基于單分子力譜的溫敏聚合物研究.pdf

1、對分子鏈構(gòu)象在“無規(guī)線團狀——坍陷球體狀”之間轉(zhuǎn)變機理的研究可以有助于分析蛋白質(zhì)的折疊\解折疊過程、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)變過程顯得十分困難。聚（N-異丙基丙烯酰胺）的結(jié)構(gòu)簡單，且每個重復單元均含有與蛋白質(zhì)相似的組成部分——酰胺基團。更重要的是，其分子鏈的構(gòu)象也會隨溫度以及水/甲醇混合溶劑中溶劑組分的變化而發(fā)生“無規(guī)線團—

2、—坍陷球體”之間的可逆構(gòu)象轉(zhuǎn)變過程。這為科研人員在研究復雜蛋白質(zhì)構(gòu)象轉(zhuǎn)變時提供了一個簡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程中的力學性能變化，不但有助于人們深入地理解和掌握這一相變過程，而且能夠揭示材料受外界刺激后其力學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。本論文首先對基于原子力顯微鏡單分子力譜技術(shù)的原理、實驗過程、數(shù)據(jù)分析以及對它

3、在各個科研領(lǐng)域內(nèi)的應用進行了系統(tǒng)性的分析和回顧。其次，對聚（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驗。然后，通過對聚（N-異丙基丙烯酰胺）分子鏈在不同條件下力學性能系統(tǒng)性研究，提出了一種以該聚合物為材料制造分子機器的設(shè)計思想。在此基礎(chǔ)之上，通過研究聚（N，N-二乙基丙烯酰胺）分子鏈在不同溫度條件下的力學性能，本論文揭示了溫敏性聚合物分子鏈重復單元上氫鍵供體對其力學性能的影響?；?/p>

4、于以上研究，本文得到以下主要結(jié)論:
　　(1)當溫度低于其最低臨界溶解溫度時，聚（N-異丙基丙烯酰胺）分子鏈的力學性能不受溫度變化的影響;而當溫度高于其最低臨界溶解溫度時，聚（N-異丙基丙烯酰胺）分子鏈的力學性能表現(xiàn)出了強烈的溫度依賴性。當溫度由31℃逐漸升高至35℃的過程中，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。當溫度由35℃繼續(xù)升高至40℃的過程中，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-)形成所導致的。通過對比聚苯乙烯(polystyrene，PS)在水中的拉伸曲線（平臺狀），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)通過對聚（N-異丙基丙烯酰胺）

6、在水/甲醇混合溶劑中分子鏈力學性能的研究，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:?。┊攛methanol≤10％時，由于混合溶劑中形成的水與甲醇絡(luò)合物的濃度較低，所以分子鏈的力學性能不受溶劑組分變化的影響;ⅱ）當10％＜xmethanol≤16％時，由于聚（N-異丙基丙烯酰胺）分子鏈上的結(jié)合水和構(gòu)象的變化導致分

7、子鏈的力學性能也隨之發(fā)生了變化;ⅲ）16％＜xmethanol≤18％時，鏈內(nèi)氫鍵的形成導致分子鏈力學性能的變化趨勢發(fā)生了改變;ⅳ）當18％＜xmethanol≤100％時，在此范圍內(nèi)分子鏈力學性能變化的主要原因是:混合溶劑對聚（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)通過對聚（N，N-二乙基丙烯

8、酰胺）分子鏈力學性能的研究，本論文發(fā)現(xiàn)側(cè)鏈基團對分子鏈的本征彈性沒有影響。而通過在水溶液中的研究表明:由于聚（N-異丙基丙烯酰胺）分子鏈重復單元上同時含有氫鍵供體和氫鍵受體，使得其分子鏈的力學性能有著明顯的溫度依賴性;而分子鏈重復單元上只含有氫鍵受體的聚(N，N-二乙基丙烯酰胺)分子鏈的力學性能則對溫度變化沒有明顯響應。
　　(4)通過對聚(N-異丙基丙烯酰胺)分子鏈力學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