Монодисперсные полимерные частицы с функциональными группами для создания трехмерно-упорядоченных матриц

Шабсельс, Борис Маркович

Монодисперсные полимерные частицы с функциональными группами для создания трехмерно-упорядоченных матриц тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

Шабсельс, Борис Маркович АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Монодисперсные полимерные частицы с функциональными группами для создания трехмерно-упорядоченных матриц»

Автореферат диссертации на тему "Монодисперсные полимерные частицы с функциональными группами для создания трехмерно-упорядоченных матриц"

На правах рукописи

005014538

ШАБСЕЛЬС БОРИС МАРКОВИЧ

МОНОДИСПЕРСНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ЧАСТИЦЫ С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ГРУППАМИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТРЕХМЕРНО-УПОРЯДОЧЕННЫХ МАТРИЦ

02.00.06 - высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

1 5 ид? 2072

Санкт-Петербург 2012

005014538

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении

науки Институте высокомолекулярных соединений Российской академии наук

(ИВС РАН)

Научный руководитель: доктор химических наук, доцент

Меньшикова Анастасия Юрьевна

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор,

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), заведующий кафедрой Лавров Николай Алексеевич

доктор химических наук, ИВС РАН, заведующий лабораторией

Шаманин Валерий Владимирович,

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет» (химический факультет)

Защита состоится «5» апреля 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 002.229.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук (ИВС РАН) по адресу: 199004, Санкт-Петербург, В.О. Большой пр. 31, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИВС РАН. Автореферат разослан « »_2012 г.

Ученый секретарь диссертационного /"V

совета, кандидат физ.-мат. наук 17] Долотова Нина Аврамовна

Г/уЪ^тиГ

Актуальность работы. В последнее десятилетие одним из основных направлений развития нанотехнологии является создание новых функциональных систем и материалов путем сборки организованных структур из множества однородных или различных наноблоков. Перспективными исходными материалами для этих целей являются монодисперсные полимерные частицы. Для создания на основе таких частиц новых структурированных материалов для оптоэлектроники и хемосенсорики важно направленное регулирование процесса их самоорганизации. Для этого необходима разработка методов синтеза монодисперсных полимерных частиц с заданными размером, функциональностью, гидрофильно-гидрофобными свойствами и стабильностью поверхностной структуры. До сих пор для самосборки применяли полимерные частицы, полученные с использованием ионогенных сомономеров (метакриловой кислоты или стиролсульфоната натрия), которые обеспечивали отрицательный поверхностный заряд поверхности частиц и ее гидрофилизацию. Из отрицательно заряженных монодисперсных частиц сополимеров стирола с метакриловой кислотой в ИВС РАН были сформированы пространственно-периодические твердотельные структуры, проявляющие свойства фотонных кристаллов. Для создания нового поколения структурированных материалов из монодисперсных частиц целесообразно также введение в их поверхностный слой функциональных групп, обеспечивающих положительный заряд. Кроме того, введение ковалентно связанных люминофоров в монодисперсные полимерные частицы необходимо для формирования на их основе фотонных кристаллов, в которых находится источник люминесценции. Такие трехмерно-упорядоченные матрицы могут также служить распознающими материалами для оптических сенсоров, в которых оптический отклик формируется за счет сольватации люминофора аналитом (сольватохромный эффект). Известно, что применение метода молекулярного импринтинга позволяет повысить селективность сенсорного материала. Формируемые этим методом молекулярные отпечатки органических молекул, комплементарные им по размеру, форме и функциональности, связывают и удерживают такие молекулы в полимере за счет комплекса нековалентных взаимодействий. Однако этот метод до сих пор не был использован для создания сайтов молекулярного распознавания с участием люминофоров в оболочке полимерных частиц. Новые типы люминофорсодержащих монодисперсных полимерных частиц с амфотерной поверхностью перспективны как носители биолигандов для проведения иммуноанаииза с оптической регистрацией результата.

В связи с вышесказанным, разработка методов синтеза новых типов ыонодис-персных полимерных частиц с функциональными группами и люминофорами, локализованными в их объеме или поверхностном слое, в том числе частиц типа ядро-оболочка с сайтами молекулярного распознавания летучих органических соединений, а также формирование путем их самосборки трехмерно-упорядоченных матриц, проявляющих сенсорные и фотонно-кристаллические свойства, - новых материалов для хемосенсорики и оптоэлектроники является актуальной задачей.

материалов) и Научным программам Президиума РАН («Наноструктуры в полимерных системах, перспективных для оптоэлектроники», «Органические и гибридные наноструктурированные материалы для фотоники», «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов»).

Цель - разработка методов синтеза функциональных монодисперсных частиц на основе сополимеров стирола и метилметакрилата с Ы-винидформамидом, метакрютовой кислотой, а также со сшивающими агентами и формирование из полученных частиц трехмерно-упорядоченных матриц, в том числе проявляющих свойства сенсорных материалов с оптическим откликом на анадит. В ходе исследования решались следующие задачи:

• Синтез монодисперсных частиц, в том числе со структурой типа ядро-оболочка, с амино- и/или карбоксильными группами гетерофазной (со)полимеризацией стирола (Ст) и метилметакрилата (ММА) с М-винилформамидом (ВФА), метакриловой кислотой (МАК), а также со сшивающими агентами.

• Исследование хемосорбции частицами сополимера метилметакрилата с М-винилформамидом модельного биолиганда (бычий сывороточный альбумин).

• Разработка методов введения люминофоров в объем и поверхностный слой монодисперсных полимерных частиц.

• Применение метода молекулярного импринтинга для введения в оболочку частиц

сайтов молекулярного распознавания летучих органических веществ.

• Формирование пленочных материалов путем самосборки полученных частиц, изучение их структуры и оптических свойств.

Научная новизна. Разработан новый метод получения нано- и субмикронных монодисперсных частиц сополимеров метилметакрилата и стирола с М-вшшлформ-амидом путем их эмульсионной сополимеризации под действием азоинициаторов с амидшговыми и имидазолиновыми группами с последующим снятием защиты с поверхностных функциональных групп, который позволяет варьировать соотношение карбоксильных и аминогрупп. Амфотерная поверхность полученных частиц обеспечивает их модификацию биолигандами, люминофором, а также эффективную самосборку в дисперсиях и на твердых подложках с образованием трехмерно-упорядоченных структур.

Впервые с применением метода молекулярного импринтинга и затравочной эмульсионной сополимеризации основных мономеров, сшивающих агентов, а также люминофорсодержащих сомономеров на основе Родамина Б и Нильского красного получены монодисперсные частицы типа ядро-оболочка с сайтами молекулярного распознавания спиртов (СгС4) и ароматических соединений (бензол, толуол, нафталин).

Практическая значимость. Полученные частицы перспективны для использования в различных областях нанотехнологии, хемосенсорики, иммуноанализа. Монодисперсные частицы сополимеров метилметакрилата и стирола с М-винилфорамидом, модифицированные флуоресцеин изотиоцианатом, успешно применены в НИИ экспериментальной медицины СЗО РАМН (ФГБУ «НЙИЭМ» СЗО РАМН) в качестве флуоресцентных частиц для исследования функциональной активности лейкоцитов периферической крови методом проточной цитофлуори-метрии. Сшитые люминофорсодержащие монодисперсные частицы типа ядро-оболочка с сайтами молекулярного распознавания низших спиртов и ароматических

соединений, использованы в Центре фотохимии РАН (ЦФ РАН) для создания методом струйной печати панелей сенсорных матриц, дающих оптический отклик на присутствие целевых аналитов в газовой фазе. Трехмерно-упорядоченные матрицы, сформированные самосборкой люминофорсодержащих монодисперсных частиц, апробированы в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН (ФТИ РАН) как модельные объекты для изучения фотонно-кристаллических эффектов.

Положения, выносимые на защиту:

• Варьирование состава реакционной смеси в процессе эмульсионной сополимеризации метилметакрилата и стирола с N-винилформамидом под действием азоини-циаторов с амидиновыми и имидазолиновыми группами позволяет синтезировать нано- и субмикронные монодисперсные частицы П(ММА-ВФА) и П(Ст-ВФА), которые после гидролиза их поверхности приобретают амфотерные свойства, определяемые присутствием в их поверхностном слое карбоксильных и аминогрупп в различном соотношении.

• Наличие рекционноспособных функциональных групп на поверхности частиц П(ММА-ВФА) и П(Ст-ВФА) позволяет проводить ковалентное связывание люминофора (флуоресцеин изотиоцианат) и биолигандов. Возможность образования межчастичных ион-ионных и водородных связей с участием амино- и карбоксильных групп способствует самосборке таких частиц в дисперсиях и на твердых подложках и формированию трехмерно-упорядоченных структур.

• Ионообменная адсорбция катионов люминофоров на частицах сополимеров стирола с метакриловой кислотой позволяет получить люминофорсодержащие частицы, способные к самосбоке в трехмерно-упорядоченные матрицы, которые изменяют интенсивность люминесценции в присутствии паров летучих органических соединений.

• Перенос метакрилат-ионами катионов люминофорсодержащих мономеров через водную среду в растущие частицы в процессе эмульсионной сополимеризации со стиролом и метакриловой кислотой позволяет повысить содержание звеньев люминофора в частицах и обеспечить его равномерное распределение в полимере. При этом формируются монодисперсные частицы, способные к самосборке в трехмерно-упорядоченные матрицы.

• Применение метода молекулярного импринтинга в процессе затравочной эмульсионной сополимеризации с введением люминофорсодержащих сомономеров на второй стадии и фиксацией их звеньев сшивающими агентами позволяет формировать в оболочке монодисперсных частиц сайты молекулярного распознавания низших спиртов (С,-С4) и ароматических соединений, а встраивание в эти сайты звеньев люминофорсодержащего мономера — получать оптический отклик трехмерно-упорядоченных матриц из полученных частиц на присутствие целевых аналитов в газовой фазе.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на международных конференциях и симпозиумах: 17-th «Fine Chemistry and Functional Polymers» (Шанхай, КНР, 2007). VI и VII «Molecular Mobility and Order in Polymer Systems» (С.-Петербург, 2008), III «Colloid Chemistry and Physicochemical Mechanics» (Москва, 2008), 48-th «Polymer Colloids: From Design to Biomedical and Industrial Applications» (Прага, Чехия, 2008), 1-st «Organic nanophotonics» (С.-Петербург, 2009); а также на

XV Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2008), V Всероссийской Каргинской конференции (Москва, 2010) и на совещании «Опалоподобные структуры» (Санкт-Петербург, 2010). Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей и 11 тезисов докладов, получено 2 патента РФ.

Вклад автора состоял в активном участии в формулировке цели и задач исследования, в планировании и непосредственном проведении эксперимента, в анализе полученных результатов, их интерпретации и обобщении, в участии в оформлении результатов работы в виде научных отчетов, статей и докладов. Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав (обзор литературы, экспериментальная часть, результаты и их обсуждение), выводов, библиографического списка (201 наименование) и приложения, изложена на 146 страницах, содержит 66 рисунков и 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Гпава 1. Проведен анализ современных представлений о механизмах гетерофазной полимеризации, обеспечивающих формирование монодисперсных полимерных частиц, в том числе с функциональными группами и типа ядро-оболочка, рассмотрены методы введения в частицы люминофоров, обсуждаются способность таких частиц к самосборке в трехмерно-упорядоченные матрицы и оптические свойства получаемых матриц, изложены основы метода молекулярного импринтинга как способа создания сайтов молекулярного распознавания в сенсорных полимерных материалах.

Гпава 2 содержит краткое описание основных реагентов и методов гетерофазной полимеризации, изучения характеристик образующихся частиц, а также специальных свойств полимерных частиц и их структур. Глава 3. Результаты и их обсуждение

3.1. Монодисперсные частицы сополимеров ММА и стирола с ВФА 3.1.1. Эмульсионная сополимеризация ММА и стирола с ВФА. С целью расширения круга частиц с многофункциональной поверхностью целесообразно ввести в их поверхностный слой функциональные группы, которые при протонировании обеспечили бы положительный заряд. Для этого были использованы азоинициаторы с катионными группами: дигидрохлориды 2-азобис-(2-метшшропаноамидина) (АМН) и 2-азобис[2-(имидазолинил-2)пропана] (АИП). Кроме того, в литературе уже было описано получение микросфер П(Ст-ВФА) сополимеризацией в спиртовой среде под действием АМП с последующим гидролизом на поверхности амидных групп (схема 1). В результате на микросферах образовывались способные к протонированию группы: амидиновне и аминогруппы. Поэтому с целью получения субмикронных монодисперсных частиц с положительным зарядом поверхности в настоящей работе сначала была изучена эмульсионная полимеризация ММА в еодной среде под действием АМП и АИП, а затем и сополимеризация ММА с ВФА в тех же условиях (табл. 1). В качестве стерического стабилизатора частиц использовали декстран, поскольку известно, что в процессе эмульсионной полимеризации ММА под действием 4,4'-азо-бис(4-цианизовалериановой кислоты) (ЦВК) декстран существенно ускоряет процесс полимеризации и позволяет включать в поверхностный слой частиц реакционно-способные группы через привитые полисахаридиые цепи. Влияние природы

инициатора, содержания ВФА в смеси мономеров, исходного рН реакционной смеси (рН0), а также введения в нее буферной соли КН2Р04 на характеристики получаемых частиц представлено в табл. 1.

Таблица 1

Условия сополимеризации* ММА и стирола с ВФА и характеристики частиц

Опыт № Компоненты реакционной смеси D, нм 5, % ¿¡-потенциал, мВ (10"3 MNaCl) после синтеза) через 5 мес. Слабокислые и основные группы, Ю^моль/м2

рН0 Мономеры, мас.% Инициатор/мономеры, 2 мас.% Соль, 10"2 моль/л

1мк 5.50 ММА 100 АМП - 325 2.2 21/7 0.76

Змк 6.65 ММА 100 АМП - 360 5.1 25/33 0.97

4мк 6.35 ММА:ВФА-5 АМП - 375 5.4 29/13 1.48

бмк 6.18 ММА 100 АИП - 400 4.3 43/11 0.41

7мк 5.94 ММА:ВФА-5 АИП - 385 4.0 37/17 0.77

8мк 6.00 ММА:ВФА-10 АИП - 350 3.2 18/16 0.49

9мк 4.84 ММА:ВФА-10 АИП КН2Р04 500 2.8 34/15 2.31

Юмк 5.30 ММА:ВФА-15 АИП - 600 4.6 12/12 1.37

11мк 5.00 ММА:ВФА-15 АИП КН2Р04 440 4.2 22/10 2.69

12мк 5.14 ММА:ВФА-20 АИП - 620 5.9 11/11 1.74

13мк 4.85 ММА:ВФА-20 АИП КН2ГО4 660 7.1 11/11 2.29

)ск 5.10 СпВФА-10 АИП - 300 6.9 26/16 0.68

2ск 5.10 Ст:ВФА-20 АИП - 220 5.6 15/10 1.83

* Смесь мономеров к водной фазе 1:10, концентрация декстрана - 0.2 мас.% к воде, 75°С. Полученные монодисперсные частицы (рис. 1) имели диаметр в субмикронном

зшmß

ЙЩг* л«

^ШКШШЯМ диапазоне и сохраняли свои положительный

заряд при хранении в воде. Однако оказалось, что в кислой и особенно в щелочной среде на поверхности частиц происходит гидролиз концевых групп остатков инициаторов с образованием карбоксильных групп (схема 1), что смещает их (¡-потенциал в отрицательную область (рис. 2-4). Таким образом, у частиц образуется амфотерная поверхность. Гидролиз имидазолиновых групп происходит медленнее благодаря циклической структуре (рис. 2). Присутствие на поверхности частиц звеньев ВФА, дающих при гидролизе первичные аминогруппы, позволяет сохранить суммарный положительный заряд частиц в кислой среде (рис, 3), но увеличение

Рис. 1. Микрофототрафия частиц П(ММА-ВФА) он. 9мк.

степени гидрофилизации поверхности при возрастании содержания звеньев ВФА в частицах способствует гидролизу концевых групп остатков инициатора (рис. 4).

н,о+,сг

о—г-----

I 1ч

£-8-1

-нсоон

Н2 н -с —с

мн, сГ

к—С + нон ын

ур н20 у?

я-с —к—с ын2 3 он

Н2С—N

\ _

;н \

I п

Схема 1. Гидролиз звеньев ВФА и концевых групп остатков инициаторов. С мВ

СнВ 4--- л - ___л.

Л -о ' \\ рН

3 6 0 *---* у' \ ^ \2 V о

Рис. 2. Влияние рН на Рис. 3. Влияние рН на I- Рис. 4. Влияние рН на С-

потенциал частиц ПММА, потенциал частиц П(ММА- потенциал частиц ЩСт-

полученных с АМП оп. 1мк ВФА) оп 4мк, после приго- ВФА) оп. 1ск (/, 2), оп. 2ск

(У) и АИЛ оп. бмк (2) в товления (I), через 1 (2), 2 (3, 4). После пригоговле-

качестве инициатора. (3), 3 (4) сут. ния (I, 3) и через сут. (2,

4).

--------------------Для получения частиц со стабильным положительным

^^ЩлЯ зарядом' необходимо бьшо снизить гидрофильность т* ^лч&т^т^Мф^^щ поверхностного слоя, способствующую выдвижению в

него концевых групп остатков инициатора из объема ЯбРяК часткц с их последующим гидролизом. Для этого щ синтезировали более гидрофобные субмикронные частицы П(Ст-ВФА) в отсутствие декстрана как 4.1 стерического стабилизатора, при этом варьировали Гис. 5. Микрофотография содержание ВФА в смеси мономеров (табл. 2, рис. 5), а частиц П(Ст-ВФА) оп. бек. также концентрацию азоинициатора АИП.

Таблица 2

Опыт № т, °С ВФА/Ст, мас.% АИП/ВФА+Ст мас.% ВФА+Ст/Н20 мас.% РРЦ*/Ст, мас.% рН0 Конверсия, % о, нм 5, %

Зек 4ск 65 70 5.9 3.0 3.0 3.5 9.2 15.0 ДАДФДС -0.28 6.80 6.08 73 73 300 280 10.1 3.3

5ск 70 1.0 2.7 15.0 - 6.11 62 270 6.1

бек 70 1.3 3.7 10.0 - 6.15 51 250 2.9

7ск 70 3.0 3.0 10.0 МЭ - 0.20 6.61 91 220 2.8

8ск** 70 3.0 3.0 10.0 МЭ - 0.20 6.60 99 305 5.6

меркаптоэтанол.

** 1.5 мас.% ДМЭГ по отношению к стиролу и 1.5-10"2 моль/л КН2Р04 в водной фазе.

Гидролиз их поверхности проводился в водном растворе НС1 с рН 2 при 40°С. Данные о суммарной поверхностной концентрации слабоосновных и слабокислых групп до и после гидролиза, полученные кондуктомстрическим титрованием, приведены в табл. 3. О соотношении карбоксильных и аминогрупп на поверхности частиц после гидролиза судили по зависимостям их ^-потенциала от рН. Так, до гидролиза частицы П(Ст-ВФА) Зек в широком диапазоне рН имеют положительный ¡¡-потенциал. Однако после гидролиза происходит инверсия знака ^-потенциала частиц в нейтральной области рН (рис. 6), что указывает на присутствие в их поверхностном слое соизмеримых количеств карбоксильных и аминогрупп. Напротив, частицы латексов 5ск, бек и 8ск после гидролиза сохраняли положительный заряд, причем значения их ^-потенциала даже возрастали (рис. 6). Синтез этих частиц проходил при меньшем содержании ВФА в смеси мономеров (табл. 2), чем в опыте Зек, поэтому они имели менее гидрофильную поверхность. Очевидно, что в результате гидролиза поверхности таких частиц поверхностная концентрация аминогрупп заметно выше, чем карбоксильных групп.

Таблица 3

Концентрация поверхностных функциональных групп частиц П(Ст-ВФА), _____[моль/м2] _______

№ опыта Зек 5ск бек 8ск

Поверхностная до гидролиза концентрация * слабоосновных и 1.6-10"6 0.3 10"6 0.2-10"6 0.8-10"6

слабокислых групп после рЧН2+КГИ+СООН]* гидролиза б.О-Ю"6 3.2-10"6 1.1-10"6 1.2-10"6

* КГИ - концевые группы остатков инициатора АИП.

СмВ

Рис. 6. Влияние рН на ^-потенциал Рис. 7. Влияние рН на ^-потенциал наночастиц частиц П(Ст-ВФА): Зек (7, 2) и 5ск (3, 14мк (2), 15мк (3) и 16мк (4)-табл. 4. до (], 3) и после (2, 4) гидролиза.

Таблица 4

_Условия синтеза и диаметр наночастиц П(Ст-ВФА) и П(ММА-ВФА)

Опыт №

Мономеры, мае. ч.

Инициатор/ мономеры мас.%

Мономеры/ вода, мас.%

Эмульгатор, ККМ*

Т, °С

о,

нм

9ск

Юск 11ск 12ск 14мк 15мк 16мк

Ст:В ФА: АМСтГХ 80:3:20 Ст:ВФА 100:3 Ст.ВФА 100:3 Ст:ВФА 100:3

ММА:ВФА 100:3

А ИП 3.0

АИП3.5 АИП 3.5 АИП3.5 АИП 3.5 АИП 3.5 ЦВК 3.5

5.0

2.0 5.0 5.0

5.0

1.7ЦТАБ

1.7 ЦТАБ 1.4ЦТАБ 1.0 ЦТАБ 1.0 ЦТАБ 1.0 ЦТАБ 1.0 Р1зропП

90 90 90 90 67 75

70 90 110 100 75 ВО

С целью получения монодисперсных наночастиц П(ММА-ВФА) и П(Ст-ВФА) применялся метод эмульсионной сополимеризации ММА или стирола с ВФА в присутствии ПАВ около критической концентрации мицеллообразования (ККМ). Варьирование природы инициатора с катионными (АИП) или анионными (ЦВК) группами, эмульгатора: катионного - цетилтриметиламмоний бромида (ЦТАБ) с ККМ(25°С) = 9.2-10"4 моль/л, шш анионного - натриевой соли сульфата алкиларил-полигликолевого эфира, (О^зропП АЕБ 60 1Б) с ККМ(25°С) = 0.07 мас.%, а также введение в реакционную смесь в оп. 15мк поверхностного модификатора (0.1 мас.% декстрана к водной фазе) позволило получить монодисперсные наночастицы диаметром 70-110 нм при его среднеквадратичном отклонении менее 2% (табл. 4). Использование в оп. 9ск гидрохлорида аминостирола (АМСтГХ) для повышения положительного заряда первичных ядер на стадии нуклеации снизило диаметр образующихся частиц до 55 нм. В области ККМ ЦТАБ формируются наночастицы, для которых не происходит инверсии знака поверхностного заряда при повышении рН среды (рис. 7). Это является результатом конкуренции имидазолиновых групп на концах полимерных цепей и катионов ЦТАБ за место в поверхностном слое. Уменьшение концентрации остатков АИП на поверхности частиц приводит к снижению доли карбоксильных групп, образующихся при их гидролизе. Напротив, отрицательный ^-потенциал частиц 16мк снижался до 0 при рН<4, что указывает на присутствие в поверхностном слое только карбоксильных групп.

3.1.2. Самосборка частый П(Ст-ВФА) иП(ММА-ВФА). При высушивании полимерной дисперсии (1 мас.%) субмикронные частицы образовывали пленочные структуры (рис. 8), о трехмерной упорядоченности которых свидетельствует пик отражения на зависимости оптической плотности пленки от длины волны (рис. 9).

Рис. 10. Спектры пропускания дисперсии наночаегиц (а) П(Ст-ВФА): оп. 10ск и 11ск, (б) П(ММА-ВФА) оп. 15мк (диаметр частиц 75 нм).

Полученные наночастацы в диализованных водных дисперсиях формировали периодические коллоидные структуры, что проявлялось как свечение в видимом спектральном диапазоне всего объема дисперсии либо отдельных «блесток» -ламеллярных структур площадью до 5 мм2. В спектрах пропускания дисперсий обнаружены резонансные пики, обусловленные дифракцией света на образовавшихся структурах (рис. 10). Эти структуры разрушались при перемешивании, но обратимо восстанавливались уже через 2 мин после его прекращения. Можно полагать, что кооперативные взаимодействия наночастиц с амфотерной поверхностью способствуют упрочнению формируемых структур. 3.2. Модификация монодисперсных полимерных частиц 3.2.1. Модификации частиц П(ММА-ВФА) белком.

Карбоксильные группы на поверхности субмикронных частиц П(ММА-ВФА) были использованы дотя иммобилизации бычьего сывороточного альбумина (БСА) методом активированнных эфиров с применением водорастворимого гидрохлорида 1-(3-диметиламинопропил)-3-этилкарбодиимвда и 1М-гидроксибензотриазола. Амфотерная поверхность частиц обеспечивала их электростатическую стабилизацию в слабокислой среде в процессе активации карбоксильных групп. Связывание белка увеличивалось с повышением содержания звеньев ВФА в сополимере (рис. 11).

Рис. 8. СЭМ трехмерно Рис. 9. Спектр пропускания

упорядоченной матрицы тонкой пленки на основе

из частиц П(Ст-ВФА) частиц П(Ст-ВФА) оп. 7ск. оп. бек.

0,09

0,06

0,03

0,4 мг/мл

гфитц- мг/м

0,04 0,08 0,12 0,16 [ФИТЦ], мг/мл

Рис. 12. Хемосорбция ФИТЦ частицах П(Ст-ВФА) - оп. 4ск.

на

В 0,2

*БСА1равн

Рис 11. Изотермы хемосорбции БСА на частицах П(ММА-ВФА) оп. бмк, 8мк, Юмк, 12мк: 0 ГЛ. 10 (2). 15 (3), 20% ВФА (4).

3.2.2. Ковалеитное присоединение флуоресцеин изотиоцианата (ФИТЦ) по аминогруппам частиц и оптические свойства матриц на их основе.

Для модификации частиц П(Ст-ВФА) люминофором было проведено ковалеитное связывание ФИТЦ с их поверхностными аминогруппами. Получена изотерма хемосорбции с выходом на плато (рис. 12). Предельная хемосорбция составляет 0.26-Ю-6 моль/м2, то есть, из 10 титруемых аминогрупп (2.9-10'6 моль/м2) примерно одна участвует в присоединении люминофора. Такой результат подтверждается уменьшением положительного ^-потенциала частиц после связывания ФИТЦ всего на 5-10 мВ. Частицы П(Ст-ВФА), успешно апробированы в ФГБУ «НИИЭМ» СЗО РАМН при исследовании функциональной активности лейкоцитов периферической крови методом проточной цитофлуориметрии. Кроме того, из частиц, модифицированных ФИТЦ, были получены трехмерно-упорядоченные структуры, которые были использованы в ЦФ РАН как сенсорные слои, изменяющие интенсивность флуоресценции в присутствии аммиака.

3.2.3. Модификация поверхности частиц за счет ионного обмена катионов люминофоров и оптические свойства матриц на их основе.

В качестве другого способа модификации люминофорами полимерных частиц после окончания синтеза исследовали ионный обмен катионов люминофоров на

40 17 48 38 iyftgg падения *"* tсвета

—-1 — • — 2

500 550 600 650Х..НМ Рис. 13. Спектры брэгговскосо отражения пленок из частиц П(Ст-МАК), модифицированных Родамином 6Ж (диаметр частиц 250 нм) (1) и СКС-16 (диаметр частиц 300 им) (2).

поверхности частиц П(Ст-МАК). В результате были получены частицы, содержащие в поверхностном слое катионы Родамина 6Ж или двухзарядные катионы СКС-16 (схема 2). Для Родамина 6Ж в водно-спиртовой среде (20 об.% этанола) емкость обмена составляла 0.3 10 6 моль/м2 при рН 7 и возрастала до 0.9 10'® моль/м2 при рН 9. Для двухзарядного катиона СКС-16 емкость обмена достигала 3.3 106 моль/м2 при рН 9. Результаты сканирующей электронной микроскопии и спектры брэгговского отражения (рис. 13), измеренные в ФТИ РАН, показывают, что такие частицы образуют трехмерно-

Lb**)

Родамин 6Ж 4 СКС-16

Схема 2. Ионный обмен катионов люминофоров на поверхности частиц П(Ст-МАК).

Рис. 14. Влияние угла наблюдения на люминесценцию пленки из частиц П(Ст-МАК) диаметром 250 нм с СКС-16 в поверхностном слое при возбуждении светом с 401 нм и наблюдении при 528 нм (/) и диаметром 300 нм с Родамином 6Ж в поверхностном слое при возбуждении светом с А™,* 530 нм и наблюдении при 560 нм (2).

Рис. 15. Спектры люминесценции пленок с трехмерно-упорядоченвой структурой высокой (/) и низкой (2) степени совершенства из частиц П(Ст-МАК) диаметром 250 нм с СКС-16 на поверхности, а также неструктурированной пленки (5) того же состава при возбуждении светом с А^ 401 нм при угле наблюдения 0 39°.

Рис. 16. Спектры флуоресценции трехмерно-упорядоченных структур на основе частиц П(Ст-МАК), модифицированных Родамином 6Ж (а) (возбуждение светом с ^т» 518 нм) и СКС-16 (б) (возбуждение светом с Х^ 375 нм) и их изменения в присутствии паров ацетона (100 ррт).

5 £ 200 5

¡Г 150 Я-

S 100

500 S50 x,HM

« 3000 х

g 2000

Я-

х §

g 1000 а

о >>

0с а 300 с

упорядоченные структуры. Интенсивность юс люминесценции зависит от угла наблюдения (рис. 14) и возрастает с увеличением степени совершенства фотонно-кристалпической структуры (рис. 15). При попадании полосы люминесценции красителя в область фотонно-запрещенной зоны, в которой происходит отражение света от трехмерно-упорядоченные структуры, спектр люминесценции искажался, и ее интенсивность на краю запрещенной зоны возрастала (рис. 16). В ЦФ РАН было показано, что полученные структуры также изменяют интенсивность люминесценции в присутствии летучих органических соединений, то есть обладают сенсорными свойствами. Так, в парах ацетона интенсивность люминесценции пленки из частиц, модифицированных Родамином 6Ж, уменьшалась (рис. 16а), а в случае модификации частиц люминофором СКС-16,, напротив, возрастала (рис. 166). Изменения в спектрах люминесценции обратимы, поэтому после продувки системы воздухом для удаления паров ацетона интенсивность люминесценции возвращалась на прежний уровень. -

3.2.4. Модификация полимерных частиц люминофором в процессе синтеза. Для введения люминофора в объем и поверхностный слой полимерных частиц в процессе синтеза была применена безэмульгаторная сополимеризация стирола с МАК с участием метакрилоксиэтилтиокарбамоил Родамина Б (РБ) (табл. 5). Взаимодействия между катионами люминофора и метакрилат-анионами способствовали включению до 36% люминофор-содержащего мономера в состав полимерных частиц. ~

Таблица 5

Одностадийный синтез люминофорсодержащих частиц__

Опыт Соотношение компонентов реакционной смеси, мас.% о, РБГ С,мВ н2о/ 10"3МЫаС1

№ Ст+МАК/ Н20 МАК/ Ст К28208/ Н20 ТГК/ Ст РБ/Ст+МАК нм

1л 2л 5.5 6.6 0.092 0.15 0.12 0.24 260 220 0.012 0.015 -49.7А-49.9 -52.5/-49.5

* РРЦ - тиогликолевая кислота (ТГК).

Кроме того, была применена затравочная сополимеризация, при которой люминофорсодержащий мономер РБ вводился только на второй стадии синтеза и фиксировался в оболочке частиц сшивающим агентом - диметакрилатом этиленгликоля (ДМЭГ) (табл. 6). Это позволило ввести 83-97% загруженного в реакционную смесь люминофора в оболочку частиц.

Таблица 6

Синтез люминофорсодержащих сшитых частиц со структурой ядро-оболочка'•.

Опыт Условия сополимеризации оболочки Характеристики частиц

№ . Мономеры, мас.% Люминофор/тобм, мас.% о, нм РБ1 С мВ Н20/ 10"3МКгаС1

:3л ■ Ст:ВФА:ДМЭГ 87:3:10 РБ - 0.60 453 0.050 +3.5/+1.9

4л Сг:МАК:ДМЭГ 87:3:10 РБ-0.60 235 0.069 —48.4/-48.3

5л Сг.ДМЭГ 95:5 РБ - 0.40 315 0.016 —44.8/-59.3

люминесценция

Рис. 17. СЭМ тонких пленок на основе частиц П(Ст-МАК) 1л (а) и П(Ст-ДМЭГ) 5л (б).

X, нМ 700

Рис. 18. Спектры брэгтовского отражения пленок из частиц П(Ст-МАК) 1л (/) и 2л (2), П(Ст-МАК-ДМЭГ) 4л (3), П(Ст-ДМЭГ) 5л (4) и спектр люминесценции пленки из частиц 1л. Из полученных частиц бьти сформированы тонкопленочные трехмерно-упорядоченные структуры, что подтверждено электронной микроскопией (рис. 17) и спектрами брэгговского отражения, измеренными в ФТИ РАН (рис. 18). Наименьшее количество дефектов в образуемых структурах наблюдалось при самосборке частиц, полученных одностадийным методом, однако все они обладали способностью к люминесценции, характерной для Родамина Б. 3.2.5. Применение технологии молекулярного импринтинга в синтезе сшитых люминофорсодержащих частиц ядро-оболочка с полиароматической матрицей. Затравочная эмульсионная сополимеризация является перспективным подходом для создания в оболочке частиц сайтов молекулярного распознавания с участием люминофоров. При этом первая стадия обеспечивает монодисперсность частиц, а вторая — создание наноструктурированной оболочки методом молекулярного | импринтинга. Этот метод предполагает введение в реакционную смесь темплата ' (прообраза будущего аналита), который в процессе синтеза сольватирует люминофор и после синтеза удаляется. В результате, в оболочке частиц около [ группировок люминофора должны образоваться его молекулярные отпечатки (сайты молекулярного распознавания). При заполнении этих сайтов аналитом с I сольватацией люминофора спектр его люминесценции изменяется - возникает оптический отклик на присутствие аналита. При проведении такой двухстадийной полимеризации затравочные ядра формировали сополимеризацией стирола с МАК (табл. 7). Содержание сшивателя дивинилбензола (ДВБ) в смеси мономеров варьировали в диапазоне 5-20 мас.% к стиролу на первой стадии, а на второй -повышали до 50 мас.%, чтобы сформировать жестко сшитую оболочку и фиксировать структуру молекулярных отпечатков. В качестве темплатов ароматической природы использовали 20 мас.% примесей в коммерческом ДВБ, основную часть которых составляют диэтилбензолы (табл. 8). Для облегчения массопереноса люминофорсодержащих мономеров из капель эмульсии в поверхностный слой затравочных ядер через водную среду в нее вводили 5-20 об.% этанола. Толщина оболочки, определенная из микрофотографий затравочных ядер и конечных част иц,

составляла 13-22 нм (рис. 19). Полученные частицы имеют высокий отрицательный ¿¡-потенциал благодаря присутствию в их поверхностном слое звеньев МАК и сульфогрупп остатков инициатора (персульфата калия) (рис. 20).

Таблица 7

Условия сополимеризации

№ опыта Т °С (МАК+Ст) /н20, мас.% МАК/Ст, мас.% ДВБ/ Ст мас.% Инициатор/мономеры мас.% рН0 Б, нм

1с* 10 3.6 5 К28208- 1.67 10.51 270

2с* 10 3.6 5 К28208- 1.67 11.45 280

Зс* 80 10 3.6 5 К28208- 1.67 10.65 265

5с 5.5 2.0 20 К28208 - 2.45 ПБ -0.05 11.20 270

9с 5.5 2.0 5 ЦВК - 2.00 11.28 350

* Синтез проводили в присутствии РРЦ(ДАДФДС) - 0.115 мол.% к стиролу.

Таблица 8

№ Т Люминофор/т06м Растворитель/ Инициатор/мономеры Спирт/Н20 о,

опыта °С мас.% га^, мас.% мас.% об.% нм

1с-2 40 РБ - 0.12 10 ацетон 5 этанол 300

2с-1* 40 РБ - 0.12 - КАОз - 2.0 20 этанол 350

Зс-1 40 Фл -0.12 5 ацетон Ка->8203-5Н,0- 1.8 20 этанол 290

Зс-2 40 РБ - 0.12 - 5 этанол 290

5с-1 70 МНК-0.12 - ПБ-2.0 20 метанол 315

5с-2 60 МНК-0.12 ДИНИЗ - 2.0 20 метанол 315

375

9с-1 60 ГНК -0.12 20 бензол -

* Смесь мономеров на второй стадии вводили без предварительного эмульгирования.

При использовании на второй стадии синтеза в качестве инициатора неионогенного 2,2'-азобис-(изобутиронитрил)а (ДИНИЗ), ^-потенциал частиц падает вследствие частичного экранирования оболочкой ионогенных групп затравочных ядер, однако его величина достаточна для обеспечения агрегативной устойчивости частиц и

образования ими

трехмерно-упорядоченных структур (рис. 21, 22). Использование перекиси

шар

5с 5с-2 (табл. 9) из-за разрушения

Рис. 19. Типичные микрофотографии затравочных ядер перекисью системы сопря-

11(Ст-ДВБ) и частиц ядро-оболочка жения люминофора.

ценция слоя частиц 5с-1

1 ш

ИИ бензоила (ПБ) оказалось неэффективно: люминес-

т т а

^йгА

была на порядок ниже

С.

Рис. 20. Зависимости С,-потенциала частиц П(Ст-ДВБ) от рН (10~3 NaCl).

0,09 ■

0,06

0,03-

0,00

490

560

630

700 к, нм

Рис. 23. Спектры брэгговского отражения пленки на основе частиц П(Ст-ДВБ) Зс-2, содержащих РБ. Измерены в ФТИ РАН.

Рис. 21. Оптическая микро- Рис. 22. СЭМ пленки из фотография пленки из частиц П(Ст-ДВБ) Зс-2. частиц П(Ст-ДВБ) Зс-2.

Несмотря на большое количество сшивающих агентов в синтезе частиц типа ядро-оболочка, при самосборке они образуют трехмерно-упорядоченные структуры. Для них характерно регулярное растрескивание по кристаллографическим плоскостям (рис. 21), и с увеличением угла падения света максимум в спектрах брэгговского отражения закономерно смещается в коротковолновую область (рис. 23). Оптические отклики слоев этих частиц на пары органических растворителей исследовали в ЦФ РАН. Наиболее чувствительной системой для детектирования паров бензола и толуола оказались слои частиц с Родамином Б (табл. 9).

Таблица 9

Оптические отклики слоев из частиц типа ядро—оболочка на пары растворителей

№ Люминофор Растворитель в реакционной смеси, об.% Значение максимума флуоресценции, усл. ед. Длина волны максимального отклика, нм Максимальный отклик, усл. ед.

Зс-2 РБ 5 этанол 1565 602 - бензол +175

5с-1 МНК 20 этанол 155 1798 561 - бензол 624 - бензол +18 +92

5с-2 МНК 20 этанол 1884 1884 553 - метанол 553 - этанол -74 -86

2010 2022 540 — бензол -90

9с-1 ГНК 20 бензол 537 - толуол -119

553 - этанол -119

Частицы, полученные с метакриловым и глицидшювым производными Нильского красного (МНК и ГНК), давали отклик не только на ароматические соединения, но и на спирты, которые присутствовали в реакционной смеси в процессе синтеза. Образуя с Нильским красным водородные связи, спирты могли оставить свои отпечатки в оболочке частиц. Следовало ограничить количество спирта в реакционной смеси, чтобы сформировать молекулярные отпечатки других

Рис. 24. Спектры люминесценции пленок на основе частиц П(Ст-ДВБ) 1с-2 (/), 2с-1 (2).

Рис. 25. Влияние времени экспозиции в парах ацетона на люминесценцию слоев частиц П(Ст-ДВБ) 1с-2 (/), 2с-1 (2) при возбуждении светом с ?.тгх 5 80 нм.

анализов, но обеспечить при этом встраивание люминофора в оболочку частиц. Для этого на второй стадии синтеза была применено предварительное эмульгирование смеси мономеров в растворе додецилсульфата натрия (0.234 мас.%) и полививилпирролидона (1 мас.%) (табл. 8). Введение в смесь мономеров 10% ацетона позволило создать в оболочке частиц сайты его молекулярного распознавания с участием группировок Родамина Б и получить сенсорный слой, который изменял интенсивность люминесценции в парах ацетона (рис. 24 и 25). 3.2.6. Сшитые частицы ядро-оболочка с метакрилатной матрицей и группировками Нильского красного для молекулярного распознавания спиртов. Для создания сенсорного материала, селективного к спиртам, были получены частицы более полярных сополимеров ММА с ДМЭГ, которые не имеют сродства к ароматическим соединениям. Сшитую оболочку частиц формировали в присутствии люминофорсодержащих мономеров МНК или ГНК и этанола в качестве темплата (табл. 10). Проведенное в ЦФ РАН исследование спектров люминесценции слоев частиц А1-АЗ в парах этанола, показало, что оптический отклик на этот аналит проявляется в падении интенсивности люминесценции на коротковолновом плече полосы излучения, вследствие ее батохромного сдвига при образовании красителем водородных связей со спиртом, т.е. с увеличением системы сопряжения.

Таблица 10

__Синтез и характеристики частиц П(ММА-ДМЭГ) типа ядро-оболочка

Опыт № Тип красителя

AI МНК

А2 МНК

A3 МНК

Б7 ГНК

Б8 ГНК

Введение растворителей

в мономеры, мас.%

толуол - 5 толуол - 5 толуол - 5

в водную фазу, об.%

этанол - 5 этанол - 20 этанол - 20 этанол - 40

Характеристики частиц

D, нм PDI h, нм S0, м2/г

356 0.022 23 12.1

355 0.019 22 13.3

352 0.032 21 11.7

346 0.047 18 12.4

360 0.071 22 11.7

W0 С увеличением содержания спирта в

реакционной смеси при синтезе частиц в ряду образцов А1-АЗ возрастает отклик их слоев на этанол и сокращается время, за которое он достигается (рис. 26). Молекулы метанола за счет меньшего размера проникают в оболочку частиц быстрее, чем этанол, и также вызывают оптический отклик. Напротив, в о 200 400 боо 800 юоо присутствии паров изопропанола Время, с изменений в спектре люминесценции

Рис. 26. Изменения интенсивности сенсорного слоя не обнаружено. Это люминесценции пленок на основе частиц означает, что сайты молекулярного И(ММА-ДМЭГ) в парах этанола (1-3), распознавания, сформированные с метанола (4) к изопропанола (5). использованием этанола в качестве Образцы частиц А1 (I). А2 (2). A3 (3-5). темплата, не доступны для более крупных молекул изопропанола. ГНК, способный связываться с полимерными цепями за счет раскрытия оксиранового кольца глицидильной группы, лучше растворим в смеси ММА и ДМЭГ, поэтому не требуется добавления толуола для получения однородной смеси мономеров, и ГНК более равномерно распределяется в оболочке частиц (оп. Б7 и Б8, табл. 10). В результате для слоев частиц с ГНК характерна большая интенсивность люминесценции и повышение величин оптического отклика. Так, в присутствии паров этанола или метанола интенсивность излучения на волне 546 им для тонкой пленки из частиц Б7 уменьшается на 18% и 15% соответственно. Увеличение содержания этанола в реакционной смеси с 20 до 40 об.% к водной фазе при синтезе частиц Б8 привело к закономерному возрастанию отклика на этанол до 22% и на метанол до 17%. Повышение оптических откликов слоев частиц с ГНК в оболочке на низшие спирты может быть обусловлено тем, что звенья ГНК, менее гидрофобного, чем МНК, находятся в полиметакрилатной матрице в более полярном окружении и, следовательно, более доступны для диффузии к ним молекул спирта. 3.2.7. Влияние природы полимерной основы частиц с Нильским красным, коеалентно связанным в их оболочке, на сенсорные свойства их слоев. Из частиц с полиметакрилатной основой удалось получить селективные сенсорные слои на низшие спирты. Возможно также использование системы двух сенсорных слоев из частиц П(Ст-ДВБ) - 1 и П(ММА-ДМЭГ) - 2 (рис. 27). В такой системе оптический отклик слоя 2 позволяет селективно детектировать метанол и этанол. Отсутствие такого отклика, при наличии отклика слоя ! будет указывать на присутствие в анализируемых парах более длинноцепочечных спиртов (изопропанол, буганол) или ароматических соединений (бензол, толуол). Различие между ними может быть установлено проведением измерений не на одной, а на двух длинах волн. Так, на рис. 27 хорошо видно, что отклонения от исходного спектра в парах спиртов и ароматических соединений несколько отличаются. В частности, в парах бензола интенсивность флуоресценции слоя 1 заметно снижается не только при длинах волн 540-560 нм, как и в парах спиртов, но также в интервале 580-590 нм, где отклик на спирты практически отсутствует. В ЦФ РАН было показано, что интенсивности флуоресценции полученных сенсорных слоев хватает

для исследования их чувствительности к парам летучих аналитов в малых концентрациях (до 30 ррт).

Слой частиц

Изменения люминесценции слоя в присутствии паров бензола этанола ___бутанола

частицы П(Ст-ДВБ) 9с-1

5 0

-50

< -100

500

600 X, нм

700

частицы П(ММА-ДМЭГ) АЗ

. 50

| о

Ч -50

-14 с -35 с - 56 с

500

600 X, нм

700

Рис. 27. Изменения в спектрах люминесценции слоев частиц ЩСт-ДВБ) и П(ММА-ДМЭГ) в зависимости от времени экспозиции в парах аналитов.

3.2.8. Применение метода молекулярного импринтинга для формирования частиц ядро-оболочка с молекулярными отпечатками нафталина.

На следующем этапе представляло интерес апробировать в качестве темплата молекулы нафталина, обладающего собственной люминесценцией в УФ диапазоне, что позволило бы использовать ее для детектирования оптического отклика и, следовательно, избежать встраивания в полимерную матрицу люминофора-индикатора. С этой целью было получены частицы типа ядро-оболочка (табл. 11).

Таблица 11

Синтез частиц с молекулярными отпечатками нафталина в оболочке

Удельная

опыт

№

Мономеры, мас.%

Темплат/Шобо. мас.%

Растворитель / т0бол, мас.%

О, нм

РЭ1

поверхность, м~/г

Условия синтеза оболочки: шяд:ш0,"Л, - 70:30

Г1 ДМЭГ-100 | нафталин-10 | 421 ¡0.021 18.0

Условия синтеза оболочки: - 80:20

ГЗ : ДМЭГ-100 I нафталин -1

циклогексанол -

I 200

440 0.028:

14.6

На стадии формирования оболочки в мономерную смесь вводили 10 (Г1) и 1 мас.% (ГЗ) нафталина. Для создания соизмеримого межцепного пространства в оболочке частиц ГЗ, которое необходимо для вымывания из нее молекул темплата после синтеза, в качестве порогена использовали циклогексанол. Количество сформированных молекулярных отпечатков в оболочке частиц определяли, изучая

адсорбцию нафталина из этанола. Оказалось, что максимально достигнутые величины адсорбции соотносятся примерно так же, как и загрузка нафталина в качестве темплата в процессе синтеза частиц. При этом частицы сравнения, полученные в отсутствие нафталина в реакционной смеси, не были способны адсорбировать его из спиртовых растворов Рис. 28. Изотермы адсорбции (Рис- 28)- 3x0 свидетельствует о нафталина из этанола частицами Г1 (/) перспективности создания на основе и ГЗ (2). полученных частиц сенсорных материалов

для определения нафталина в окружающей среде.

Таким образом, в ходе выполнения работы получены функциональные монодисперсные частицы на основе сополимеров стирола и метилметакрилата с Ы-вшшлформамидом, метакриловой кислотой и люминофорсодержащнми мономерами, которые демонстрируют способность к самосборке. Введение люминофоров в объем и поверхностный слой полученных частиц позволило сформировать на их основе люминесцирующие трехмерно упорядоченные структуры, которые проявляют фотонно-кристаллические свойства, а при локализации группировок люминофоров в поверхностном слое частиц - сенсорные материалы с оптическим откликом на аналит. Применение метода молекулярного импршггинга при формировании оболочки частиц обеспечило создание в ней сайтов молекулярного распознавания ряда летучих органических веществ. Кроме того, частицы сополимеров стирола и метилметакрилата с Ы-винилформамидом с амфотерной поверхностью, содержащей карбоксильные и аминогруппы, проявили способность к ковалентному связыванию флуоресцеин изоцианата и модельного белка и были использованы в качестве флуоресцентных частиц для исследования функциональной активности лейкоцитов периферической крови при помощи проточной цитофлуориметрии. Полученные результаты открывают новые возможности для конструирования современных наноматериалов на основе монодисперсных полимерных частиц для нужд оптоэлектроники, хемосенсорики и иммуноанализа.

ВЫВОДЫ

1. Методом одностадийной эмульсионной сополимеризации метилметакрилата и стирола с М-вннилформамндом впервые получены нано- и субмикронные монодисперсные частицы, которые после гидролиза их поверхности несут на ней карбоксильные и аминогруппы, соотношение которых можно варьировать, изменяя состав реакционной смеси и условия синтеза. Образование межчастичных связей с участием амино- и карбоксильных групп способствует самосборке частиц с формированием трехмерно-упорядоченных структур.

2. Установлено, что амфотерная поверхность частиц сополимеров стирола и метилметакрилата с Ы-винилформамидом обеспечивает ковалентное связывание флуоресцеин изотиоцианата и биолиганда белковой природы для оптической регистрации результатов биоспецифических реакций в поверхностном слое частиц.

Нафтэлин(равн), мг1п

3. Люминофорсодержащие частицы, способные к самосборке в трехмерно-упорядоченные матрицы, получены как путем ионного обмена катионов люминофоров (Родамин 6Ж и СКС-16) в поверхностном слое частиц сополимеров стирола с метакриловой кислотой, так и безэмульгаторной эмульсионной сополимеризацией стирола с метакриловой кислотой и метакрилоксиэтилтиокарбамоил Родамином Б.

4. Впервые сформированы молекулярные отпечатки летучих органических соединений (ацетон, спирты Ci-C4, бензол, толуол, нафталин) в оболочке монодисперсных частиц с полиароматической и полиметакрилатной основой путем применения метода молекулярного импринтинга в процессе затравочной эмульсионной сополимеризации с участием сшивающих агентов, порогена и люминофорсодержащих сомономеров на основе Родамина Б или Нильского красного.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

Статьи:

1 Yakimansky A.V, Menshikova A.Yu, Shevchenko N.N., Shabsels B.M., Bazhenova

A.G., Sel'kin A.V., Sazonov S.K., Vedemikov A.I., Gromov S.P., Sazhnikov V.A., Alfimov M.V. From polymeric nanoparticles to dye-containing photonic crystals: synthesis, self-assembling, optical features, and possible applications // Polymers for Advanced Technologies, 2009. V. 20. № 6. P. 581-588.

2 Menshikova A., Evseeva Т., Shevchenko N., Shabsels В., Yakimansky A., Ivanchev S. Monodisperse particles based on copolymers of methyl methacrylate or styrene with N-vinylform amide // Macromol. Symp. 2009. V. 281. № 1. P. 61-68.

3 Меньшикова А.Ю., Инкин K.C., Евсеева Т.Г., Скуркис Ю.О., Шабсельс Б.М., Шевченко Н.Н., Иванчев С.С. Носители биолигандов на основе сополимеров метилметакрнпата с N-винилфорамидом или глицидилметакрилатом // Коллоидный журнал, 2011. Т. 73. № 1. С. 62-68.

4 Меньшикова А.Ю., Панкова Г.А., Евсеева Т.Г., Шабсельс Б.М., Шевченко Н.Н. Монодисперсные полимерные частицы с молекулярными отпечатками нафталина в оболочке: синтез и адсорбционные свойства // Журн. прикладн. химии, 2011. Т. 84. №9. С. 1517-1525.

5 Меньшикова А.Ю., Шевченко Н.Н., Евсеева Т.Г., Кошкин А.В., Панкова Г.А., Шабсельс Б.М., Фараонова В.В., Гойхман М.Я., Якиманский А.В., Сажников

B.А., Алфимов М.В. Сшитые монодисперсные частицы с группировками люминофора в оболочке для молекулярного распознавания низших спиртов // Высокомолекулярные соединения. Б, 2012. Т. 54. № 1. С. 93-101.

6 Фараонова В.В., Шевченко Н.Н., Евсеева Т.Г., Панкова Г.А., Шабсельс Б.М., Воробьева А.И., Смыслов Р.Ю., Меньшикова А.Ю. Синтез фотонно-кристаллических структур на основе люминофор-содержащих полимерных частиц // Сборник «Опалоподобные структуры», Санкт-Петербург, 2010, С. 203206.

Тезисы докладов:

7 Yakimansky A.V., Menshikova A.Yu., Shevchenko N.N., Shabsels B.M., Bazhenova A.G., Sazonov S.K., Vedemikov A.I., Gromov S.P., Sazhnikov V.A., Alfimov M.V. From polymeric nanoparticles to dye-containing photonic crystals: synthesis, self-assembling, optical features, and possible applications // 17-th Inter. Symp. on Fine

Chemistry and Functional Polymers & 1UPAC. 17-21 Oct. 2007. J. Fudan University (Natural Science), 2007. V. 46. N 5. P. 628.

8 Menshikova A.Yu., Evseeva T.G., Shevchenko N.N., Shabsels B.M. Core-shell approach to various morphology of monodisperse cross-linked polymeric particles // Abstracts of 6th International Symposium Molecular Order and Mobility in Polymer Systems, St. Petersburg, June 2-6,2008, P229.

9 Menshikova A.Yu., Evseeva T.G., Shevchenko N.N., Shabsels B.M., lvanchev S.S. Surface structure and functionality of monodisperse polymeric particles // Abstracts of III International Conference on Colloid Chemistry and Physicochemical Mechanics IC-CCPCM'2008, Moscow, Russia, June 24 - 28,2008, HL05.

10 Menshikova A., Evseeva Т., Shevchenko N., Shabsels В., lvanchev S. Monodisperse particles based on copolymers of methyl methacrylate or styrene with N-vinylformamide // Abstracts of 48th Microsymposium Polymer Colloids: From Design to Biomedical and Industrial Applications Prague, July 20-24,2008, PC 46.

11 Евсеева Т.Г., Шевченко H.H., Шабсельс Б.М., Меньшикова А.Ю. Монодисперсные частицы сополимеров стирола или метилметакрилата с N-винилформамидом // В сб. тезисов XV Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» Казань, 30 июня -4 июля, 2008. Вып. 15. С. 69.

12 Шевченко Н.Н. Меньшикова А.Ю, Носкова И.В., Шабсельс Б.М., Якиманский

A.В. Монодисперсные полимерные частицы, модифицированные циклодекстри-нами и люминофорами // Материалы международной конференции «Органическая нанофотоника», Санкт-Петербург, Россия. 21-28 июня 2009. С. 174.

13 Москаленко Ю.Е., Меньшикова А.Ю., Шевченко Н.Н., Евсеева Т.Г., Фараонова

B.В., Шабсельс Б.М., Субботина Л.И., Грибанов А.В., Якиманский А.В. Изучение взаимодействия органических соединений с люминофор-содержащей полимерной матрицей спектральными методами // Материалы V Всероссийской Каргинской конф. «Полимеры-2010» Москва, июнь. 2010. С5-150.

14 Шевченко Н.Н., Меньшикова А.Ю., Евсеева Т.Г., Панкова Г.А., Шабсельс Б.М. Монодисперсные частицы на основе сополимеров стирола и метилметакрилата с N-винилформамидом // Материалы V Всероссийской Каргинской конф. «Полимеры-2010» Москва, июнь. 2010. С1-190.

15 Шабсельс Б.М., Шевченко Н.Н., Меньшикова А.Ю., Евсеева Т.Г., Инкин К.С., Панкова Г.А. Частицы сополимеров стирола или метилметакрилата с N-винилформамидом для био- и нанотехнологии // Материалы V Всероссийской Каргинской конф. «Полимеры-2010» Москва, нюнь. 2010. СЗ-114.

16 Menshikova A.Yu., Pankova G.A., Evseeva T.G., Shevchenko N.N., Shabsels B.M. Monodisperse core-shell polymeric particles: synthesis and application // Abstracts of 7th International Symposium Molecular Order and Mobility in Polymer Systems, St. Petersburg, June 6-12, 2011, P-139.

Патенты

17 Меньшикова А.Ю., Шевченко H.H., Евсеева Т.Г., Шабсельс Б.М., Якиманский А.В. Способ получения монодисперсного синтетического полимерного латекса с аминогруппами на поверхности частиц. Патент РФ № 2381235, приоритет от 05.09.2008.

18 Меньшикова А.Ю., Шевченко Н.Н., Евсеева Т.Г., Шабсельс Б.М., Якиманский А.В. Установка для получения монодисперсного синтетического полимерного латекса. Патент РФ № 79557, приоритет от 03.10.2008.

Автореферат отпечатан в ИВС РАН. Ризография. Тираж 100 экземпляров

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Шабсельс, Борис Маркович, Санкт-Петербург

61 12-2/477

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

МОНОДИСПЕРСНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ЧАСТИЦЫ С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ГРУППАМИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТРЕХМЕРНО-УПОРЯДОЧЕННЫХ МАТРИЦ

02.00.06 - высокомолекулярные соединения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

На правах рукописи

ШАБСЕЛЬС Борис Маркович

Научный руководитель: доктор химических наук А.Ю. Меньшикова

Санкт-Петербург

2012

Список сокращений

1 -(3 - диметиламинопропил)-3 -этилкарбодиимида гидрохлорид К ДИ

2-азобис[2-(имидазидинил-2)пропан] дигидрохлорид АИП

2,2'-азобис(2-метилпропанамидин) дигидрохлорид АМП

4,4'-азо-бис-(4-цианизовалериановая кислота) ЦВК

Безэмульгаторная эмульсионная полимеризация БЭП

Биологически активные вещества БАВ

Бычий сывороточный альбумин БСА

Ы-винилформамид ВФА

Винилбензиламин гидрохлорид ВБАГ

Высокоэффективная монолитная дисковая хроматография ВЭМДХ

Гранецентрированная кубическая (решетка) ГЦК

Гидроксиэтилметакрилат ГЭМА

Двойной электрический слой ДЭС

Диаминодифенилдисульфид ДАДФДС

Дивинилбензол ДВБ

Диметакрилат этиленгликоля ДМЭГ

Диметилформамид ДМФА

Динитрил-азо-бис-изомасляной кислоты ДИНИЗ

Додецилсульфат натрия ДСН

Изоэлектрическая точка ИЭТ

Критическая концентрация мицеллообразования ККМ

Метакриловая кислота МАК

Молекулярная масса ММ

Морфолино-Ы-этансульфоновая кислота МЭС

Перекись бензоила ПБ

Поверхностно активное вещество ПАВ

Периодические коллоидные структуры ПКС

Поливинилпирролидон ПВП

Поли(диметакрилат этиленгликоля) ПДМЭГ

Полимер-мономерная частица ПМЧ

Полиметилметакрилат ПММА

Полистирол ПС

Просвечивающая электронная микроскопия ПЭМ

Распределение частиц по размерам РЧР

Сканирующая электронная микроскопия СЭМ

Сополимер метилметакрилата с Ы-винилформамидом П(ММА-ВФА)

Сополимер стирола с КГ-винилформамидом П(Ст-ВФА)

Сополимер стирола с дивинилбензолом П(Ст-ДВБ)

Сополимер стирола с диметакрилатом этиленгликоля П(Ст-ДМЭГ)

Сополимер стирола с метакриловой кислотой П(Ст-МАК)

Сухой остаток латекса С.О.

Тиогликолевая кислота ТГК

Триметилолпропан триметакрилат ТМПТМ

Фотонная запрещенная зона ФЗЗ

Фотонный кристалл ФК

Эмульсионная полимеризация ЭП

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................6

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................................10

1.1. Монодисперсные полимерные частицы и методы их формирования.............................10

1.1.1. Эмульсионная полимеризация......................................................................................11

1.1.2. Формирование полимерных частиц с функциональными группами........................13

1.1.3. Двухстадийная эмульсионная полимеризация............................................................16

1.1.4. Введение в полимерные частицы люминофоров........................................................17

1.2. Самосборка монодисперсных полимерных частиц.......................................................21

1.3. Оптические свойства матриц на основе монодисперсных частиц..................................23

1.3.1. Трехмерно-упорядоченные структуры............................................................................23

1.3.2. Люминофорсодержащие трехмерно-упорядоченные структуры..............................25

1.3.3. Оптические сенсоры......................................................................................................27

1.4. Применение метода молекулярного импринтинга для создания сенсорных матриц 28

1.5. Заключение........................................................................................................................31

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.........................................................................33

2.1. Основные реагенты..............................................................................................................33

2.2. Методы гетерофазной полимеризации...............................................................................39

2.2.1. Эмульсионная и безэмульгаторная эмульсионная полимеризация..........................39

2.2.2. Двухстадийная эмульсионная полимеризация - метод синтеза частиц типа ядро-оболочка.............................................................................................................................39

2.3. Методы очистки полимерных частиц и определение их характеристик........................40

2.3.1. Очистка полимерных частиц от водорастворимых примесей и определение сухого остатка латекса.............................................................................................................................40

2.3.2. Очистка полимерных частиц от не связанных ковалентно люминофоров и нафталина.....................................................................................................................................40

2.3.4. Определение размера частиц методом электронной микроскопии..........................42

2.3.5. Определение размера и ^-потенциала частиц методом динамического светорассеяния.............................................................................................................................42

2.3.6. Определение удельной поверхности частиц...............................................................43

2.3.7. Кондуктометрическое титрование поверхностных функциональных групп...........43

2.3.8. Изучение спектров поглощения и люминесценции растворов люминофоров и пленок на основе люминофорсодержащих частиц..................................................................44

2.4. Изучение специальных свойств полимерных частиц и их структур...............................44

2.4.1. Связывание белка поверхностью полимерных частиц...............................................44

2.4.2. Исследование адсорбции нафталина полимерными частицами с молекулярными отпечатками..................................................................................................................................45

2.4.3. Определение хемосорбции флуоресцеин изотиоцианата по алифатическим аминогруппам частиц..................................................................................................................45

2.4.4. Физические методы исследования тонких пленок на основе полимерных частиц.46

2.4.5. Тестирование сенсорных свойств матриц из полимерных частиц в ЦФ РАН.........47

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.......................................................................49

3.1. Монодисперсные частицы сополимеров метилметакрилата и стирола с N-винилформамидом.......................................................................................................................49

3.1.1. Эмульсионная сополимеризация ММА и стирола с N-винилформамидом под действием азоинициаторов с катионными группами..............................................................49

3.1.2. Самосборка частиц П(Ст-ВФА) и ЩММА-ВФА)......................................................65

3.2. Модификация монодисперсных полимерных частиц.......................................................69

3.2.1. Модификации моно дисперсных полимерных частиц П(ММА-ВФА) бычьим сывороточным альбумином....................................................................................................69

3.2.2. Ковалентное присоединение ФИТЦ по поверхностным аминогруппам частиц и оптические свойства матриц на их основе............................................................................71

3.2.3. Модификация поверхности частиц за счет ионного обмена катионов люминофоров и оптические свойства матриц на их основе.........................................................................74

3.2.4. Модификация полимерных частиц люминофором в процессе синтеза...................80

3.2.5. Применение технологии молекулярного импринтинга в синтезе сшитых люминофорсодержащих частиц ядро-оболочка с полиароматической матрицей............88

3.2.6. Сшитые частицы ядро-оболочка с метакрилатной матрицей и группировками Нильского красного для молекулярного распознавания спиртов.....................................101

3.2.7. Влияние природы полимерной основы частиц с Нильским красным, ковалентно связанным в их оболочке, на сенсорные свойства их слоев..............................................109

3.2.8. Применение метода молекулярного импринтинга для формирования частиц ядро-оболочка с молекулярными отпечатками нафталина...............................................117

3.3. Заключение..........................................................................................................................124

ВЫВОДЫ................................................................................................................................126

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................................127

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................................................................145

ВВЕДЕНИЕ

В последнее десятилетие одним из основных направлений развития нанотехнологии является создание новых функциональных систем и материалов путем сборки организованных структур из множества однородных или различных наноблоков [1-5]. Монодисперсные полимерные частицы являются перспективными исходными материалами для этих целей, они также находят применение в качестве реакторов и темплатов для производства высокодисперсных нано- и микроструктур [6-9]. Для создания на основе таких частиц новых структурированных материалов для оптоэлектроники и хемосенсорики важно направленное регулирование процесса их самоорганизации. Для этого необходима разработка методов синтеза монодисперсных полимерных частиц с заданными размером, функциональностью, гидрофильно-гидрофобными свойствами и стабильностью поверхностной структуры. До сих пор для самосборки применяли полимерные частицы, полученные с использованием ионогенных сомономеров (метакриловой кислоты или стиролсульфоната натрия), которые обеспечивали отрицательный поверхностный заряд поверхности частиц и ее гидрофилизацию. Из отрицательно заряженных монодисперсных частиц сополимеров стирола с метакриловой кислотой в ИВС РАН были сформированы пространственно-периодические твердотельные структуры, проявляющие свойства фотонных кристаллов [10-12]. Для создания нового поколения структурированных материалов из монодисперсных частиц целесообразно также введение в их поверхностный слой функциональных групп, обеспечивающих положительный заряд. Кроме того, введение ковалентно связанных люминофоров в монодисперсные полимерные частицы необходимо для формирования на их основе фотонных кристаллов, в которых находится источник люминесценции. Такие трехмерно-упорядоченные матрицы могут также служить распознающими материалами для оптических сенсоров, в которых оптический отклик формируется за счет сольватации люминофора аналитом (сольватохромный эффект) [1316]. Известно, что применение метода молекулярного импринтинга позволяет повысить селективность сенсорного материала. Формируемые этим методом молекулярные отпечатки органических молекул, комплементарные им по размеру, форме и функциональности, связывают и удерживают такие молекулы в полимере за счет комплекса нековалентных взаимодействий [17-19]. Однако этот метод до сих пор не был использован для создания сайтов молекулярного распознавания с участием люминофоров в оболочке полимерных частиц. Новые типы люминофорсодержащих монодисперсных полимерных частиц с амфотерной поверхностью перспективны как носители биолигандов для проведения иммуноанализа с оптической регистрацией результата.

В связи с вышесказанным, разработка методов синтеза новых типов монодисперсных полимерных частиц с функциональными группами и люминофорами, локализованными в их объеме или поверхностном слое, в том числе частиц типа ядро-оболочка с сайтами молекулярного распознавания летучих органических соединений, а также формирование путем их самосборки трехмерно-упорядоченных матриц, проявляющих сенсорные и фотонно-кристаллические свойства, - новых материалов для хемосенсорики и оптоэлектроники является актуальной задачей.

Работа выполнена в соответствии с планами НИР ИВС РАН, а также по ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (Индустрия наносистем и материалов) и Научным программам Президиума РАН («Наноструктуры в полимерных системах, перспективных для оптоэлектроники», «Органические и гибридные наноструктурированные материалы для фотоники», «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов»).

Цель работы состояла в разработке методов синтеза функциональных монодисперсных полимерных частиц на основе сополимеров стирола и метилметакрилата с 1Ч-винилформамидом, метакриловой кислотой, а также со сшивающими агентами и формирование из полученных частиц трехмерно-упорядоченных матриц, в том числе проявляющих свойства сенсорных материалов с оптическим откликом на аналит. В ходе исследования решались следующие задачи:

• Синтез монодисперсных частиц, в том числе со структурой типа ядро-оболочка, с амино- и/или карбоксильными группами гетерофазной (со)полимеризацией стирола (Ст) и метилметакрилата (ММА) с К-винилформамидом (ВФА), метакриловой кислотой (МАК), а также со сшивающими агентами.

• Исследование хемосорбции частицами сополимера метилметакрилата с Ы-винилформамидом модельного биолиганда (бычий сывороточный альбумин).

• Разработка методов введения люминофоров в объем и поверхностный слой монодисперсных полимерных частиц.

• Применение метода молекулярного импринтинга для введения в оболочку частиц сайтов молекулярного распознавания летучих органических веществ.

Научная новизна.

Разработан новый метод получения нано- и субмикронных монодисперсных частиц сополимеров метилметакрилата и стирола с 1М-винилформамидом путем их эмульсионной

сополимеризации под действием азоинициаторов с амидиновыми и имидазолиновыми группами с последующим снятием защиты с поверхностных функциональных групп, который позволяет варьировать соотношение карбоксильных и аминогрупп. Амфотерная поверхность полученных частиц обеспечивает их модификацию биолигандами, люминофором, а также эффективную самосборку в дисперсиях и на твердых подложках с образованием трехмерно-упорядоченных структур.

Впервые с применением метода молекулярного импринтинга и затравочной эмульсионной сополимеризацией основных мономеров, сшивающих агентов, а также люминофорсодержащих сомономеров на основе Родамина Б и Нильского красного получены монодисперсные частицы типа ядро-оболочка с сайтами молекулярного распознавания спиртов (С1-С4) и ароматических соединений (бензол, толуол, нафталин).

Практическая значимость.

Полученные частицы перспективны для использования в различных областях нанотехнологии, хемосенсорики, иммуноанализа. Так, монодисперсные частицы сополимеров метилметакрилата и стирола с Ы-винилфорамидом, модифицированные флуоресцеин изотиоцианатом, успешно применены в НИИ экспериментальной медицины СЗО РАМН в качестве флуоресцентных частиц для исследования функциональной активности лейкоцитов периферической крови методом проточной цитофлуориметрии. Сшитые люминофорсодержащие монодисперсные частицы типа ядро-оболочка с сайтами молекулярного распознавания низших спиртов и ароматических соединений, использованы в Центре фотохимии РАН для создания методом струйной печати панелей сенсорных матриц, дающих оптический отклик на присутствие целевых аналитов в газовой фазе. Трехмерно упорядоченные матрицы, сформированные самосборкой люминофорсодержащих монодисперсных частиц, использованы в Физико-техническом институте РАН как модельные объекты для изучения фотонно-кристаллических эффектов.

Положения, выносимые на защиту:

• Варьирование состава реакционной смеси в процессе эмульсионной сополимеризации метилметакрилата и стирола с ]Ч-винилформамидом под действием азоинициаторов с амидиновыми и имидазолиновыми группами позволяет синтезировать нано- и субмикронные монодисперсные частицы П(ММА-ВФА) и П(Ст-ВФА), которые после гидролиза их поверхности приобретают амфотерные свойства, определяемые присутствием в их поверхностном слое карбоксильных и аминогрупп в различном соотношении.

• Наличие рекционноспособных функциональных групп на поверхности частиц П(ММА-ВФА) и П(Ст-ВФА) позволяет проводить ковалентное связывание люминофора

(флуоресцеин изотиоцианат) и биолигандов. Возможность образования межчастичных ион-ионных и водородных связей с участием амино- и карбоксильных групп способствует самосборке таких частиц в дисперсиях и на твердых подложках и формированию трехмерно-упорядоченных структур.