CN101235150A - 一种实时监控表面引发的高分子膜生长的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实时监控表面引发的高分子膜生长的方法及装置，其为利用石英晶体微天平在液体环境下实时监控表面引发的高分子膜的生长。该方法是将表面生长有引发剂的QCM芯片放入QCM传感器腔室中，通入不完全反应液达到稳定的起始基线，然后通入完全反应液并记录QCM监测到的频率F以及完全反应液切换前后的频率变化ΔF；同时使用椭圆偏振仪测量分析反应后芯片上生成的高分子膜厚，作出频率变化ΔF－膜厚线性对应的曲线。这种方法可以准确、简便地控制表面引发的高分子反应，从而控制最终得到的表面修饰膜的厚度精确到10^－10米。

Description

一种实时监控表面引发的高分子膜生长的方法及装置

技术领域

本发明属于表面高分子合成修饰领域，具体地说是涉及一种实时监控表面引发的高分子膜生长的方法，及装置。

背景技术

表面引发的高分子反应(Surface-Initiated Polymerization，以下简称SIP)是一种新型的表面修饰(“grafting from”，即“接枝于”)方法。和传统的接枝法(“grafting to”，即“接枝到”)相比，SIP方法较少受到浓度梯度障碍的困扰，因此可以用来制备更大密度(0.6链/纳米²)和更厚的膜(大于100nm)，从而对于用传统的接枝法无法达到的密度(＞0.06链/nm²)的高分子层和表面的性质可以进行进一步的研究和更好的利用。例如，作为可控的高分子聚合方法，表面引发的原子转移自由基聚合反应(Surface InitiatedAtom Transfer Radical Polymerization，以下简称SI-ATRP)，是在表面引发的，能针对性地控制目标高分子的膜厚、密度、组成(如嵌段聚合物)等具体性质。在文献1：Zhao，B.；Brittain，W.J.Macromolecules 2000，33，8813-8820中公开了用序列碳正离子聚合和SI-ATRP的方法制备的嵌段共聚物，其能组成纳米图案，在浸入不同溶剂中接触角会相应变化。这类新型的表面引发的高分子层不仅有重要的科学意义，而且给相关科学技术领域的发展带来很大的促进。例如，可作为表面高分子修饰的手段广泛运用于耐刻蚀、胶体稳定性、生物传感器、生物材料和纳米/微米加工等领域。

由于现有的分析技术的制约，很少有人从动力学角度关注SI-ATRP的研究。对于溶液聚合，一般是采用在聚合的过程中取样，然后利用诸如核磁共振之类的相关手段来研究反应的动力学过程。这种方法不适用于SIP的一端固定在表面生长的高分子。

或是如文献2：Matyjaszewski，K.；Miller，P.J.；Shukla，N.；Immaraporn，B.；Gelman，A.；Luokala，B.B.；Siclovan，T.M.；Kickelbick，G.；Vallant，T.；Hoffmann，H.；Pakula，T.Macromolecules 1999，32，8716-8724中所公开的，在SIP过程中加入自由引发剂，以研究溶液聚合过程来近似地研究SIP过程，但已证明SIP因为有一端固定生长，它与溶液聚合的动力学过程并不相同。

理论上，也可以采用在不同时间点，逐一取出同一批相同条件SIP反应的芯片的方法来进行动力学研究，但实际操作上，对SI-ATRP反应而言，这样会破坏体系所必需的无氧条件。而且如文献3：Ma，H.；Hyun，J.；Stiller，P.；Chilkoti，A.Adv.Mater.2004，16，338-341中所公开的，这种方法采用离线表征方法，通常需要做一系列的实验，非常繁琐。更为重要的是，由于SI-ATRP的内在机理性原因，反应的可重复性很低。例如应用石英晶体微天平(以下简称QCM)监测在五次完全相同条件下的SI-ATRP反应(单体为寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯，引发剂为如硫醇ω-mercaptoundecyl bromoisobutyrate)，进行30分钟到240分钟的反应，得到的5条F-t曲线，如图l所示，5条曲线没有重叠。这是因为在SIP的引发阶段，即使在相同的条件下，不同次的反应仍有很大区别，尤其对于有机溶剂和无减活性剂的体系，所以在此阶段使用传统的逐次取点法得到的经验曲线的重复性很差，从而影响了该方法的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实时监控表面引发的高分子膜生长的方法和装置，该方法利用石英晶体微天平在液体环境下实时监控表面引发的高分子膜的生长，可以准确、简便地控制表面引发的高分子反应，从而控制最终得到的表面修饰膜的厚度精确到10^-10米。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供一种实时监控表面引发的高分子膜生长的方法，包括如下的步骤：

1)按照常规方法在QCM芯片的表面通过共价键固定引发剂，然后将该表面生长有引发剂的QCM芯片放入QCM传感器腔室中，通入氮气保护5-35分钟；

所述的引发剂为任何可以在表面引发生长高分子膜的引发剂，如在文献4：Matyjaszewski，K.；Xia，J.H.Chem.Rev.2001，101，2921-2990中公开的，包括溴代异丁酸-ω-巯基十一烷基酯ω-mercaptoundecyl bromoisobutyrate、11-(2-溴)丙酰氧基十一烷基三氯硅烷(11-(2-Bromo)propionyloxy)undecyltrichlorosilane、11-(2-溴-2-甲基)丙酰氧基十一烷基三氯硅烷(11-(2-Bromo-2-methyl)propionyloxy)undecyltrichlorosilane等。

2)通入不完全反应液(incomplete reaction mixture，以下简称IRM)0到10分钟，达到稳定的起始基线；

所述的不完全反应液只含溶液和单体，不含催化剂；

所述的单体包括寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯(OEGMA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸乙酯(EMA)等；

3)然后以50-90mL h^-1速度通入完全反应液(complete reaction mixture，以下简称CRM)，1-2分钟后管路由无色变为红色，即CRM进入完全后，将CRM流速降到1-10mL h^-1，在25℃反应，将CRM切换为IRM终止反应，并达到稳定的终止基线；在此过程中记录QCM监测到的频率F以及CRM切换前后的频率变化ΔF；同时使用椭圆偏振仪测量分析反应后芯片上生成的高分子膜厚Thickness；

所述的完全反应液是在步骤2)所述的不完全反应液中加入了催化剂；

4)重复步骤1)-步骤3)，步骤3)中CRM通入的反应时间从10-1440分钟不等，至少4次后，根据所得到的ΔF和Thickness的实验值，作出频率变化(ΔF)-膜厚(Thickness)线性对应的曲线，并确定下式中的k值；

$\mathrm{Thickness}=k\×\frac{-\mathrm{\ΔF}}{n},n=3$

5)当进行实时监控表面引发的高分子膜生长时，重复步骤1)-3)，根据步骤4)得到频率变化(ΔF)-膜厚(Thickness)线性对应的曲线的k值，计算出欲得到的膜厚所对应的频率变化ΔF，在QCM传感器腔室中观测到的该ΔF时将CRM切换为IRM，终止反应，即可得到表面修饰膜的厚度在50nm以内的、精确到10^-10米的表面引发的高分子膜。

本发明提供的实时监控表面引发的高分子膜生长的方法，还包括在步骤1)之前，在QCM芯片表面上进一步镀上金属或无机材料的镀层，优选金和硅；然后再按照常规方法在该QCM芯片的表面通过共价键固定引发剂。

本发明提供的实时监控表面引发的高分子膜生长的方法，还可在石英晶体微天平的传感器腔室和蠕动泵之间串连一反应室，并在反应室中放有一片以上的、连接了与传感器腔室中同样引发剂的QCM芯片，即可通过对石英晶体微天平的传感器腔室的监控，来实现对反应室中的芯片同时监控。

本发明提供一种实时监控表面引发的高分子膜生长的装置，如图2所示，包括一被管路依次连通的储液池1、石英晶体微天平的传感器腔室2、反应室3和蠕动泵4，反应液在此管路中流动，所述的石英晶体微天平的传感器腔室和反应室中放有连接了同样引发剂的芯片5。

与现有技术采用逐次取点法相比，本发明利用QCM提供的实时监控表面引发的高分子膜生长的方法有很多优点。

1)可以实现实时监控。由于微天平的取样频率，决定了本方法约每半秒即可以得到一个数据点，而传统的逐次取点法至少需要10min的间隔；

2)精确度高。因为已被证明，在SIP的引发阶段，即使在相同的条件下，不同次的反应仍有很大区别，尤其对于有机溶剂和无减活性剂的体系，所以在此阶段使用传统的逐次取点法得到的经验曲线的重复性很差，从而影响了该方法的实际应用。而本发明的方法避免了高分子反应的不确定性，利用了石英晶体的频率变化和高分子膜厚之间存在的简单的线性关系，并通过与单体有关的k值，可以精确的控制膜的厚度，其膜厚可以精确到

(10^-10米)级，时间精确到秒，从而为需要精确控制膜厚到纳米级别的应用提供了一种新的方法，有很广泛的工业应用；

3)本发明中k值由包括单体结构，高分子结构，反应溶液和温度等在内的多个因素综合决定，在膜厚小于50nm的范围内，k为一固定的常数，即频率一膜厚呈线性变化，便于实时监控反应的进程。

附图说明

图1为QCM对多次SI-ATRP得到的监测曲线；其中，曲线1、2、3、4和5分别代表反应时间为30、120、60、80和240分钟的监测曲线；

图2为本发明进行实时监控表面引发的高分子膜生长的QCM装置示意图；其中，1储液池，2石英晶体微天平的传感器腔室，3反应室，4蠕动泵，5连接了引发剂的芯片，6废液池；

图3为实施例1中表面引发的寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯膜的频率一时间曲线；

图4为实施例1中表面引发的寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯膜的频率变化(ΔF)-膜厚(Thickness)线性对应的曲线；

图5为实施例1中根据图3中的频率-时间曲线按图4所示的线性关系转化后得到的膜厚-时间曲线；

图6为实施例2中不同单体的频率变化(ΔF)-膜厚(Thickness)线性对应的曲线。

具体实施方式

本发明使用的引发剂溴代异丁酸-ω-巯基十一烷基酯ω-mercaptoundecylbromoisobutyrate、11-(2-溴)丙酰氧基十一烷基三氯硅烷(11-(2-Bromo)propionyloxy)undecyltrichlorosilane、11-(2-溴-2-甲基)丙酰氧基十一烷基三氯硅烷(11-(2-Bromo-2-methyl)propionyloxy)undecyltrichlorosilane和QCM芯片均购自杭州东伟生物技术有限公司。

本发明中所有的QCM芯片用UV/Ozone清洗机清洗，该UV/Ozone清洗机为BioForce Nanosciences，IA，USA。

石英晶体微天平为Q-Sense E4传感器，Q-Sense，Gothenburg，Sweden。

椭圆偏振：膜厚由M-2000V型分光椭圆偏振测量仪(J.A.Woollam Co.，Inc)测量，测量角度为65°，70°和75°，测量波长为400nm到800nm。

实施例1、使用本发明的方法实时监测表面引发的寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯的聚合

将储液池1、石英晶体微天平的传感器腔室2和蠕动泵4依次用管路连通，装好本发明的用于实时监控表面引发的高分子膜生长的装置。

按照文献5：Bain，C.D.；Evall，J.；Whitesides，G.M.J.Am.Chem.Soc.1989，111，7155-7164中报道的方法，在购买的QCM芯片表面引入用于寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯的聚合的引发剂。具体步骤为：将QCM芯片的镀金表面用UV/Ozone清洗机进行臭氧紫外线清洗，除去表面杂质；清洗后立即浸入含有浓度为1毫摩尔的引发剂溴代异丁酸-ω-巯基十一烷基酯ω-mercaptoundecyl bromoisobutyrate的乙醇溶液中，过夜，即可得到覆盖了致密的引发剂自组装单层的QCM芯片，然后将此芯片置入Q-Sense E4传感器，通入氮气保护15分钟。

同时准备好IRM和CRM。IRM按照下述比例配置而成：水和甲醇的混合液(15mL，水和甲醇的体积比为1∶2)，和单体-寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯(M_n＝475，OEGMA475)(8mmol，0.42M)，并保存在惰性气体中；CRM为在IRM的基础上加入催化剂，CuBr(36mg，0.25mmol)和联吡啶(78mg，0.5mmol)配置而成，呈暗红色液体，保存在惰性气体中。IRM和CRM使用前均先通氮气除氧15分钟。

反应装置氮气保护15分钟后，通入IRM，0到10分钟后得到稳定的起始基线。然后70mL h^-1速度通入CRM，2分钟后管路由无色变为红色，即CRM进入完全后，将CRM流速降到lmL h^-1，在25℃反应，将CRM切换为IRM终止反应，并达到稳定的终止基线。在此过程中记录QCM监测到的频率F随时间的变化，如图3所示。在10分钟处，频率(F)下降，这主要是由于高分子反应的瞬时引发。反应引发后，原子转移的可控高分子反应(ATRP机理)使得F持续下降。将CRM切换为IRM后，F很快到达稳定态。证明高分子反应完全终止且高分子层没有解吸附现象。终止基线和起始基线之间的差值即为由于高分子反应造成频率变化(ΔF)。

将芯片取出，用甲醇，去离子水清洗，在氮气流下吹干，使用椭圆偏振仪测量分析膜厚(Thickness)。

使用新的芯片，重复上述IRM-CRM-IRM过程，CRM通入的反应时间从10-1440分钟不等，至少4次后，根据所得到的ΔF和Thickness的实验值，就能得到一条频率变化(ΔF)-膜厚(Thickness)线性对应的曲线，如图4所示。图中存在简单的线性关系，可用以下等式表示：

$\mathrm{Thickness}=k\×\frac{-\mathrm{\ΔF}}{n}$

式中n是泛音数(Overtone number)，n＝3，厚度为椭圆偏振仪数据模型拟和得到的，Poly(OEGMA)采用Cauchy模型，(An，Bn)为(1.46，0.01)，样品厚度值为三个位置测量值的平均，报道结果为平均值±标准差。

最后，由图4可知，k＝0.0609。

当进行实时监测芯片表面引发的寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯的聚合时，重复上述IRM-CRM-IRM过程，根据图4中频率变化(Δf)-膜厚(Thickness)线性对应的曲线的线性关系，将图3中的频率-时间曲线转化后得到如图5所示的膜厚-时间曲线，这样，即可计算出欲得到的膜厚所对应的频率变化ΔF，在QCM传感器腔室中观测到的该ΔF时将CRM切换为IRM，终止反应，即可得到表面修饰膜的厚度在50nm以内的、精确到10^-10米的表面引发的高分子膜。例如，需要得到25nm寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯聚合膜，可根据图4，在对应频率为450Hz时将CRM切换为IRM，终止反应。

当需要同时对多片芯片进行实时监控表面引发的高分子膜生长时，如图2所示，在QCM传感器和蠕动泵之间串连一需监控的反应室3，将同样的生长了引发剂硫醇的镀金芯片5分别置于所述的石英晶体微天平的传感器腔室和反应室中，QCM传感器腔室中观测到的ΔF实时对应于反应室中生长的膜厚，根据图4得到的k值，将在欲得到的膜厚处将CRM切换为IRM，终止反应，即可最终得到表面修饰膜的厚度在50nm以内的、精确到10^-10米的寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯的聚合膜。

实施例2、使用本发明的方法实时监测表面引发的其它单体的聚合

本发明的方法对其他单体也同样适用，在极限厚度为50nm以内，得到的实验结果如图6所示，并列于表1。

在椭圆偏振仪数据模型拟和膜厚时，引发剂自组装单层的QCM芯片采用Cauchy模型，其(An，Bn)为(1.45，0.01)，PMMA采用制造商提供的模型。

表1、k值取决于单体

Claims (7)

1. 一种实时监控表面引发的高分子膜生长的方法，包括如下的步骤：

1)在石英晶体微天平芯片的表面通过共价键固定可以在表面引发生长高分子膜的引发剂，然后将该表面生长有引发剂的石英晶体微天平芯片放入石英晶体微天平的传感器腔室中，通入氮气保护；

2)通入不完全反应液0到10分钟，达到稳定的起始基线；

所述的不完全反应液只含溶液和单体，不含催化剂；

3)然后以50-90mL h^-1速度通入完全反应液至其进入完全后，将完全反应液的流速降到1-10mL h^-1，在25℃反应，将完全反应液切换为不完全反应液，终止反应，并达到稳定的终止基线；在此过程中记录石英晶体微天平监测到的频率F以及切换前后的频率变化ΔF；同时使用椭圆偏振仪测量分析反应后芯片上生成的高分子膜厚；

所述的完全反应液是在步骤2)所述的不完全反应液中加入了催化剂；

4)重复步骤1)-步骤3)，步骤3)中完全反应液通入的反应时间从10-1440分钟不等，至少4次后，根据所得到的ΔF和膜厚的实验值，作出频率变化ΔF-膜厚线性对应的曲线，并确定下式中的k值；

$\mathrm{Thickness}=k\×\frac{-\mathrm{\ΔF}}{n}$ n＝3

5)当进行实时监控表面引发的高分子膜生长时，重复步骤1)-3)，根据步骤4)得到频率变化ΔF-膜厚线性对应的曲线的k值，计算出欲得到的膜厚所对应的频率变化ΔF，在石英晶体微天平传感器腔室中观测到的该ΔF时将完全反应液切换为不完全反应液，终止反应，即可得到表面修饰膜的厚度在50nm以内的、精确到10^-10米的表面引发的高分子膜。

2. 如权利要求1所述的实时监控表面引发的高分子膜生长的方法，其特征在于：所述的引发剂为溴代异丁酸-ω-巯基十一烷基酯、11-(2-溴)丙酰氧基十一烷基三氯硅烷或11-(2-溴-2-甲基)丙酰氧基十一烷基三氯硅烷。

3. 如权利要求1所述的实时监控表面引发的高分子膜生长的方法，其特征在于：所述的步骤1)通入氮气保护的时间为5-35分钟。

4. 如权利要求1所述的实时监控表面引发的高分子膜生长的方法，其特征在于：所述的单体为寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、或甲基丙烯酸乙酯。

5. 如权利要求1所述的实时监控表面引发的高分子膜生长的方法，其特征在于：还包括在步骤1)之前，在石英晶体微天平芯片表面上进一步镀上金属或无机材料的镀层。

6. 如权利要求5所述的实时监控表面引发的高分子膜生长的方法，其特征在于：所述的镀层为金或硅的镀层。

7. 一种实时监控表面引发的高分子膜生长的装置，包括一被管路依次连通的储液池、石英晶体微天平的传感器腔室、反应室和蠕动泵，反应液在此管路中流动，所述的石英晶体微天平的传感器腔室和反应室中放有连接了同样引发剂的芯片。

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