溶劑中分子鏈力學(xué)性能的研究，本論文發(fā)現(xiàn):單根聚（N-異丙基丙烯酰胺）分子鏈的力學(xué)性能隨著混合溶劑中甲醇含量(xmethanol，mol％)的變化（從0到100％）呈現(xiàn)出了一種“凹形”的變化。即:?。┊?dāng)xmethanol≤10％時(shí)，由于混合溶劑中形成的水與甲醇絡(luò)合物的濃度較低，所以分子鏈的力學(xué)性能不受溶劑組分變化的影響;ⅱ）當(dāng)10％＜xmethanol≤16％時(shí)，由于聚（N-異丙基丙烯酰胺）分子鏈上的結(jié)合水和構(gòu)象的變化導(dǎo)致分

7、子鏈的力學(xué)性能也隨之發(fā)生了變化;ⅲ）16％＜xmethanol≤18％時(shí)，鏈內(nèi)氫鍵的形成導(dǎo)致分子鏈力學(xué)性能的變化趨勢(shì)發(fā)生了改變;ⅳ）當(dāng)18％＜xmethanol≤100％時(shí)，在此范圍內(nèi)分子鏈力學(xué)性能變化的主要原因是:混合溶劑對(duì)聚（N-異丙基丙烯酰胺）溶劑質(zhì)量(Q)的改變引起了分子鏈的構(gòu)象和吸附溶劑分子的變化。通過(guò)此研究，本論文還發(fā)現(xiàn)聚（N-異丙基丙烯酰胺）在純甲醇中的構(gòu)象數(shù)要大于在純水中的。
　　(3)通過(guò)對(duì)聚（N，N-二乙基丙烯

8、酰胺）分子鏈力學(xué)性能的研究，本論文發(fā)現(xiàn)側(cè)鏈基團(tuán)對(duì)分子鏈的本征彈性沒(méi)有影響。而通過(guò)在水溶液中的研究表明:由于聚（N-異丙基丙烯酰胺）分子鏈重復(fù)單元上同時(shí)含有氫鍵供體和氫鍵受體，使得其分子鏈的力學(xué)性能有著明顯的溫度依賴性;而分子鏈重復(fù)單元上只含有氫鍵受體的聚(N，N-二乙基丙烯酰胺)分子鏈的力學(xué)性能則對(duì)溫度變化沒(méi)有明顯響應(yīng)。
　　(4)通過(guò)對(duì)聚(N-異丙基丙烯酰胺)分子鏈力學(xué)性能在不同溫度和溶劑組分(水/甲醇混合溶劑）條件下系統(tǒng)的研究