微量量熱法研究溫敏大分子在溶液中的相變行為.pdf

1、本論文中，我們利用微量差示掃描量熱法(US—DSC)和壓力擾動(dòng)量熱法(PPC)等方法研究了溫敏性大分子的相轉(zhuǎn)變行為，包括：聚(N—異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)和聚(N—正丙基丙烯酰胺)(PNNPAM)在水溶液的相轉(zhuǎn)變行為；PNIPAM在聚乙二醇(PEG)構(gòu)成的擁擠環(huán)境中的相轉(zhuǎn)變；溶菌酶在水溶液中的熱變性和重復(fù)熱變性；以及溶菌酶在PEG構(gòu)成的擁擠環(huán)境中的熱變性(thermal denaturation)和重復(fù)熱變性(thermal r

2、edenatumtion)。主要結(jié)果如下： (1)我們用US—DSC和PPC法研究了PNIPAM在稀溶液中的聚集和解聚集過程。結(jié)果表明，PNIPAM鏈的聚集和解聚集與溫度掃描速率有關(guān)，為動(dòng)力學(xué)控制過程。在以往的研究中，已發(fā)現(xiàn)PNIPAM的解聚集過程滯后于相應(yīng)聚集過程，在本工作中我們證實(shí)這是由于PNIPAM在塌縮狀態(tài)時(shí)形成的分子內(nèi)和分子間附加氫鍵造成的。較低的降溫速率下US—DSC曲線出現(xiàn)了兩個(gè)放熱峰，表明解聚集分為兩個(gè)過程，即附

3、加氫鍵斷裂和聚集體的解聚集。PPC研究表明降溫時(shí)PNIPAM鏈的溶劑接觸表面積比加熱時(shí)的小，進(jìn)一步證實(shí)PNIPAM聚集體的解聚集由以上兩個(gè)過程組成。 (2)我們用US—DSC法研究了PNIPAM鏈在稀溶液和亞濃溶液中的聚集和解聚集過程。結(jié)果表明，當(dāng)溶液濃度低于臨界交疊濃度(C*)時(shí)，加熱過程中的轉(zhuǎn)變溫度(Tp)和轉(zhuǎn)變焓(△H)均隨濃度的增加而下降；當(dāng)溶液為亞濃溶液時(shí)，Tp和△H與濃度變化無關(guān)?？梢?，在亞濃溶液中高分子鏈主要發(fā)生鏈

4、間聚集，在稀溶液中則鏈間聚集和鏈內(nèi)塌縮(折疊)共存。隨著濃度的降低，鏈內(nèi)塌縮占的比重增加，當(dāng)外推濃度趨于零時(shí)，我們得到了PNIPAM從無規(guī)線團(tuán)到塌縮球轉(zhuǎn)變(coil-To—globule transition)的焓變△Hs?！鱄s高于鏈間聚集的焓變，說明高分子單鏈折疊不同于宏觀相變。 (3)我們用US—DSC法研究了PEG形成的擁劑環(huán)境下的PNIPAM的塌縮與聚集過程。結(jié)果表明，由于PEG的水合作用導(dǎo)致了Tp隨PEG的濃度(CP

5、EG)增加而下降。在一個(gè)加熱—降溫循環(huán)中，Tp在降溫過程中產(chǎn)生“滯后”。隨著CPEG增加，較低分子量的PEG使該滯后加劇，而加入較長的PEG鏈則導(dǎo)致滯后變?nèi)?。這一現(xiàn)象表明，較長的PEG對(duì)PNIPAM鏈的鏈間聚集起抑制作用。當(dāng)CPEG高于其C*時(shí)，“滯后”與CPEG的變化無關(guān)，這可能是因?yàn)镻EG鏈形成了瞬時(shí)網(wǎng)絡(luò)，一些PNIPAM鏈被限制在網(wǎng)孔中，其塌縮和聚集范圍受到限制，形成的附加氫鍵有限。此外，隨著PEG濃度增加，轉(zhuǎn)變過程變寬表明這種網(wǎng)

6、狀結(jié)構(gòu)不均一，具有不同尺寸的網(wǎng)孔。而△H隨PEG濃度增加而變小，說明PEG削弱了PNIPAM鏈的鏈間聚集作用?！鱄在加熱與降溫過程中接近，進(jìn)一步證實(shí)了PEG分子對(duì)PNIPAM的鏈間聚集有阻礙作用。 (4)我們用US—DSC法研究了加熱／降溫速率和濃度對(duì)PNNPAM在水溶液中的塌縮與聚集的影響。結(jié)果表明，在加熱過程中，PNNPAM在～24℃發(fā)生了LCST轉(zhuǎn)變。△H隨著加熱速率和濃度的增加而變大。特別是在降溫過程中Tp與加熱時(shí)的基本

7、一致，表明聚集過程中沒有形成附加氫鍵。此外，在降溫過程中，出現(xiàn)了多個(gè)轉(zhuǎn)變過程，表明PNNPAM解聚集經(jīng)歷了多步水合過程，最終成為線團(tuán)狀態(tài)。 (5)我們用US—DSC法研究了研究了濃度、離子強(qiáng)度和pH等因素對(duì)溶菌酶熱變性和重復(fù)熱變性的影響。結(jié)果表明，隨著溶菌酶濃度的增加，Tp增加，并且位于低溫側(cè)的吸熱峰變強(qiáng)，表明濃度的變大促進(jìn)了變性過程中溶菌酶的聚集。在熱變性和重復(fù)熱變性過程中，Tp均隨加熱速率變大而升高，表明在溶菌酶的熱變性過程

8、中存在聚集現(xiàn)象，較慢的加熱速率有利于其聚集。隨著離子強(qiáng)度增加，第一次熱變性時(shí)的Tp下降，并且峰形變寬。這表明較多的NaCl可破壞溶菌酶分子周圍的水合環(huán)境而使其變性。當(dāng)NaCl濃度高于0.6 mol/L時(shí)，第二次熱變性時(shí)的溶菌酶完全失去活性。另外，Tp隨pH變大而升高。這是由于隨著pH值的變大，溶菌酶的α—螺旋含量減小，結(jié)構(gòu)變得更加松散，熱穩(wěn)定性提高。 (6)我們用US—DSC法研究了溶菌酶在EG和PEG構(gòu)成的擁擠環(huán)境中的熱變性與

9、重復(fù)熱變性。結(jié)果表明，EG的加入使溶菌酶變性溫度增加，熱穩(wěn)定性提高。當(dāng)Mw，PEG<1000 g/mol時(shí)，Tp隨分子量增加而有所下降，并且吸熱峰強(qiáng)度也有所減弱，表明較短的PEG分子鏈容易引起溶菌酶的聚集。當(dāng)1000 g/molMw，PEG≥2000 g/mol時(shí)，Tp幾乎不隨PEG的濃度變化而變化。此外，△H