功能高分子学报  2018, Vol. 31 Issue (2): 167-174   PDF    
基于硅酞菁的新型光敏聚苯乙烯微球的原位共聚合成
刘丹丹 , 汪雨 , 郭健 , 张洁洁 , 关建宁 , 韩国志     
南京工业大学化学与分子工程学院, 南京 211800
摘要: 以3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯(MPS)修饰的二羟基硅酞菁(SiPc(OH)2)为荧光单体(SiPc,OSi(C9H17O42)、过硫酸钾(KPS)为引发剂、十二烷基硫酸钠(SDS)为乳化剂,采用原位共聚法合成了一种新型单分散聚苯乙烯荧光微球(P(St-co-SiPc))。采用扫描电镜、傅里叶红外光谱对微球的形貌与组成进行了分析与表征,并对合成条件进行了优化。研究了荧光单体与苯乙烯的用量、反应温度对微球形貌与荧光性能的影响。在此基础上,利用紫外光谱进一步研究了该微球的光敏特性。结果表明,柔性不饱和侧链修饰的硅酞菁单体与苯乙烯的相容性良好,合成的荧光微球具有优异的稳定性与光学性能。
关键词: 硅酞菁      聚苯乙烯      荧光微球      原位共聚      单线态氧     
In-situ Copolymerization of Novel Photosensitive PS Microspheres Based on Silicon Phthalocyanine
LIU Dan-dan , WANG Yu , GUO Jian , ZHANG Jie-jie , GUAN Jian-ning , HAN Guo-zhi     
School of Chemistry and Molecular Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211800, China
Abstract: By using axially di-substituted silicon(IV) phthalocyanine (SiPc) as fluorescent monomer, which was synthesized through the reaction of silicon (IV) phthalocyanine dihydroxide with 3-(trimethoxysilyl) propyl methacrylate, potassium persulfate as initiator, and sodium dodecyl sulfate as emulsifier, a novel monodispersed polystyrene fluorescent microsphere (hereafter called as P(St-co-SiPc)) was prepared via in-situ copolymerization. The surface morphology and composition of the as-prepared microspheres were characterized by scanning electron microscope (SEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). The optimized synthetic conditions had also been explored. It was found that both the size and monodispersity of P(St-co-SiPc) increased with the temperature increasing (from 60℃ to 70℃). When the experimental temperature reached up to 75℃, the diameter of P(St-co-SiPc) started to decrease, followed by broadening of the particle size distribution. The same trend was also observed with the fluorescence emission of P(St-co-SiPc). In the case of a given amount of one monomer, whatever monomer (styrene or SiPc) was used, the amount of another monomer had the similar influence on the surface morphology of the microsphere. The size of the microspheres increased with increasing amount of the monomer used. The monodispersity and fluorescence intensity of P(St-co-SiPc) were closed to a best value when the amount of the monomer was in the range of 6~8 mL for styrene and 5~15 mg for SiPc. By using diphenylanthracene (DPA) as a singlet oxygen indicator, the photosensitivity of P(St-co-SiPc) was evaluated by UV-Vis absorption spectroscopy. As a result, these microspheres exhibited very good photosensitivity. Upon excitation with 640 nm laser, the UV-Vis absorption intensity of P(St-co-SiPc) increased quickly in the presence of DPA. On the other hand, if no irradiation was applied to the above system, its absorption intensity was found to keep unchanged. These findings would have important reference value for controllable etching.
Key words: phthalocyanine      polystyrene      fluorescent microspheres      in-situ copolymerization      singlet oxygen     

荧光高分子微球一般指通过物理和化学方法在微球的表面包覆或者微球内部包埋荧光物质,在外界光的激发下能产生特定波长荧光的聚合物微球。在分析化学、医学快速诊断、荧光传感等领域有着广阔的应用前景[1-6]。荧光高分子微球的性能及用途与荧光分子的类型息息相关。近年来,随着光激化学发光(LiCA)技术在医学工程领域的应用与发展,酞菁类聚合物荧光微球受到广泛重视[7-9],LiCA技术中的一个核心材料是包覆特定荧光分子的高分子感光微球,它在一定波长光的激发下,可与O2作用产生单线态氧,引发后续发光过程(如图 1所示)。酞菁分子具有芳香性的18π电子大环共轭结,包含4个吲哚单元,电子离域于碳原子和氮原子交替排列的平面共轭分子结构中,在可见光及近红外光区均具有良好的吸收性和优异的光敏性[10-12]。因此酞菁类衍生物作为典型的近红外光敏染料,在激发光领域有着广泛的应用前景,与其他光敏剂(如卟啉)相比,酞菁类化合物的激发窗口更有利于生物应用。

图 1 光引发化学发光机理图 Fig. 1 Sketch diagram of light initiated chemiluminescent assay

目前,聚合物荧光微球的制备方法有物理吸附法、自组装法、包埋法等[13-16]。其中,吸附法和自组装法形成的荧光微球稳定性较差,荧光分子易脱落。包埋法通常存在包埋效率较低的问题。本课题组前期的研究表明,溶胀包埋法的效率取决于聚合物微球表面基团的性质,尤其对于结构刚性较大的荧光分子,通过溶胀包埋法很难获得荧光效率较高的聚合物微球[16]。聚合包埋法在聚合过程中,荧光分子容易从胶束中泄漏,导致荧光分子包埋不均一[17]。因此,共聚法即采用带有可聚合官能团的荧光单体和另一单体进行聚合,是合成荧光微球的理想路线与方法,合成的荧光微球能实现荧光物质的均匀分布,且不易泄漏[18-19]。由于荧光单体较大的刚性结构与苯乙烯的相容性较差,容易干扰聚合过程,导致荧光微球的单分散性与球形度较差[20]。对共聚法而言,关键在于荧光分子的选择与设计。基于硅酞菁衍生物的荧光聚合物微球的共聚法合成目前鲜见报道。

本文首先从生物应用出发,以邻苯二甲酸酐、尿素、四氯化硅为原料合成了二羟基硅酞菁,然后用3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯(MPS)对其进行化学修饰,设计合成了一种具有柔性不饱和侧链的硅酞菁荧光分子。最后以此荧光分子与苯乙烯为共聚单体、过硫酸钾(KPS)为引发剂、十二烷基硫酸钠(SDS)为乳化剂,通过乳液原位共聚合成了一种基于硅酞菁的新型荧光共聚物微球。并对微球的合成条件进行了优化,研究了温度、单体用量对微球荧光强度的影响,重点研究了此聚合物荧光微球的光敏性能。

1 实验部分 1.1 原料和试剂

邻苯二甲酸酐、尿素、钼酸酐、四氯化硅:分析纯,上海萨恩化学技术有限公司;苯乙烯(St)、KPS:分析纯,上海凌峰化学试剂有限公司;喹啉、MPS、SDS:分析纯,国药集团化学试剂有限公司;9, 10-二苯基蒽(DPA):分析纯,上海麦克林生化科技有限公司。

1.2 测试与表征

采用德国卡尔蔡司公司的Zeiss Ultra Plus型扫描电子显微镜(SEM)观察荧光微球的形貌;采用美国Varian公司的Eclipse型荧光分光光度计测量荧光微球的荧光强度,激发波长为336 nm;采用天津港东科技发展股份有限公司的FT-IR傅里叶变换红外光谱仪对微球结构进行分析,KBr压片。

1.3 二羟基硅酞菁(SiPc(OH)2)的合成

在装有温度计和搅拌棒的250 mL三口烧瓶中依次加入尿素(12.5 g, 0.21 mol)、邻苯二甲酸酐(10.0 g, 0.07 mol)和钼酸铵(0.27 g, 1.30×10-3 mol),加热至140 ℃后反应4 h。然后将混合物冷却至室温,加入NaOH水溶液(100 mL, 0.66 mol/L)调节pH至中性,抽滤,将所得液体用适量的CH2Cl2萃取。旋蒸除去溶剂得浅黄色固体。用甲醇重结晶,得到产物1, 3-二亚氨基异吲哚啉,收率60%。

将1, 3-二亚氨基异吲哚啉(2.0 g, 0.01 mol)、SiCl4 (4.7 g, 0.03 mol)与喹啉(40 mL)的混合物加热回流2.5 h后冷却,加入一定量的甲醇沉淀析晶。将产物过滤,洗涤干燥后得到蓝绿色的二氯硅酞菁(SiPcCl2) (4.6 g, 7.50×10-3 mol)固体,收率95%。将SiPcCl2(2 g, 3.30×10-3 mol)和H2SO4 (20 mL)于0 ℃搅拌2 h后过滤,滤液缓慢滴入冰水中,静置48 h后析出晶体,过滤后真空干燥,得到SiPc(OH)2 (1.8 g, 3.10×10-3mol)固体, 收率90%。

1.4 硅酞菁荧光单体(SiPc, OSi (C9H17O4)2)的合成

将SiPc(OH)2 (0.5 g, 8.70×10-4 mol)与100 mL DMF混合,在N2保护下加入1 mL MPS,将混合物在40 ℃下搅拌8 h。然后将反应混合物倒入等体积冰水中析出固体。过滤洗涤,真空干燥后得到具有柔性不饱和侧链的SiPc (1.30 g, 收率80%)。

1.5 光敏聚苯乙烯微球(P(St-co-SiPc))的合成

将SiPc(0.1 g, 1.30×10-4 mol)与苯乙烯(3.7 g, 0.04 mol)混合,然后加入100 mL含有14.0 mg SDS的去离子水中。在N2保护下,室温搅拌30 min后将反应混合物升温至70 ℃,并迅速加入1 mL KPS溶液(0.08 g/mL),继续反应12 h后,离心纯化。然后将微球重新分散于去离子水中,得到淡绿色的P(St-co-SiPc)微球乳液。

1.6 P(St-co-SiPc)微球的光敏性分析

将P(St-co-SiPc)微球(0.004 g)分散于60 mL DMF溶剂中,将该溶液平均分成4份,将DPA (0.01 g,4.80×10-5 mol)溶解在20 mL DMF溶剂中,分别取0.5 mL DPA溶液(2.40×10-3 mol/L)加入到上述2份溶液中,混合形成均一的溶液。其余2份作为参比溶液。采用640 nm波长的光为激发光源,分别在光照与非光照的条件下,每隔5 min测量紫外光谱。

2 结果与讨论 2.1 荧光微球的红外表征

图 3是合成原料与P(St-co-SiPc)微球的红外光谱。图 3(a)中, 910 cm-1处的强吸收峰归属于酞菁分子中Si—N键的振动,酞菁分子中C═C键的伸缩振动吸收峰在1 470 cm-1附近,C═N键的伸缩振动吸收峰在1 600 cm-1附近,吡咯环的C—C键的伸缩振动峰在1 160 cm-1和1 430 cm-1附近,C—N键的伸缩振动峰在1 336 cm-1附近,对于SiPc单体而言,580 cm-1和1 100 cm-1 两处吸收峰分别归属于—Si—O—Si—的弯曲振动和伸缩振动,在1 600 cm-1处的强吸收峰归属于C═C的伸缩振动,而1 720 cm-1处的强吸收峰归属于—O—CO (αβ不饱和酯基的伸缩)的伸缩振动。对于P(St-co-SiPc)微球而言,3 080 cm-1和3 030 cm-1处的吸收峰归属于苯环C—H的伸缩振动,760 cm-1和690 cm-1处的吸收峰归属于苯环单取代C—H的弯曲振动峰。图 3(b)是P(St-co-SiPc)微球半年前后红外光谱的对比。分析表明,合成路线和结果可信,P(St-co-SiPc)微球具有良好的稳定性。

图 2 P(St-co-SiPc)微球的合成路线 Fig. 2 Synthesis routes of P(St-co-SiPc) microspheres

图 3 样品的红外光谱 Fig. 3 FT-IR spectra of samples

2.2 条件优化 2.2.1 合成温度对P(St-co-SiPc)微球的影响

合成温度对P(St-co-SiPc)微球形貌的影响如图 4所示。在一定条件下,随着温度的增加,P(St-co-SiPc)微球的单分散性与粒径随之增加,但是超过一定温度之后,单分散性与粒径又急剧下降。当合成温度从65 ℃升高到70 ℃时,P(St-co-SiPc)微球的平均粒径从140 nm增加到145 nm左右,荧光微球的单分散性增加。但当温度继续增加到75 ℃时,微球平均粒径降低到115 nm左右,同时粒径分布变宽。原因可能是随着聚合温度的升高,聚合速率与聚合物链长同时增加,有利于刚性与体积较大的硅酞菁分子在胶核内部的分散。但温度过高时,胶束的热力学稳定性急剧下降,从而导致微球的粒径单分散性降低,胶束内部参与共聚的荧光分子的数量也有所降低。

图 4 不同温度制备的P(St-co-SiPc)微球的SEM图 Fig. 4 SEM images of P(St-co-SiPc) microspheres prepared at different temperatures

不同温度下合成的P(St-co-SiPc)微球的荧光发射光谱分析如图 5所示。结果显示,随着温度从65 ℃增加到70 ℃,荧光强度从60增加到450,但温度继续增加到75 ℃后,荧光强度反而降低到150。结果与图 4的理论分析一致。图 5中插图为SiPc的荧光发射光谱,与P(St-co-SiPc)微球相比,其荧光发射峰几乎没有位移,但荧光强度增加明显。

图 5 不同温度制备的P(St-co-SiPc)微球的荧光发射光谱 Fig. 5 Fluorescence emission spectra of P(St-co-SiPc) microspheres prepared at different temperatures

2.2.2 单体用量对P(St-co-SiPc)微球的影响

苯乙烯单体的用量对P(St-co-SiPc)微球形貌的影响如图 6所示。在SiPc单体用量确定的条件下,随着VSt的增加,P(St-co-SiPc)微球的粒径随之增加,但是超过一定的量之后,微球的单分散性有所降低。当m(SiPc)为0.01 g,温度为70 ℃时,随着VSt从6 mL增加到7 mL,P(St-co-SiPc)微球的平均粒径从115 nm增加到145 nm左右。但当VSt进一步增加到8 mL时,P(St-co-SiPc)微球的平均粒径继续增加到160 nm左右,但是球形度与单分散性降低。该实验结果与乳液聚合理论基本一致。

图 6 不同用量的苯乙烯制备的P(St-co-SiPc)微球的SEM图 Fig. 6 SEM images of P(St-co-SiPc) microspheres prepared with different amounts of styrene

图 7是上述P(St-co-SiPc)微球对应的荧光发射光谱。结果显示,荧光强度的变化与粒径变化并不一致。当VSt从6 mL增加到7 mL时,P(St-co-SiPc)微球的荧光强度从300增加到450,但当VSt进一步增加到8 mL时,荧光强度降低到350。原因可能是随着VSt增加, SiPc单体的分散性增加,有利于荧光分子的聚合包埋,但是随着VSt进一步增加, 形成的微球直径增大,内部荧光分子的量子效率受到一定影响。

图 7 不同用量的苯乙烯制备的P(St-co-SiPc)微球的荧光发射光谱 Fig. 7 Fluorescence emission spectra of P(St-co-SiPc) microspheres prepared with different amounts of styrene

图 8是在一定条件下,SiPc单体用量对微球形貌的影响。随着m(SiPc)的增加,P(St-co-SiPc)微球的粒径也随之增加,但是超过一定的量之后,微球的单分散性有所降低。在VSt为7 mL,温度为70 ℃时,随着m(SiPc)从0.005 g增加到0.010 g,P(St-co-SiPc)微球的平均粒径从110 nm增加到145 nm左右。当m(SiPc)进一步增加到0.015 g时,微球平均粒径进一步增加到150 nm左右,但是球形度和单分散性降低。原因可能是SiPc单体体积较大,随着其用量的增加,聚合过程中增溶胶束的体积随之增大。但随着m(SiPc)进一步增加,增溶胶束的热力学稳定性降低,导致微球的单分散性降低。

图 8 不同SiPc用量制备P(St-co-SiPc)微球的SEM图 Fig. 8 SEM images of P(St-co-SiPc) microspheres prepared with different amounts of SiPc

图 9是上述P(St-co-SiPc)微球对应的荧光发射光谱。当m(SiPc)从0.005 g增加到0.010 g时,微球的荧光强度从330增加到470,但当m(SiPc)进一步增加到0.015 g时, 荧光强度反而降低到400,与本文前述分析相一致。

图 9 不同用量SiPc制备的P(St-co-SiPc)微球的荧光发射光谱 Fig. 9 Fluorescence emission spectra of P(St-co-SiPc) microspheres prepared with different amount of SiPc

2.2.3 P(St-co-SiPc)微球的光敏性分析

图 10(ab)示出了在640 nm波长的激发光源光照与非光照条件下,P(St-co-SiPc)乳液的紫外光谱随时间的变化。两种乳液都随着时间的延长,吸收强度明显增加,这是DMF对P(St-co-SiPc)微球的溶解腐蚀所致。但是,加入一定量的DPA溶液之后,乳液的紫外光谱变得相对稳定,在没有光照的条件下,15 min之后,吸收峰的整体强度几乎没有变化,如图 10(c)所示。350~400 nm的特征峰归属于DPA中芳环的特征吸收。随着激光的照射,其吸收峰明显整体上移,如图 10(d)所示。其原因可能是溶液中的DPA分子在荧光微球表面的吸附阻碍了DMF对荧光微球的腐蚀。随着激光的照射,P(St-co-SiPc)微球表面释放出单线态氧,破坏了DPA分子,导致DPA分子对微球保护效用的降低,部分DPA分子进入溶液,导致吸收增加。说明P(St-co-SiPc)微球具有良好的光敏性能。此研究结果可以应用于高分子微球的可控刻蚀领域。图 10(ab)中的插图是激光光照前后微球形貌的对比。

图 10 不同条件下P(St-co-SiPc)微球的紫外-可见光光谱 Fig. 10 UV-Vis spectra of the P(St-co-SiPc) microspheres in different surroundings

加入DPA溶液的P(St-co-SiPc)微球乳液体系的红外光谱分析如图 11所示。结果显示,在没有激光照射的情况下,红外吸收光谱随着时间的变化不明显。原因可能是:当没有激光照射时,P(St-co-SiPc)微球不能产生单线态氧,对DPA没有破坏。但随着时间延长,P(St-co-SiPc)微球表面DPA分子吸附量会有轻微改变。当有激光照射时,P(St-co-SiPc)微球促进单线态氧的产生,DPA分子的官能团伸缩振动峰强度明显减弱,说明DPA分子被破坏,实验结果从侧面验证了本文的理论分析。

图 11 不同条件下P(St-co-SiPc)微球的红外光谱 Fig. 11 FT-IR spectra of P(St-co-SiPc) microspheres in diffrent surroundings

3 结论

本文首先合成了一种MPS修饰的二羟基硅酞菁荧光单体,该单体与苯乙烯具有良好的相容性,以其与苯乙烯为共聚单体,KPS为引发剂,SDS为乳化剂,采用原位乳液共聚法一步合成了一种新型单分散荧光微球。该荧光微球单分散性好,并具有较高的稳定性与光敏性。

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