刷状聚合物是一种高度支化的大分子 ^[1]，其线性侧链以一种非常稠密的方式共价结合到聚合物主链上. 与线性高分子相比，刷状聚合物的侧链拥挤且具有圆柱体形的架构，在分子间排斥体积的相互作用下，具有较好的抗形变性和稳定性 ^[2]. 目前，比较成熟的刷状聚合物合成方法主要有3种 ^[3]：大分子单体的聚合、嫁接上支链和大分子引发剂侧链的聚合，如图1(a)所示. 然而，鲜有报道采用主客体自组装的方法来制备刷状聚合物的研究，如图1(b)所示.

环糊精(Cyclodextrin, CD)，特别是α-，β-和γ-环糊精具有广泛的实用价值，研究也最多^[4-5]. CD作为主体分子，能通过范德华力、亲疏水作用、氢键等相互作用与许多客体分子，如金刚烷(Ad)、二茂铁和紫杉醇等物质，自组装成包合物^[6].

图 1(Figure 1)

图 1 刷状聚合物的合成及主客体自组装原理 Figure 1 The Schematic Diagram of Synthesis and Host-guest Self-assemble of brush Polymer

目前，针对分子自组装的研究已形成一套较完整的表征手段 ^[7]，如：对于固态组装物而言，通过红外光谱和X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)的表征可得到自组装体系的结构信息 ^[8]；通过X射线衍射(X-Ray Diffraction, XRD)和示差扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC)得到热力学信息 ^[9]. 液态自组装物可通过中子散射实验获得需要的信息 ^[10]. 核磁、光谱学及滴定等方法也是获得平衡状态参数、动力学特征及结构信息的重要途径 ^[11]. 此外，原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)、扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope, STM)和扫描透射电子显微镜(Scanning Transmission Electron Microscope, STEM)等也可用于自组装体系的研究 ^[12]，如用来研究膜上分子的排列、取向及空间构象等. 但是，上述表征手段不能实时检测自组装过程的动态信息，不能有效分析自组装如何进行，也无法探究自组装过程中其他变量的变化和影响因素 ^[13]. 因此不能及时地反映主客体之间的相互作用关系. 石英晶体微天平 (Quartz Crystal Microbalance, QCM)是近年发展起来的一项新技术，是利用压电效应实时监测吸附层在表面形成过程的有效手段 ^[14-16]，由电极表面质量变化得到频率变化(ΔF)和耗散因子(ΔD)，能够实时检测界面上吸附层的质量和结构变化，因此能为描述和理解固/液界面高分子的吸附行为提供可靠的信息 ^[17-18]. 如果吸附层是呈刚性且足够薄，则吸附层的质量Δm可由Sauerbrey公式计算^[19]：

其中，N为频数，Δ $ f_{_N}$ 为该频数相应得到频率，c是Sauerbrey常数，当基频为5 MHz时，其值为18 ng·cm^–2·Hz^–1. 黏弹性吸附膜的动力学性质可通过厚度、密度、剪切黏度和剪切模量4个变量来分析. 本文利用β环糊精–金刚烷的包结作用仿生蛋白多糖瓶刷状聚合物的合成（见图1），再通过QCM研究β-环糊精修饰的壳聚糖与金刚烷甲酸聚乙二醇单甲醚酯的主客体自组装过程.

β-环糊精，纯度>99%，上海伯奥生物科技有限公司；壳聚糖，脱乙酰度≥90%，上海伯奥生物科技有限公司；1-金刚烷甲酸, 昆明市恒昌化工贸易有限公司.

β-环糊精修饰壳聚糖参照文献[20]的方法合成. 首先醛基化β-环糊精：将β-环糊精和IBX装入干燥的烧瓶中，加入无水二甲基亚砜，搅拌溶解完全后，在25 ℃下搅拌反应24 h，将溶液过滤，并加入丙酮使产物析出，再次过滤，真空干燥，得到白色产物. 将壳聚糖溶于0.2 mol·L^–1的乙酸和甲醇的混合液中，在氮气的保护下，加入一定量的的醛基化的β-环糊精，在60 ℃下反应24 h后，过滤，用0.5 mol·L^–1的氢氧化钠使产物沉淀析出，并依次用水、乙醇冲洗，真空干燥得到主体聚合物. ¹H-NMR(D₂O, TMS, δ)：9.12(-CH=N-), 5.13(C(1)H)，3.09和3.40-4.10（环糊精上C(2)H, C(3)H, C(4)H, C(5)H, C(6)H和(C₆H₁₁NO₄)N)，1.98(-CO-CH₃).

金刚烷甲酸聚乙二醇单甲醚酯参照文献[20]的方法合成. 将金刚烷甲酸装入烧瓶中，滴加草酰氯与二氯甲烷的混合液，反应3 h后，旋转蒸发得到金刚烷甲酰氯. 将金刚烷甲酰氯溶解于二氯甲烷，并滴加与聚乙二醇单甲醚的溶液，反应48 h，用乙酸乙酯对产物重结晶，真空干燥得到客体聚合物. ¹H-NMR(D₂O，TMS, δ)：4.12(-COOCH₂CH₂-)，3.76(-COOCH₂CH₂-), 3.27-3.6(-OCH₂CH₂O-, OCH₃)，1.60-1.97(C₁₀H₁₆).

配制1 mg·mL^–1β-环糊精修饰的壳聚糖的醋酸溶液（主体聚合物溶液），采用滴膜的方法在石英晶体电极片上成膜. 在滴膜时，预先在石英晶体电极片上滴一滴四氢呋喃溶液，并快速滴加一滴主体聚合溶液，室温干燥成膜并装入石英晶体微天平的样品池中待测.

采用石英晶体微天平(Q-Sense E4 system，Sweden)进行实时检测主客体聚合物的自组装过程. 首先配制10 mg·mL^–1金刚烷甲酸聚乙二醇单甲醚酯的水溶液（客体聚合物溶液）. 测量前以50 μL·min^–1的速度将去离子水通入到样品池中，待基线平衡时，开始通入客体聚合物溶液，以三频、五频、七频的频率(ΔF)和耗散因子(ΔD)随时间的变化曲线作为参考，待ΔF和ΔD达到一个平衡值，以最大的流速向组装后的样品池中通入去离子水一段时间，直到ΔF和ΔD不再变化之后，继续通入去离子水15 min.

石英晶体微天平是利用压电效应实时监测吸附层在表面形成过程的有效手段，根据频率变化(ΔF)可以精确测量石英晶体表面溶液或吸附膜纳克量级的质量变化. 耗散因子(ΔD)与石英晶体表面薄膜的黏弹性有关，可以反映薄膜的表面结构. 对于致密而刚性的薄膜来说具有较小的ΔD，而疏松且柔软的薄膜则具有较大的ΔD. 利用石英晶体微天平对β-环糊精修饰的壳聚糖与金刚烷甲酸聚乙二醇单甲醚酯的主客体自组装过程的实时检测，得到的ΔF和ΔD随着时间的变化关系如图2所示. 起初，随着客体聚合物溶液进入样品池中，ΔF大幅下降而ΔD显著上升，这是由客体聚合物上的金刚烷与石英晶体膜上的β-环糊精的包结作用引起，主客体自组装形成了新的膜层结构. 这一结果与¹H-NMR和紫外光谱的结果相一致^[20]：在H¹-NMR中，客体聚合物中金刚烷基团质子的化学位移δ为1.60~1.97，然而主客体聚合物发生自组装后，组装物中金刚烷基团质子的化学位移δ为1.53~1.90且减小；在紫外光谱中，组装后的β-环糊精的紫外吸收波长由197 nm红移至206 nm且吸收强度降低，金刚烷基团的紫外吸收峰强度也减弱，这主要原因是环糊精与金刚烷基团之间存在特定的包结络合作用，这种包结络合作用对金刚烷基团上的质子吸收具有屏蔽作用. 此外，小部分客体聚合物沉积吸附在石英晶体表面上. 当时间在25 min之后，ΔF和ΔD的变化都不大，说明包结作用进行到一定阶段后，已经吸附在膜上的客体聚合物阻碍了溶液中客体聚合物与β-环糊精的进一步包结作用，从而达到平衡. 125 min时，ΔF和ΔD稍微下降, 这是由于客体聚合物的持续通入，膜表面客体聚合物的堆积密度逐渐增大，导致膜的质量进一步增加. 225 min时，向样品池中通入去离子水时，ΔF上升而ΔD下降，直到再次达到平衡，这是由于膜上有少量客体聚合物只是通过简单的物理吸附作用附着在石英晶体膜上，因此用去离子水冲洗样品池时，物理吸附的客体聚合物被洗掉.

图 2(Figure 2)

图 2 ΔF和ΔD随时间的变化 Figure 2 Changes in Frequency Shift and Dissipation Factor of Host-guest Self-assembly Layer

根据吸附层质量及厚度随时间的变化曲线（见图3、图4）可知，最终吸附膜的质量为3 000 ng，厚度约为27.6 nm. 据此可推断，客体聚合物与石英晶体上的主体聚合物之间发生了包结作用，即主客体自组装反应，从而使频率降低，耗散增大，膜的质量增加，膜的结构变疏松.

图 3(Figure 3)

图 3 质量随时间的变化 Figure 3 Change in Quality of Host-guest Self-assembly Layer

图 4(Figure 4)

图 4 厚度随时间的变化 Figure 4 Changes in Thickness of Host-guest Self-assembly Layer

本文还通过ΔD-ΔF曲线，研究主客体自组装过程中高分子链的构象变化，曲线斜率越大，表示吸附层非刚性程度越大^[14]. 结果如图5所示. 从图中可以看出，起初，随着ΔF的降低ΔD成线性增加，说明通过β-环糊精与金刚烷的主客体自组装过程形成不可逆的吸附层，此时，自组装形成的吸附膜由于客体聚合物链较少并且可自由弯曲而呈现相对的柔性，可在膜表面以无规线团或伸展状态存在，因而吸附层刚性相对较大；随后，随着ΔF的减小，ΔD迅速增大，曲线斜率变大，说明形成的膜层刚性变弱，聚合物链的构象有所调整，此时，因自组装趋近饱和，客体聚合物链的密度增加，由于体积排斥效应，客体聚合物链趋向于伸展. 换言之，主客体聚合物之间发生了自组装反应，客体聚合物链接枝在石英晶体膜上，随着客体聚合物链接枝密度增加，体积排斥效应增大，客体聚合物链构象更趋向于伸展状态，形成刷状聚合物.

图 5(Figure 5)

图 5 ΔD对ΔF的变化关系 Figure 5 The Relation of Dissipation Factor and Frequency Shift for Host-guest Self-assembly Layer

本文采用石英晶体微天平研究了通过主客体自组装制备瓶刷状聚合物的过程，得到主客体自组装反应过程的动力学以及界面构象变化相关信息. 研究表明，在主客体自组装过程中存在两个动力学过程：一是主体聚合物上环糊精与客体聚合物上金刚烷的包结作用；二是主客体聚合物自组装趋近饱和时，客体聚合物分子链发生了构象变化. 石英晶体微天平是研究高分子在固/液界面吸附行为的有效手段，可以通过石英晶体微天平对主客体自组装进行深入的研究，探索更加有价值的信息.