一种聚电解质附近抗衡离子的吸附脱附速率常数的测定方法

摘要

本发明公开了一种聚电解质附近抗衡离子的吸附脱附速率常数的测定方法。所述测定方法包括如下步骤：1)利用荧光探针分子D标记聚电解质得到标记的聚电解质；2)配制标记的聚电解质与荧光探针分子A的水溶液；荧光探针分子D与荧光探针分子A之间能发生荧光共振能量转移；3)将激发荧光探针分子D的激光照射水溶液，对荧光探针分子D和荧光探针分子A所产生的荧光信号进行分光得到两束荧光信号，检测两束荧光信号并进行自关联和交叉关联分析得到关联函数，对关联函数进行拟合即得到聚电解质附近抗衡离子随主链的扩散信息以及相对于主链的吸附脱附速率常数信息。本发明测定方法能够在fL量级的空间进行测量，特别适合生物样品或者珍贵样品的研究。

说明书

技术领域

本发明涉及一种吸附脱附速率常数的测定方法，具体涉及一种聚电解质附近抗衡离子的吸附脱附速率常数的测定方法。

背景技术

聚电解质是一种能够溶于水溶液并释放出大量带电离子，同时使主链带相反电荷的高分子。聚电解质在水处理领域、驱油领域、生物医药领域、新能源领域、气体分离等领域都有着广泛的作用，同时也是许多生命体中重要的功能性和结构性物质。其粘度、渗透压等性质与不带电聚合物有着明显的区别。造成这种区别的重要原因是其周围大量的抗衡离子和由此出现的长程静电相互作用。研究抗衡离子的动态性质是揭示聚电解质溶液性质的重要基础。

传统理论认为抗衡离子吸附在聚电解质的主链周围，但对于其是否有相对于主链的运动、怎样运动、运动受到那些因素的影响还有争论(Angelini,T.E.；Golestanian,R.,et al.Counterions between charged polymers exhibit liquid-like organization and dynamics.Proc.Natl.Acad.Sci.2006,103(21),7962-7967)。这主要是因为这一物理过程发生在微观尺度，无论是从时间尺度上、还是从距离尺度上来看都非常小，传统的检测方法对此难过程难以发挥作用。仅有的一些报道中提到的检测方法包括使用散射、电子顺磁共振、介电光谱等方法(Prabhu,V.M.Counterion structure and dynamics in polyelectrolyte solutions.Curr.Opin.Colloid Interface Sci.2005,10,2-8)，得到的数据或者只给出间接的证据，或者给出的结果不系统，仅仅依靠这些手段来研究聚电解质溶液对于其理论发展有着很大的困难。因此，在这一领域发展新的测量抗衡离子动态性质的方法十分必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚电解质附近抗衡离子的吸附脱附速率常数的测定方法，本发明测定方法具有单分子级别的分辨率，可以直接得到平衡状态下抗衡离子在2～10nm尺度的动态性质。

本发明所提供的聚电解质附近抗衡离子的吸附脱附速率常数的测定方法，包括如下步骤：

1)利用荧光探针分子D标记聚电解质，得到标记的聚电解质；

2)配制所述标记的聚电解质与荧光探针分子A的水溶液；

所述荧光探针分子D与所述荧光探针分子A之间能发生荧光共振能量转移；

3)将激发所述荧光探针分子D的激光照射所述水溶液，对所述荧光探针分子D和所述荧光探针分子A所产生的荧光信号进行分光得到两束荧光信号，检测所述两束荧光信号并进行自关联和交叉关联分析得到关联函数，对所述关联函数进行拟合即得到所述聚电解质附近抗衡离子随主链的扩散信息以及相对于主链的吸附脱附速率常数信息。

上述的测定方法中，所述聚电解质可为聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯基吡啶和聚丙烯酸中至少一种，所述聚电解质的分子量可为20k～240k。

上述的测定方法中，所述荧光探针分子D的结构式如式Ⅰ所示(Alexa 488)，其最大吸收波长为488nm，最大发射波长为536nm；

式Ⅰ中，*表示与所述聚电解质相连接的基团；

式Ⅰ。

上述的测定方法中，所述荧光探针分子A的结构式如式Ⅱ所示(Atto 610)，其最大吸收波长为615nm，最大发射波长为634nm；

式Ⅱ中，*表示与所述聚电解质相连接的基团；

式Ⅱ。

上述的测定方法中，所述水溶液中，所述标记的聚电解质的摩尔浓度小于50nmol/L，如30nmol/L；

所述荧光探针分子A的摩尔浓度小于1000nmol/L，如200nmol/L。

上述的测定方法中，骤3)中，所述激光由连续激光器产生；

所述连续激光器可为氩离子气体激光器。

上述的测定方法中，步骤3)中，采用光栅进行分光。

上述的测定方法中，步骤3)中，采用光电倍增管检测器(PMT)检测荧光信号，如Zeiss公司研发的GaAsP检测器。

上述的测定方法中，步骤3)中，可通过商业化软件实现自关联和交叉关联分析。

本发明测定方法基于如下机理：

由于抗衡离子在聚电解质链周围相对与主链的运动使得两个探针分子之间的距离不断地变化，检测到的两种荧光强度相互之间的关联性中就可以包含这种动态信息，其特征时间能够反应抗衡离子吸附和脱附过程的快慢。

本发明测定方法具有以下优点：

首先，本发明测定方法，将荧光共振能量转移与荧光关联光谱技术相结合，可以得到平衡状态下抗衡离子在小范围、小时间尺度在主链附近的吸附脱附信息。这种方法可以从微观层面揭示抗衡离子的运动特性，有利于聚电解质理论的探究。

其次，本发明测定方法，能够在聚电解质的极稀溶液中测量，这种单分子尺度的研究方法可以获得宏观测量方法所不具备的高灵敏度。

最后，本发明测定方法，能够在fL量级的空间进行测量，特别适合生物样品或者珍贵样品的研究。

附图说明

图1为本发明测定方法采用的实验装置光路示意图。

图2为本发明实施例1测定的聚电解质链和染料抗衡离子混合后的关联函数。

图3为本发明实施例1测定的吸附脱附速率常数和外加盐浓度的关系。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1、聚苯乙烯磺酸钠附近抗衡离子吸附脱附速率常数的测定

1、聚苯乙烯磺酸钠的制备和染色

将1.0mL的浓硫酸和0.5g的P₂O₅加入到单口瓶中，在40℃温度下搅拌混合均匀。30mg氨基封端的聚苯乙烯(分子量为30×10³g·mol^-1，购与Polymer>2O₅的混合溶液中，在40℃的水浴中剧烈搅拌30min，之后停止搅拌，静置1h完成反应。将烧瓶放入到冰水混合物中冷却，用移液器吸掉上层的环己烷溶剂，然后向单口瓶中加入3.0g的碎冰，出现粘状的乳白色固体，去掉下层的浓硫酸，然后用氢氧化钠溶液中和直至整个溶液的pH为7。将以上得到的聚合物溶液转移到透析袋中，用超纯水透析除掉溶液中的盐，每3小时换一次纯水，并用电导率仪检测透析液的电导率直至其电导率与纯水的电导率相近。透析完成的溶液冻干得到白色的粉末即为聚苯乙烯磺酸钠样品。

磺化反应得到的聚苯乙烯磺酸钠样品(5mg，0.08μmol)溶解在pH值为8.6的0.1M的碳酸氢钠缓冲液(400μL)中，Alexa 488(0.5mg，0.8μmol)溶解在100μL的DMSO中，然后加入到聚苯乙烯磺酸钠的缓冲溶液中，避光搅拌反应10小时。

将上述染色反应得到的混合物通过以0.1mol/L的NaCl溶液作为流动相的聚丙烯酰胺凝胶色谱柱分离除去大部分未反应的自由染料，然后将得到的经荧光标记的聚苯乙烯磺酸钠溶液置于透析袋中用超纯水透析直至透析液的电导率与纯水的电导率值接近，再将透析袋中的聚苯乙烯磺酸钠溶液转移到截留分子量为5k的超滤离心管中，反复加入超纯水超滤离心30次以上，直到滤出液中完全检测不到荧光信号，最后把超滤后的聚电解质溶液用孔径为0.2μm的尼龙滤膜过滤以除去溶液中可能的灰尘和大颗粒杂质，得到的样品置于低温下保存待用。

2、聚苯乙烯磺酸钠附近抗衡离子吸附脱附速率常数的测定

本发明的实验装置用的是Zeiss公司生产的商业化共聚焦荧光显微成像系统LSM780，其光路结构的示意图如图1所示。将光学显微镜装置中的物镜镜头上滴加20μL纯净水后，将装有30nmol/L的标记的PSS和200nmol/L的自由染料Atto 610的混合溶液的样品池放于其上。调节共聚焦的针孔位置使信号最好，将焦点调整至盖玻片上界面30μm。设置分别收集490～530nm和630～690nm之间的荧光信号。

两束激光的自关联函数和交叉关联函数曲线如图2所示。通过该曲线上升或下降对应的特征时间就可以获知抗衡离子的动态性质对应的特征时间。对其进行拟合，可以得到抗衡离子的吸附和脱附速率常数分别为0.016μs^-1和0.030μs^-1。

图3是聚电解质附近抗衡离子的吸附和脱附速率常数与溶液中盐离子浓度的关系，可以看出，随着外加盐离子的加入，聚电解质分子吸附染料抗衡离子速率常数变小，而脱附染料抗衡离子的速率常数增加。