复旦大学陈道勇课题组利用石英晶体微天平研究蝌蚪状单链粒子的接枝动力学和应用

来源：佰奥林（上海）贸易有限公司更新时间：2024-07-09 18:15:11 阅读量：93

导读：本文作者使用耗散型石英晶体微天平QSense QCM-D）对聚合物刷的吸附动力学进行了更细致的监测.

点击上方“”可订阅哦！

聚合物刷已经被广泛应用于表面润滑、生物防污和调控表面能等方面，但是往往存在制备复杂、接枝密度不高和长时间稳定性不足的难题。蝌蚪状单链粒子（TSCP）是一种对两嵌段共聚物进行链内交联形成的Janus粒子，具有动态稳定性和环境响应性，因而在聚合物刷的制备方面受到了广泛的关注。

蝌蚪状单链粒子的链内交联区域为“头部”，而未交联的线性高分子链为“尾巴”。通过对自由体积显著收缩的“头部”进行功能化，使“头部”有几十甚至上百个相互作用基团，可以获得具有高密度活性基团的蝌蚪状单链粒子。在接枝过程中，“头部”与表面协同多种非共价弱相互作用，从而可在活性或惰性表面上制备稳定且均匀的聚合物刷，避免了传统“Grafting From”的制备复杂性。此外，由于“头部”塌缩后较小的尺寸，占据的表面积较小，这使得单位面积可以容纳足够多的蝌蚪状单链粒子，从而实现高密度接枝。进一步，当“尾巴”的分子量足够大时（~ 575 kg/mol），可以有效地覆盖“头部”与接枝表面，从而形成均匀且致密的覆盖层，解决了传统“Grafting To”的低密度接枝难题。另外，使用蝌蚪状单链粒子作为接枝单元，可以正交控制“头部”与表面的相互作用以及聚合物刷的特性。课题组利用耗散型石英晶体微天平对蝌蚪状单链粒子的接枝动力学与稳定性进行了细致的表征。该工作以“Stably Grafting Polymer Brushes on Both Active and Inert Surfaces Using Tadpole-Like Single-Chain Particles with an Interactive “Head” ”为题，于2024年在线发表在ACS Macro Letters杂志上，第一作者为博士生赵晓雅，研究获益于李达华博士的核心数据支撑。

通过聚苯乙烯-b-聚（4-乙烯基吡啶）（PS-b-P4VP）嵌段的P4VP链内交联制备得到蝌蚪状单链粒子（TSCP），可在硅片表面实现均匀接枝（图1）。在接枝过程中，通过“头部”与表面之间的多种相互作用的协同作用，“头部”可以牢固地粘附在活性表面和惰性表面上；即使是接枝到惰性表面上，通过多种弱相互作用的集合和协同作用，TSCPs 仍能实现稳定的接枝（图2）。

图1 (A) TSCP的化学结构及接枝过程；
(B) TSCP在不同倍率下的AFM高度图

图2 TSCP在活性表面和惰性表面的接枝示意图

使用带耗散的石英晶体微天平（QCM-D）对聚合物刷的吸附动力学进行了更细致的监测（图3A），流速均为10 μL min^-1。TSCP-1依次经历了快速吸附和慢速构象重排，在构象重排过程中，?D略有下降，表明松散吸附的TSCP-1层重组为紧密层。经DMF冲洗后，少量弱吸附的TSCP-1被去除，?f略有增加。TSCP-1刷比季铵化的PS-b-P4VP（SV-Q-1）刷吸附更紧密，在相同的?f下，ΔD更低（图3B），说明吸附紧密的聚合刷能量损失更少，因此耗散略有变化。在依次用DMF、甲苯、氯仿、甲醇冲洗刷并返回DMF后，Δf和ΔD最终恢复到第一次DMF冲洗时的初始值，这表明TSCP-1刷接枝具有极佳的稳定性（图3C）。使用Kelvin-Voigt粘弹性模型计算得出，与SV-Q-1刷（8.6 nm，857.3 ng/cm²）相比，紧密吸附的TSCP-1刷的水合厚度更厚，水合质量更大（13.1 nm，1314.9 ng/cm²）（图3D, E），表明TSCP-1和SV-Q-1刷具有截然不同的吸附姿态。

图3 (A) TSCP-1和SV-Q-1的QCM-D吸附动力学，接枝浓度均为为0.2 mg/mL；(B) TSCP-1和SV-Q-1接枝过程中的ΔD vsΔf图；(C) QCM-D监测TSCP-1聚合物刷的溶剂稳定性；TSCP-1和SV-Q-1在DMF中吸附的QCM-D厚度(D)和水合质量变化(E)。

上述研究表明，基于蝌蚪状单链粒子的多位点非共价协同接枝能够通过简单的溶液浸泡方法制备高密度且均匀的聚合物刷。基于这一成果，课题组通过分子设计实现了高性能生物防污表面的设计，并以“具有抗蛋白黏附与抗菌性能的蝌蚪状单链粒子刷的构筑”为题，于2024年在线发表于高分子学报，第一作者为直博生朱杰，受到了李达华博士的大力支持。材料表面受到细菌和硅藻等微生物附着和生长会迅速降低材料的生物相容性、力学性能和使用寿命，因此，“生物防污”在医疗植入器械和航海工业等领域具有重要意义。当前实现“生物防污”的主要策略之一是在材料表面接枝聚乙二醇（PEG）刷。然而，由于PEG刷难以原位聚合，现有的制备方法主要采用“Grafting To”策略，存在操作便捷性、稳定性和抗蛋白黏附性能的权衡。

采用“静电介导”法制备了聚乙二醇-b-聚(4-乙烯基吡啶)蝌蚪状单链粒子（TSCP-Q），并通过简单的溶液浸泡获得了均匀的PEG刷（图4）。利用耗散型石英晶体微天平（QCM-D）跟踪了TSCP-Q在氧化硅芯片表面的吸附动力学。基于TSCP-Q与氧化硅表面的多位点协同作用，其接枝过程体现出“快吸附-慢调整”的特性。进一步，利用QCM-D跟踪牛血清蛋白（BSA）在TSCP-Q修饰表面的吸附动力学。相较于未修饰的表面，TSCP-Q刷修饰表面的BSA吸附量显著减少，且吸附平衡时间明显缩短。这是由于均匀PEG刷的体积排斥、快速构象转变以及紧密水合层，可以有效抵抗BSA粘附（4.8 ng/cm²）（图5, 6）。

图4 (A) TSCP-Q的化学结构；(B) TSCP-Q接枝后的硅片表面具有良好的“生物防污”功能

图5 (A) TSCP-Q在在氧化硅芯片表面的吸附动力学曲线；(B) BSA在TSCP-Q刷表面的吸附动力学曲线；(C)TSCP-Q刷抗蛋白粘附的性能比较图

图6 TSCP-Q刷的抗蛋白粘附示意图

利用金黄色葡萄球菌（S. aureus）对TSCP-Q接枝的硅片表面进行抗菌评价。由于TSCP-Q的“尾部”PEG能够动态穿透细胞膜，并促进细菌与TSCP-Q“头部”的高密度季铵盐接触，所以TSCP-Q修饰的硅片对S. aureus体现出良好的抗菌性（81%）（图7, 8）。

图7 TSCP-Q刷的抗菌示意图

图8 TSCP-Q刷的抗菌性能

总结：基于对多位点非共价协同作用的理解和QCM-D表征，上述研究提出了一种通用的制备蝌蚪状单链粒子刷的新方法。利用这一方法制备的聚合物刷具有高密度、均匀分布且分子量较大的特点，不仅成功地解决了传统“Grafting To”低密度和“Grafting From”不均匀的学术难题，还为各类功能表面的构筑提供了高效的解决途径。

导师简介：

陈道勇教授

陈道勇博士2000年加入复旦大学高分子科学系，2005年晋升教授。2008年获国家自然科学基金杰出青年基金赞助，2011年入选“上海市优秀学科带头人”，并获国家自然科学二等奖（第二获奖人）。陈道勇目前担任《Macromolecular Rapid Communications》、《化学通报》编委，已在Acc. Chem. Res.、Prog. Polym. Sci.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Macromolecules、ACS Macro Lett.等期刊上发表论文100余篇。

黄霞芸副教授

黄霞芸博士2016年加入复旦大学高分子科学系，任青年副研究员。2021年晋升为副教授，任聚合物分子工程国家重点实验室固定研究人员。她在2014年获得美国德州农工大学博士学位，研究功能性杂化聚电解质多层膜的制备。随后，加入Experimental Soft Matter实验室从事胶体液晶的博士后研究。她的研究方向是聚合物Janus纳米粒子的高效制备及其功能化应用。主持国家自然科学基金面上基金和青年基金，获上海市浦江人才项目以及Journal of Material Chemistry A新锐科学家称号。以第一作者或通讯作者在ACS Macro Lett.、Chem. Commun.等期刊上发表论文30余篇。

原文链接：

Xiaoya Zhao, Dahua Li, Jie Zhu, Yanbin Fan, Jiayin Xu, Xiayun Huang, Zhihong Nie, Daoyong Chen. Stably Grafting Polymer Brushes on Both Active and Inert Surfaces Using Tadpole-Like Single-Chain Particles with an Interactive “Head”. ACS Macro Lett., DOI: 10.1021/acsmacrolett.4c00341

朱杰, 吴乃冰, 赵晓雅, 范艳斌, 黄霞芸, 陈道勇. 具有抗蛋白黏附与抗菌性能的蝌蚪状单链粒子刷的构筑. 高分子学报, 2024, 55, 900-909.

更多QSense 耗散型石英晶体微天平技术详情，请点击文末的阅读原文链接查看。

瑞典科技简介

瑞典科技有限公司是一家专注于表界面分析、薄膜制备与表征和分子间相互作用领域的先进科研仪器生产商，是该研究领域的开创者和领导者。应用领域涵盖表界面、材料科学、生物科学、药物开发与诊断等众多研究领域。我们为用户提供高科技、精准的科研设备，同时为用户提供全面的技术和应用支持，知识是我们最大的资源，也是我们所做一切的重要组成部分。我们的用户遍及全球权威科研单位和顶级实验室，是表界面科学领域的专家。通过为他们提供先进的表界面表征与分析仪器，我们与客户携手共进，旨在应对简化实验室日常工作的挑战。

24小时热线：4008336968。

产品目录：

QSense:

耗散型石英晶体微天平测量仪

追踪分子运动，实时表/界面表征

KSV NIMA:

LB(Langmuir-Blodgett)膜分析仪

气液/液液/气固界面有序单/多层结构组装表征

布鲁斯特角显微镜

无损实时监测空气/水界面处分子层的图像

界面剪切流变仪

高灵敏度测量液体界面处的流变性能

浸渍镀膜机

无振动，可程序控制的固体样品浸渍方案

Attension:

表面张力/接触角测量仪

测接触角/表面张力/表面自由能/临界胶束浓度

分享到：
扫码分享

佰奥林（上海）贸易有限公司

021-68370071

留言咨询

主营产品： LB膜 KSV NIMA LB膜制备系统光学接触角测量仪 Attention Theta Flow 光学接触角测量仪石英晶体微天平

产品中心技术文章行业资讯

上一篇: 观展邀请：百欧林参展中国材料大会2024

下一篇: 纯干货！一图读懂2025版中国药典《9628无菌药品包装系统密封性指导原则公示稿（第二次）》

参与评论

登录后参与评论

全部评论(0条)

登录或新用户注册

微信登录
密码登录
短信登录

请用手机微信扫描下方二维码
快速登录或注册新账号

微信扫码，手机电脑联动

注册登录即表示同意《仪器网服务条款》和《隐私协议》

相关产品推荐（★较多用户关注☆）

独立式KSV NIMA布鲁斯特角显微镜
报价：面议已咨询 3713次
石英晶体微天平
报价：面议已咨询 5191次
Q-Sense扩展版单通道石英晶体微天平
报价：面议已咨询 5155次
Q-Sensezhuo越版四通道石英晶体微天平
报价：面议已咨询 5701次
Q-Sense全自动八通道石英晶体微天平
报价：面议已咨询 5486次
Theta 光学接触角仪
报价：面议已咨询 4463次
Theta Lite 光学接触角仪
报价：面议已咨询 4755次
光学接触角形貌联用仪
报价：面议已咨询 4456次

你可能还想看

资讯
技术
百科
应用

复旦大学陈道勇课题组利用石英晶体微天平研究蝌蚪状单链粒子的接枝动力学和应用

本文作者使用耗散型石英晶体微天平QSense QCM-D）对聚合物刷的吸附动力学进行了更细致的监测.

2024-07-0993阅读
网络研讨会 | 应用耗散型石英晶体微天平（QCM-D）和接触角测量仪研究高压下的石油和天然气

2020-11-01202阅读
《石英晶体微天平-原理与应用》一书出版

2020-03-241393阅读
网络研讨会 | 石英晶体微天平(QCM-D)技术在唾液润滑研究中的应用

2020-04-08155阅读
使用石英晶体微天平实时研究蛋白质吸附、细胞附着和药物结合

2020-03-241141阅读

复旦大学陈道勇课题组利用石英晶体微天平研究蝌蚪状单链粒子的接

2024-07-11156阅读
单通道石英晶体微天平研究薄膜生长

2022-12-05262阅读
单通道石英晶体微天平常用研究方向

2022-12-09295阅读
单通道石英晶体微天平频率灵敏度的研究

2022-12-02239阅读
单通道石英晶体微天平应用的局限性

2022-11-29217阅读

石英晶体微天平应用

其主要原理基于石英晶体在施加电压下发生振荡，振动频率随质量的变化而变化。通过监测这种频率变化，能够实现对物质的高灵敏度检测和分析。随着技术的不断发展，石英晶体微天平的应用领域也不断扩展，从化学分析到生物传感、环境监测等多个行业，均得到了广泛的应用和认可。本文将详细探讨石英晶体微天平的工作原理及其在各个领域中的具体应用，帮助读者全面了解其应用价值。

2025-10-23166阅读石英晶体微天平
石英晶体微天平操作

它通过测量晶体的振动频率变化来检测微小质量的变化，这使其成为研究物质界面和分子交互作用的重要工具。本文将深入探讨石英晶体微天平的操作原理、应用领域以及实验操作中的关键要点，旨在帮助读者更好地理解如何利用该技术进行高效且准确的科学实验和研究。

2025-10-21121阅读石英晶体微天平
石英晶体微天平教程

它能够在微小质量变化时提供极高的灵敏度，因此在表面科学、分子互动、薄膜分析等研究中具有重要地位。本文将详细介绍石英晶体微天平的工作原理、应用领域以及如何正确操作这种仪器，以帮助读者更好地理解其功能及优势。

2025-10-23164阅读石英晶体微天平
石英晶体微天平使用

本文将详细探讨石英晶体微天平的工作原理、应用领域以及其在精确质量测量方面的独特优势。随着科学技术的发展，石英晶体微天平不仅能够满足实验室环境下对超微量物质的检测需求，还在材料科学、生命科学及环境监测等行业中发挥着越来越重要的作用。我们将深入分析这一仪器的基本原理与实际应用，展现其在多个行业中的核心地位。

2025-10-23192阅读石英晶体微天平
石英晶体微天平步骤

它广泛应用于表面科学、传感器技术、生物分析等领域，能够精确检测到微小质量变化。在本文中，我们将详细介绍石英晶体微天平的操作步骤，帮助研究人员和工程师更好地理解如何高效、准确地使用这一技术设备进行科学实验和数据采集。

2025-10-23133阅读石英晶体微天平