不同液体环境下聚丙烯酰胺的单分子力学

doi:10.7503/cjcu20210241

摘要/Abstract

摘要：

利用单分子力谱研究了非离子型聚丙烯酰胺(NPAM)及其水解产物阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)在不同液体环境下的单链弹性. 利用改进的自由连接链(M-FJC)模型中的单链弹性模量参数(K₀)描述NPAM在不同pH值水溶液中的单链弹性. 实验结果表明, K₀随着溶液pH值增加而增大, 表明NPAM在碱性溶液中的水解度具有pH依赖性. 由于K₀和高分子链的净电荷正相关, K₀增大表明NPAM链净电荷增多, 结构单元之间的静电排斥作用增强使高分子链呈现高度伸展的构象. 在此基础上研究了APAM在不同pH值溶液中的构象, 单分子力谱数据表明, APAM在酸性水溶液中为柔性链, 在碱性水溶液中呈现较伸展的构象, 从而在分子水平上阐明APAM链构建的水凝胶网络的溶胀机理. 单分子层面的深入研究有望阐明这类高分子的减阻机理.

关键词: 聚丙烯酰胺, 水解, 构象转变, 单分子力谱

Abstract:

The single-chain elasticity of nonionic polyacrylamide（NPAM） and its hydrolysate（anion polyacrylamide， APAM） in different liquid environments was investigated by single molecule force spectroscopy（SMFS） . The modified freely jointed chain（M-FJC） model was used to describe the single-chain elasticity of NPAM in aqueous solution at different pH values with a parameter of single-chain modulus（K₀）. The experimental results show that K₀ is increased with increasing the pH value of the aqueous solution. It is demonstra-ted that the hydrolysis degrees of NPAM in the alkaline solution are pH-dependent. Because K₀ has a positive correlation with the net charge of the polymer chain， the increased K₀ in high-pH solution indicates that the net charge of NPAM chain is increased， and the high electrostatic repulsion between structural units makes polymers present extended conformations. On this basis， the conformations of APAM in aqueous solution at diffe-rent pH values were studied. We find that APAM is flexible in acid solution and is more rigid in basic solution. The findings can be used to illustrate the swelling mechanism of the hydrogel network constructed by APAM chains at the molecular level.

Key words: Polyacrylamide, Hydrolysis, Conformational transition, Single molecule force spectroscopy

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 5

Fig.1 Typical F?E curves of NPAM in nonane(A) and normalized F?E curves of (A)(B)

Fig.2 Comparison of the normalized single?chain F?E curve of NPAM obtained in nonane and the QM?FRC fitting curve(lb=0.154 nm)(A) and the average force deviation value between the QM?FRC fitting curve and the F?E curve in nonane(B)When lb is (0.154±0.002) nm, the force deviation reaches the lowest value.

Fig.3 Comparison of the normalized single?chain F?E curves of NPAM obtained in nonane and in aqueous solutions of different pH and the QMFRC fitting curve of PE with lb=0. 154 nm

Table 1 Fitting parameters used in the M-FJC models

Solution	l_k/nm	K_segment/（nN?nm^-1）	K^*₀/ nN
DI water	0. 35	140	49
pH=10	0. 36	350	126
pH=12	0. 37	800	296

Fig.4 Comparison of the normalized single?chain F?E curves of APAM and NPAM（A） APAM and NPAM in nonane；（B） APAM in nonane and in the acid solution （pH=2）；（C） APAM in nonane and in the basic solution（pH=10） .

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