高维主成分分析应用于尿素扰动下温敏聚合物相变机理的研究

【作者】 马标； 蔡文生； 邵学广；

【机构】 南开大学化学学院分析科学研究中心；

【摘要】 温敏聚合物是一种可溶性的刺激响应型智能高分子材料,被广泛应用于药物释放、组织工程等生命科学领域[1]。尿素扰动下高分子的温敏性能会发生改变,但尿素影响聚合物相变行为的机理究竟是与聚合物直接作用还是通过改变水团簇结构间接作用尚不明确。本课题组利用温控近红外光谱结合高维主成分分析的方法[2]对多因素扰动下聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(PDMAEMA)尿素水溶液相变过程中聚合物、尿素和水相互作用进行研究。结果表明:尿素加入后,PDMAEMA的较低临界溶解温度(LCST)升高,尿素对其聚集成球起到阻碍作用。PDMAEMA松散的中间态[3]消失,并出现了尿素与PDMAEMA相互作用的特征吸收峰。PDMAEMA疏水基团仍被含有两个氢键结构(S2)的水包围但其数量明显降低,表明尿素的加入会使水团簇重排并减少聚合物周围S2结构水团簇的数量。因此,尿素与PDMAEMA之间的直接相互作用阻碍了PDMAEMA成球相变过程。随温度由30o C升高至32o C,尿素与PDMAEMA的相互作用显著增加,聚合物周围S2结构的水团簇缓慢减少,表明尿素逐渐取代水与PDMAEMA上羰基形成氢键;32 oC后继续升温,与PDMAEMA作用的尿素光谱强度缓慢增加,S2结构的水分子显著减少,此时可能是与亲水基团形成氢键的尿素逐渐饱和,尿素与PDMAEMA侧链疏水基团作用使其脱水逐渐聚集。尿素与PDMAEMA直接相互作用可能既包含氢键也包含与疏水基团的分子间作用。另外,从分析水的角度出发可以直接观察到水团簇的变化,为理解尿素改变聚合物相变行为的机理提供了更为直观的证据。更多还原