關(guān)鍵詞：特定序列聚合物；星狀嵌段偶氮苯類肽；自組裝；可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；光控催化

星狀聚合物是指含至少3條相同或相異的線形鏈，通過數(shù)目有限的節(jié)點（化學(xué)鍵）連接于同一中心核體所形成的支化聚合物[1]。由于其獨特的致密三維拓撲結(jié)構(gòu)，與分子量相同的線性聚合物相比，星狀聚合物具有更高的表面官能度，較小的流體動力學(xué)體積，較低的擴散系數(shù)、熔融黏度和結(jié)晶度等獨特的性質(zhì)，在膜材料、可降解材料、藥物載體、涂料和油漆添加劑等領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值[2-4]。此外，序列可控聚合物是指在大分子合成中通過精確調(diào)控單體的序列結(jié)構(gòu)，進而合成單體排列有序的聚合物。如在蛋白質(zhì)中，利用20種氨基酸形成了精確調(diào)控的單體序列[5]。單體單元的精確調(diào)控對聚合物結(jié)構(gòu)、宏觀性能和自組裝行為具有重要影響，這為開發(fā)具有高級復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能多樣性的納米材料提供了新機遇，這些材料在分子識別、生物催化和信息的分子編碼等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[6-8]。因此，合成具有功能可調(diào)的序列可控星狀聚合物，在生命科學(xué)和納米技術(shù)的各種應(yīng)用領(lǐng)域中都有很高的需求。目前，響應(yīng)型序列可控星狀聚合物在設(shè)計和構(gòu)筑更為復(fù)雜、更精確、更智能的納米自組裝材料方面?zhèn)涫荜P(guān)注。特別是構(gòu)筑具有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變能力的納米材料，它們能夠響應(yīng)外界能量（如光、熱或電場）或化學(xué)信號（如pH、有機/生物分子）的變化，這種特性賦予了該類納米材料在可調(diào)控催化、納米反應(yīng)器、傳感器和“智能”光學(xué)系統(tǒng)等多個領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力[9-11]。然而，響應(yīng)型序列可控星狀聚合物作為一類具有挑戰(zhàn)性的合成聚合物，其制備方法復(fù)雜嚴苛，需要多種保護/去保護策略和不同聚合方法的結(jié)合。這些限制條件在很大程度上阻礙了響應(yīng)型序列可控星狀聚合物的進一步發(fā)展。目前，通過簡單的方法來制備響應(yīng)型特定序列的星狀聚合物仍然是一項重大的挑戰(zhàn)。

類肽（或聚N-取代的甘氨酸）是一類具有序列精確可控的擬肽仿生聚合物，在生物醫(yī)學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力[12-14]。與多肽相比，類肽的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征在于其側(cè)鏈從α-碳原子轉(zhuǎn)移到N原子。得益于其獨特的分子結(jié)構(gòu)，類肽兼具了生物聚合物與合成聚合物的多重優(yōu)勢，如合成簡便，具有較高的穩(wěn)定性與溶解性以及優(yōu)異的生物相容性。作為備受關(guān)注的自組裝基材，類肽能夠制備出具有多級有序結(jié)構(gòu)和多樣化的納米聚集體，包括納米管[15]、納米片[16]、囊泡[17]、花瓣狀膠束等[18，19]。目前，基于刺激響應(yīng)型類肽的納米材料研究主要聚焦在溫度、pH以及活性氧敏感性等外部刺激響應(yīng)方面，在生物催化、藥物載體和傳感器等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景[20-22]。光響應(yīng)具有非接觸、遠程、可控的優(yōu)勢，在智能響應(yīng)體系中是一種重要的調(diào)控手段[23]。然而，關(guān)于光響應(yīng)型星狀類肽的合成與自組裝的研究尚鮮有報道。

功能化納米膠束是一種備受矚目的自組裝納米結(jié)構(gòu)，它具備納米級尺寸、較強的負載能力、出色的增容效果、靈活的結(jié)構(gòu)、良好的生物相容性以及多功能性等顯著優(yōu)勢，被廣泛認為是一種多功能化的納米載體材料。這種多功能性使功能化納米膠束在材料科學(xué)、微電子學(xué)、生物工程和制藥工業(yè)等領(lǐng)域得到了日益增長的關(guān)注[24，25]。通過精心設(shè)計和自組裝有序結(jié)構(gòu)的功能化膠束，賦予其豐富功能，表現(xiàn)為膠束形態(tài)能夠?qū)ν獠看碳と鐪囟取⑷軇﹑H或光的變化[26]做出響應(yīng)。因此，功能化納米膠束在傳感、催化、生物成像、藥物遞送等多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[27]。

本文采用固相亞單體合成技術(shù)成功制備了一種兩親性星狀嵌段偶氮苯類肽Star-[（NAZO4-b-NME4-b-NCOOH）]3，隨后，通過溶液自組裝制備了結(jié)構(gòu)均一的球形膠束。由于偶氮苯的光致異構(gòu)化特性，該球形膠束在紫外光和可見光照射下實現(xiàn)了尺寸的可逆轉(zhuǎn)變。通過原位負載，成功制備了鉑納米顆粒修飾的球形膠束，并將其作為催化劑，驗證了硼氫化鈉介導(dǎo)的4-硝基苯酚還原為4-氨基苯酚的催化反應(yīng)，展現(xiàn)了光調(diào)控的可逆催化活性。

1實驗部分

1.1原料和試劑

對氨基苯乙胺、二碳酸二叔丁酯、4-二甲氨基吡啶、亞硝基苯、硼氫化鈉（NaBH4）、β-丙氨酸叔丁酯鹽酸鹽、三氟乙酸（TFA）、碳酸氫鈉（NaHCO3）、甲醇（MeOH）：分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；4-（2-苯基二氮烯基）苯甲胺（NAZO）：具體合成步驟參見文獻[28]；四氫呋喃（THF）、乙酸（AcOH）、N，N'-二甲基甲酰胺（DMF）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、溴乙酸（BrAc）、N，N'-二異丙基碳二亞胺（DIC）、4-甲基哌啶、正己烷（Hex）、乙酸乙酯（EA）、二氯甲烷（DCM）、硅膠粉：分析純，上海泰坦科技股份有限公司；2-甲氧基乙胺（NME）：分析純，上海麥克林生化科技股份有限公司；鹽酸（HCl）、氫氧化鈉（NaOH）：分析純，中國醫(yī)藥集團有限公司。

1.2測試與表征

核磁共振氫譜（1H-NMR）：瑞士布魯克科學(xué)儀器有限公司AvanceⅢ400型，以DMSO-d6作為氘代試劑、四甲基硅烷（TMS）作為內(nèi)標樣；超高效液相色譜-質(zhì)譜（UPLC-MS）：德國賽默飛世爾科技公司Vanquish型超高效液相色譜儀/質(zhì)譜儀，在乙腈與水的混合溶劑中，對類肽分子進行分子量信息的測定；透射電子顯微鏡（TEM）：日本JEOL公司JEM-1400型，將組裝體水溶液滴加在銅網(wǎng)表面，待干燥24h后，進行形貌表征分析，測試電壓設(shè)定為100kV；紫外-可見吸收光譜：日本島津公司UV-2650型紫外-可見分光光度計，光響應(yīng)性測試采用點光源（UvataUP114）以175mW/cm2的強度對組裝體溶液進行照射，在黑暗環(huán)境下制備TEM樣品。

1.3實驗步驟

1.3.1星狀嵌段偶氮苯類肽的合成路線 Star-[（NAZO4-b-NME4-b-NCOOH）]3的合成路線如圖1所示。將Rink樹脂（50mg）置于含有20%（體積分數(shù)）4-甲基哌啶的DMF溶液中振蕩40min。隨后抽濾，并用DMF洗滌3次。在?；磻?yīng)中，加入0.75mL、0.6mol/LBrAc溶液和0.35mL、50%（體積分數(shù)）DIC的DMF溶液，振蕩10min，隨后抽濾，并用DMF洗滌3次。在取代反應(yīng)中，加入0.75mL、0.6mol/Lβ-丙氨酸叔丁酯的NMP溶液，振蕩10min。酰化反應(yīng)完成后，加入0.75mL、0.6mol/L一級胺的DMF溶液，振蕩10min。重復(fù)上述?；腿〈磻?yīng)的步驟，直至形成含有4個親水鏈段和4個疏水鏈段的類肽序列。在成核過程中，先完成相應(yīng)的?；磻?yīng)。然后，加入0.75mL、0.6mol/L乙二胺溶液，于40℃條件下振蕩30min。在后續(xù)的酰化反應(yīng)和取代反應(yīng)步驟，所使用的溶液體積增加一倍，直至完全合成目標類肽序列。最后，加入95%（體積分數(shù)）的TFA水溶液，在40℃條件下振蕩40min，過濾，使TFA完全揮發(fā)。將處理后的粗產(chǎn)物溶解后，在冰無水乙醚中進行沉淀，最后通過透析與冷凍干燥法獲得橙黃色固體粉末。

1.3.2星狀嵌段偶氮苯類肽的自組裝 將Star-[（NAZO4-b-NME4-b-NCOOH）]3粉末溶解于乙腈-H2O（體積比1∶1）的混合溶劑中，制備得到透明溶液。隨后，在4℃條件下，通過溶劑緩慢揮發(fā)的方式進行自組裝，最終得到Star-[（NAZO4-b-NME4-b-NCOOH）]3組裝體水溶液（濃度為2μmol/mL）。

1.3.3催化實驗 將400μL、0.1mmol/L的Star-[（NAZO4-b-NME4-b-NCOOH）]3組裝體水溶液與15μL、0.5mmol/L的氯鉑酸水溶液混合，在室溫條件下攪拌90min。隨后，加入20μL、30mg/mL的NaBH4水溶液，繼續(xù)攪拌90min，制備鉑納米顆粒修飾的功能化類肽溶液。將該溶液作為催化劑，對NaBH4介導(dǎo)的4-硝基苯酚還原反應(yīng)進行深入研究。在比色皿中加入500μL、0.1mmol/L的4-氨基苯酚溶液和200μL、30mg/mL的NaBH4水溶液。隨后，繼續(xù)加入5μL催化劑。利用紫外-可見吸收光譜技術(shù)，測定其反應(yīng)動力學(xué)曲線。

2結(jié)果與討論

2.1Star-[（NAZO4-b-NME4-b-NCOOH）]3的分子結(jié)構(gòu)及表征

Star-[（NAZO4-b-NME4-b-NCOOH）]3的分子結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，以乙二胺為核心，分別以NAZO作為剛性疏水鏈段和以NME作為親水鏈段，其理論分子量為5069.9g/mol。圖2（b）展示了該類肽的質(zhì)譜（MS）分析結(jié)果，相對應(yīng)的m/z出峰位置分別為1268.3（[M+4H]4+）、1690.8（[M+3H]3+）、2535.7（[M+2H]2+）。實驗測得的這些數(shù)據(jù)與目標產(chǎn)物的理論分子量相符，從而證實了目標星狀偶氮苯嵌段類肽的成功合成。

2.2Star-[（NAZO4-b-NME4-b-NCOOH）]3的光響應(yīng)特性

在室溫條件下，利用紫外-可見分光光度計對Star-[（NAZO4-b-NME4-b-NCOOH）]3的光響應(yīng)特性進行了詳細表征分析。如圖3（a）所示，在THF作為良溶劑的條件下，在337nm和442nm處顯示出偶氮苯基團的特征吸收峰。在紫外光照射下，偶氮苯分子結(jié)構(gòu)從占主導(dǎo)的反式構(gòu)型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖綐?gòu)型，這一過程表現(xiàn)為337nm（π-π*）的特征吸收峰逐漸減弱，同時442nm（n-π*）處的特征吸收峰逐漸增強，直至14s后特征峰的變化趨于穩(wěn)定狀態(tài)。如圖3（b）所示，在可見光的照射下，偶氮苯的特征光譜發(fā)生了完全相反的變化，經(jīng)過20s的照射時間后，這種變化達到穩(wěn)態(tài)，表明順式偶氮苯逐漸轉(zhuǎn)化為反式偶氮苯[29]。這些結(jié)果證明了星狀嵌段偶氮苯類肽具備優(yōu)異的光致異構(gòu)化特性。

2.3Star-[（NAZO4-b-NME4-b-NCOOH）]3的自組裝

乙腈作為一種低極性溶劑，因其良好的溶解性、揮發(fā)性和較低的沸點等而被廣泛應(yīng)用于聚合物自組裝[30]。在水和乙腈（體積比1∶1）的混合溶劑中，Star-[（NAZO4-b-NME4-b-NCOOH）]3能夠自發(fā)地進行自組裝，其自組裝過程如圖4（a）所示。利用TEM對所形成的聚集體形貌進行了表征，在圖4（b）中觀察到結(jié)構(gòu)均一的球形膠束聚集體，直徑為19～23nm。如圖4（c）所示，動態(tài)光散射（DLS）曲線也證實了該聚集體的直徑約為22nm，這與TEM觀察到的球形膠束尺寸相吻合。在自組裝過程中，由于偶氮苯的強疏水作用，NAZO鏈段會自發(fā)地聚集形成一個疏水內(nèi)核，而親水單元的NME鏈段則分布在聚集體的外表面，最終形成穩(wěn)定的球形膠束。

2.4球形膠束的光響應(yīng)特性

偶氮苯基團的光異構(gòu)化特性賦予了偶氮苯基納米材料可逆的光致結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變特性。采用TEM對組裝體水溶液（濃度為0.01μmol/mL）在紫外光與可見光交替照射下的結(jié)構(gòu)變化進行了追蹤觀察。如圖5（a，b）所示，經(jīng)過6h的紫外光照射后，體系中仍存在大量均勻的球形膠束，然而，與照射前相比，這些膠束的尺寸明顯減小，此現(xiàn)象與DLS表征數(shù)據(jù)（直徑約為10nm）相互印證。反之，如圖5（c，d）所示，在可見光照射6h后，觀察到尺寸較小的球形膠束逐漸恢復(fù)至初始尺寸（直徑約為21nm）。這種顯著的結(jié)構(gòu)變化可歸因于偶氮苯單元從剛性的反式構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝缘捻樖綐?gòu)象。為了驗證這種可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是否由偶氮苯單元的光致異構(gòu)化引起，我們在室溫條件下利用紫外-可見分光光度計對Star-[（NAZO4-b-NME4-b-NCOOH）]3組裝體的光致異構(gòu)化特性進行了詳細研究。如圖5（e）所示，在紫外光照射下，反式偶氮苯的特征吸收峰（319nm）逐漸減弱，同時順式偶氮苯的特征吸收峰（436nm）逐漸增強，120s后特征峰變化趨于穩(wěn)定。相反，在可見光照射下，偶氮苯的特征吸收峰發(fā)生了完全相反的變化，經(jīng)過240s的持續(xù)照射后，這種變化達到穩(wěn)態(tài)，如圖5（f）所示。這些連續(xù)光譜變化證明在光致結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程中偶氮苯基團發(fā)生了可逆的順式-反式構(gòu)型轉(zhuǎn)變[31]。圖5（g）展示了在紫外-可見光的連續(xù)照射下，該球形膠束所具備的光致可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變特性。

2.5基于球形膠束的納米復(fù)合材料在光控催化領(lǐng)域中的應(yīng)用

光響應(yīng)納米材料在催化、醫(yī)學(xué)、環(huán)境以及石油等多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[32，33]。鑒于此，我們對基于光響應(yīng)球形膠束的納米復(fù)合材料在催化4-硝基苯酚還原反應(yīng)中的性能進行了評估（圖6（a））。通過將氯鉑酸與Star-[（NAZO4-b-NME4-b-NCOOH）]3組裝體水溶液混合，并在NaBH4的還原作用下，成功制備了表面修飾鉑（Pt）納米顆粒的膠束聚集體溶液。如圖6（b）和6（c）所示，TEM照片表明Pt納米顆粒均勻地分布在球形膠束表面。將表面修飾Pt納米顆粒的膠束聚集體溶液作為催化劑，對其在硼氫化物介導(dǎo)的4-硝基苯酚（4-NP）還原為4-氨基苯酚（4-AP）反應(yīng)中的催化活性進行了評價，并通過紫外-可見光譜法對還原反應(yīng)的催化過程進行了實時監(jiān)測。圖6（d）展示了經(jīng)Pt納米顆粒修飾的球形納米復(fù)合材料作為催化劑參與的還原反應(yīng)隨時間變化的紫外-可見光譜圖。隨著反應(yīng)的進行，在400nm處的特征吸收峰逐漸減弱；相反地，在300nm處的特征吸收峰逐漸增強，同時溶液顏色由淡黃色轉(zhuǎn)變?yōu)闊o色。這些結(jié)果均證明了還原反應(yīng)的發(fā)生。圖6（e）展示了不同納米材料的ln（At/A0）與反應(yīng)時間的關(guān)系曲線，其中A0和At分別代表t=0和任意時刻t時的400nm處吸收峰的強度。分析結(jié)果顯示，ln（At/A0）與反應(yīng)時間之間存在顯著的線性關(guān)系，這表明該還原反應(yīng)遵循一級反應(yīng)動力學(xué)方程，其速率常數(shù)（K）可以通過該線性關(guān)系的斜率的負值確定[34]。與對照實驗（氯鉑酸、裸漏的Pt納米顆粒）相比，Pt納米顆粒修飾的球形納米復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的催化活性。值得注意的是，經(jīng)過紫外光照射后的納米復(fù)合材料表現(xiàn)出更為顯著的催化活性，這一現(xiàn)象主要歸因于聚集體尺寸的減小、比表面積的增加以及有效活性位點的提高。如圖6（f）所示，在紫外光和可見光交替照射條件下，K值能夠展示出可逆的變化特性，歷經(jīng)5次循環(huán)依舊保持高度的穩(wěn)定性，這表明了所制備的球形納米復(fù)合材料在納米催化領(lǐng)域中具有良好的催化活性和光控催化能力。

3結(jié)論

（1）設(shè)計并合成了序列特定的星狀嵌段偶氮苯類肽，并通過溶液自組裝得到直徑約22nm的球形膠束。

（2）偶氮苯基團的光致異構(gòu)化特性賦予球形膠束可逆的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變能力。

（3）鉑納米粒子修飾的球形納米復(fù)合材料展現(xiàn)出良好的催化性能和光控催化活性。