CC BY
20ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 2005, том 47, № 4, с. 710-715
УДК 541.64:542.952
ПОЛИСТИРОЛЬНЫЕ СУСПЕНЗИИ, ПОЛУЧЕННЫЕ В ПРИСУТСТВИИ КАРБОКСИЛСОДЕРЖАЩЕГО КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКОГО ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНОГО ВЕЩЕСТВА
© 2005 г. И. А. Грицкова*, Н. И. Прокопов*, А. Г. Марков*, А. Е. Чалых*, Д. Аль-Хаварин**
* Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова 117571 Москва, пр. Вернадского, 86 **Al-Balqa Applied University 19117, Al-Salt, Jordan Поступила в редакцию 21.09.2004 г. Принята в печать 10.11.2004 г.
Исследованы кинетические закономерности полимеризации стирола в присутствии карбоксилсо-держащего кремнийорганического ПАВ а-(карбоксиэтил)-со-(триметилсилокси)полидиметилси-локсана. Показано, что средние размеры частиц полимерной суспензии (0.40-0.65 мкм) практически не зависят от концентрации ПАВ и инициатора (персульфата калия) и имеют узкое распределение по диаметрам и ^-потенциалам. Полученные суспензии устойчивы в физиологических растворах и соответствуют требованиям, предъявляемым к полимерным микросферам - носителям биолиган-дов. Продемонстрирована возможность получения тест-систем, работающих по принципу реакции латекс-агглютинации, для диагностирования С-реактивного белка в сыворотке крови человека.
Полимерные микросферы нашли широкое применение в качестве носителей биолигандов при создании диагностических тест-систем, принцип работы которых основан на специфической реакции между антителом и антигеном. Полимерные микросферы должны содержать на поверхности специальные метки (флуоресцентные, хромофорные), быть окрашенными, иметь функциональные группы для ковалентного связывания с соответствующими группами биолиганда, либо должны содержать на поверхности специально добавленные лиганды для аффинного связывания с соответствующими группами биолигандов и т.д. Кроме того, они должны обладать агрегативной устойчивостью в процессе синтеза, в физиологических растворах и биологических средах, не образовывать агрегаты частиц, иметь узкое распределение частиц по размерам и содержать биолиганды на поверхности в определенной концентрации для обеспечения высокой чувствительности иммунохимической реакции.
Для выполнения высоких требований к полимерным микросферам, особенно возросших в
E-mail: [email protected] (Прокопов Николай Иванович).
последние годы в связи с решением сложных биологических проблем, необходимы новые пути получения частиц с межфазным слоем, обеспечивающим не только их устойчивость, но и воз- ' можный способ иммобилизации биолиганда. Одним из них является синтез полимерных микросфер с узким распределением по размерам различного диаметра с карбоксильными группами на поверхности. Именно этой проблеме посвящена настоящая работа.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Мономеры, воду, инициаторы очищали по методикам [1]. Полимерные суспензии получали в стеклянном реакторе, снабженном теплообмен-ной рубашкой, двухрядной стеклянной пропеллерной мешалкой и системой для продувки инертного газа (азота или аргона) [2].
Микрофотографии полимерных дисперсий получали с помощью электронного сканирующего микроскопа S-570 "Hitachi". Средний размер частиц полимерных дисперсий, распределение по диаметрам и ^-потенциалам определяли методами электронной сканирующей микроскопии и фо-
тон-корреляционной спектроскопии на приборах "Malvern" и "Autosizer".
Содержание остаточного стирола в полимерных суспензиях оценивали по методике [3] с использованием спектрофотометра "Unicam SP-500".
Очистку полимерных суспензий, определение содержания полимера в суспензии и устойчивости полимерных суспензий к электролитам, получение тест-систем и их испытание проводили по методикам [4].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Жесткие требования, предъявляемые к полимерным суспензиям, частицы которых используются в качестве носителей биолигандов, предопределяют выбор условий их синтеза. В первую очередь это относится к объемным соотношениям мономер : водная фаза и концентрации инициатора, определяющим число образующихся полимерно-мономерных частиц (ПМЧ).
Полимерные суспензии получали полимеризацией стирола в присутствии карбоксилсодержа-щего кремнийорганического ПАВ. Объемное соотношение мономер: водная фаза выбирали, принимая во внимание данные по численным концентрациям частиц и их полупериодам коагуляции, рассчитанным по уравнению Смолухов-ского [5]. Согласно этим данным, численная концентрация частиц, при которой они устойчивы к коалесценции, составляет ~Ю10 частиц/л. Такое количество частиц образуется в эмульсии стирола, полученной при объемном соотношении мономер : вода = 1 : 9 и при концентрации персульфата калия 1 мае. % в расчете на стирол.
Выбор карбоксилсодержащего полидиметил-силоксана а-(карбоксиэтил)-со-(триметилсилок-си)полидиметилсилоксана (ПДС) в качестве стабилизатора образующихся полимерных микросфер был основан на следующих его свойствах.
Во-первых, ПДС не растворим в воде. Поэтому частицы в такой эмульсии стирола будут образовываться только из микрокапель мономера, что предполагает (при обеспечении их устойчивости в процессе синтеза) формирование полимерных микросфер одного размера.
Во-вторых, ПДС несовместим с полистиролом. Поэтому по мере образования полимера он
будет вытесняться им в межфазные слои частиц и тем самым повышать их вязкость и прочность, что должно привести к формированию устойчивых в процессе синтеза, при хранении и при иммобилизации биолигандов полимерных суспензий.
И наконец, в межфазных слоях полимерных микросфер будут содержаться карбоксильные группы молекул полидиметилсилоксана, которые после активации одним из известных способов [6] взаимодействуют с аминогруппами биоли-ганда.
Во всех случаях полимеризацию инициировали персульфатом калия. Полимерные молекулы, содержащие в своем составе ионогенные фрагменты молекул инициатора, ориентируются на границе раздела полимерная частица-вода и формируют в межфазном слое частиц электростатический фактор стабилизации, тем самым повышая устойчивость полимерной суспензии.
Для получения полистирольных суспензий с различным диаметром частиц, используемых в качестве носителей биолигандов, необходимо было изучить влияние способа проведения процесса, а также концентрации ПДС на распределение частиц по размерам и ^-потенциалам.
Полимеризацию стирола проводили двумя способами. В обычной гетерофазной полимеризации стирол, содержащий растворенный ПДС, эмульгировали водой и одновременно в образующейся эмульсии инициировали его полимеризацию. Затравочную полимеризацию осуществляли на полистирольных затравочных частицах, полученных полимеризацией стирола в отсутствие эмульгатора. Эти два способа синтеза полимерных суспензий позволяют получить полистироль-ные микросферы с различным диаметром и разным значением ^-потенциала.
Кривые конверсия-время в случае полимеризации стирола, инициированной персульфатом калия в присутствии ПДС различной концентрации, показали (рис. 1), что реакция протекает без индукционного периода до полной конверсии мономера. С увеличением концентрации ПДС скорость процесса уменьшается.
Полная конверсия мономера достигается в среднем за 10 ч при концентрации ПДС 0.1 мае. % в расчете на стирол и за 20 ч при концентрации ПДС 4.0 мае. % при прочих равных условиях.
Конверсия, %
100 Ь
200 400 600
Время, мин
Рис. 1. Конверсия стирола в процессе его полимеризации в присутствии 4.0 (7), 3.0 (2), 2.0 (3), 1.0 (4), 0.50 (5), 0.25 (6) и 0.10% ПДС от массы мономера (7).
При повышении концентрации ПДС молекулярные массы полимеров уменьшаются, а средние диаметры полимерных микросфер увеличиваются, распределение частиц по размерам и ^-потенциалам всегда узкое (табл. 1, рис. 2).
Агрегативная устойчивость полимерных суспензий при всех исследованных концентрациях ПДС высокая, при полной конверсии мономера коагулюм отсутствует.
Характер зависимостей скорости полимеризации, ММ полимеров и диаметра частиц от концентрации ПДС заметно отличается от наблюдаемых при эмульсионной и суспензионной полимеризации стирола в присутствии традиционных эмульгаторов (алкилсульфоната натрия, солей жирных кислот и т.д.) и стабилизаторов (поливинилового спирта, желатина и т.д.) [7-9]. В первом
Рис. 2. Микрофотографии частиц полистироль-ных суспензий, полученных в присутствии 0.10 (а) и 4.0% ПДС от массы стирола (б).
случае (при эмульсионной полимеризации стирола) скорость полимеризации и ММ полимеров возрастают с увеличением концентрации эмульгатора, а средний диаметр частиц уменьшается [7, 8]. Во втором случае (при суспензионной полимеризации стирола) скорость полимеризации и
Таблица 1. Влияние концентрации ПДС на характеристики полистирольных суспензий
Концентрация ПДС, % от массы стирола Среднечисленный диаметр частиц, мкм Полидисперсность* Скорость полимеризации и.' х Ю3, моль/л с Млх КГ5
0.10 0.40 1.08 5.5 4.5
0.25 0.41 1.04 5.0 4.4
0.50 0.43 1.02 4.5 4.0
1.0 0.44 1.01 4.3 2.4
2.0 0.46 1.01 3.8 2.4
3.0 0.48 1.01 2.7 2.0
4.0 0.65 1.01 2.2 1.8
* О „,/£>„ - отношение средневесового диаметра частиц полимерной суспензии к среднечисленному.
диаметр частиц не зависят от концентрации стабилизатора [9].
В обоих случаях распределение частиц по диаметрам шире наблюдаемого в присутствии ПДС.
Было высказано предположение о том, что такой характер наблюдаемых зависимостей обусловлен тем, что при полимеризации стирола в присутствии ПДС образование частиц и формирование в их межфазных слоях факторов устойчивости (электростатического и структурно-ме-ханического) происходит по иному механизму. Поскольку ПДС не растворим в воде, в образовании частиц участвуют только микрокапли мономера, формирование межфазного слоя происходит в результате ориентации концевых ионоген-ных групп полимерных цепей, фрагментов молекул инициатора и карбоксильных групп ПДС. В результате этого уже на ранних стадиях полимеризации в межфазном слое частиц формируются электростатический и структурно-механический факторы стабилизации, обеспечивающие устойчивость реакционной системы и узкое распределение частиц по размерам.
В пользу предложенного механизма образования частиц свидетельствуют данные по исследованию поверхности полимерных микросфер методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии для химических анализов, определению ^-потенциала частиц методом лазерной спектроскопии и изучению структуры частиц методом сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Оказалось, что на поверхности частиц содержится в 37 раз больше молекул ПДС, чем в объеме. Полимерная частица имеет структуру типа "ядро-оболочка" [10]. Исследование структуры полистирольных частиц, полученных в присутствии ПДС, показало, что если их размеры порядка 0.5-1 мкм, то образующийся по мере протекания полимеризации полимер успевает до начала фазового распада системы вытеснить кремнийорганический ПАВ к границе раздела, т.е. на поверхность частиц [11].
Повышение концентрации ПДС увеличивает вязкость и прочность межфазного слоя частиц, что может привести к уменьшению эффективности дробления мономера (т.е. к уменьшению числа капель мономера и увеличению их диаметра на начальной стадии реакции), к затруднению диффузии мономера и инициатора в частицы, к уменьшению молекулярной массы полимера и увеличению диаметра частиц.
Как видно из приведенных экспериментальных данных, путем изменения концентрации ПДС
^-потенциал, мВ
Рис. 3. Распределение ^-потенциалов по частицам полистирольной суспензии, синтезированной в присутствии 2.0% ПДС от массы стирола.
(при постоянной концентрации персульфата калия и массовом соотношении мономер : вода =1:9) можно получить полистирольные суспензии с узким распределением по размерам, с диаметром частиц в интервале 0.4-0.65 мкм (рис. 2) и ^-потенциалом -50 мВ (рис. 3).
Представлялось важным оценить влияние концентрации персульфата калия на устойчивость реакционной системы, диаметр частиц, их заряд и распределение по размерам. Эти исследования проводили при постоянной концентрации ПДС, равной 1 мае. % в расчете на мономер. Полученные данные приведены в табл. 2. Видно, что при концентрации персульфата калия 1—4% от массы стирола его полимеризация протекает до полной конверсии за 10-14 ч. Диаметр частиц и их заряд (^-потенциал) мало зависят от концентрации инициатора, они характеризуются узким распределением по размерам. Реакционная система обладает агрегативной устойчивостью в процессе синтеза полимерной суспензии даже при очень низких концентрациях инициатора.
В процессе синтеза были получены полимерные суспензии с содержанием остаточного мономера более 0.5%. Остаточный мономер полиме-
Таблица 2. Влияние концентрации персульфата калия (ПСК) на характеристики полистирольных суспензий
Концентрация ПСК, % от массы стирола Среднечисленный диаметр частиц, мкм Скорость полимеризации И' х 103, моль/л с ^-потенциал, мВ
0.10 0.40 1.3 -33.5
0.50 0.41 3.8 -34.8
1.0 0.43 4.3 -44.6
2.0 0.43 5.5 -51.3
4.0 0.44 11.2 -55.2
ризовали под действием радиационного облуче- буферных растворах, была изучена устойчивость
ния с мощность дозы 1 МРад/ч в течение 1 ч. полимерной суспензии в буферах со значением
После облучения полимерная суспензия не рН в интервале 5.0-8.5 (фосфатный, рН 6.1 и
содержала остаточного мономера и сохраняла рН 7.2; глициновый, рН 8.5; лимонно-кислотный,
свои свойства: распределение по размерам, сред- рН 5.0). Во всех буферных растворах полимерные
ний диаметр частиц, устойчивость при хранении. суспензии были устойчивы.
Поскольку иммобилизацию белка на поверхность частиц полимерной суспензии проводят в
Рис. 4. Микрофотографии частиц полистирольных суспензий: а - суспензия, используемая в качестве затравки, получена методом безэмульга-торной полимеризации; б - суспензия получена затравочной полимеризацией стирола в присутствии 2.0% ПДС от массы стирола.
Таким образом, гетерофазной полимеризацией стирола, инициированной персульфатом калия, в присутствии полидиметилсилоксана в качестве стабилизатора можно получить полимерные суспензии с карбоксильными группами на поверхности с диаметром частиц в интервале 0.40-0.65 мкм, устойчивые в растворах буферов с различным значением рН.
Полистирольные микросферы большего диаметра получали затравочной полимеризацией стирола на затравочных полистирольных частицах со средним диаметром 1 мкм и узким распределением по размерам, синтезированных в отсутствие эмульгатора. Рецептура синтеза затравочных полистирольных частиц приведена ниже.
Компонент стирол вода персульфат
калия
Содержание 100 500 1
компонента, мае. ч.
Электронная микрофотография затравочной суспензии показана на рис. 4а.
Затравочную полимеризацию стирола, содержащего растворенный ПДС, проводили после предварительного набухания затравочных частиц мономером. Количество мономера должно соответствовать сорбционной способности полистирольных частиц, и он не должен присутствовать в водной фазе суспензии в свободном виде. Другими словами, полимеризация должна протекать только в набухших в стироле полимерных частицах, и новые частицы не должны образовываться. Реакцию инициировали ДАК и проводили в течение 22-24 ч. Распределение частиц по размерам и
^-потенциалу практически не изменилось, средний диаметр частиц увеличился до 1.4 мкм (рис. 4в).
Частицы полученных полистирольных суспензий были использованы в качестве носителей антител к С-реактивному белку.
Был получен конъюгат, представляющий собой полимерную микросферу, на которую путем физической адсорбции или ковалентного связывания ( за счет реакции между функциональными группами полимера микросферы и белка) была иммобилизована антисыворотка к С-реактивному белку.
Ковалентное связывание проводили по известной схеме [6] в две стадии: активацией карбоксильных групп карбодиимидом с последующим их взаимодействием с аминогруппами белка (антитела к С-реактивному белку).
Предварительные испытания созданной тест-си-стемы показали, что она устойчива при хранении и характеризуется высокой чувствительностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Грицкова И.А., Седакова Л.И., Мурадян Д.С., Си-некаев Б.М., Павлов A.B., Праведников А.Н. // Докл. АН СССР. 1978. Т. 243. № 2. С. 403.
2. Трегубенков С.И., Седакова Л.И., Скворцов В.Г., Грицкова И.А., Праведников А.Н. //Высокомолек. соед. Б. 1985. Т. 27. № 11. С. 873.
3. Лобанов А.Н. Дис.... канд. хим. наук. М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2003.
4. Станишевский Я.М. Дис. ... канд. биол. наук. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2001.
5. Einarson М.В., Berg J.С. // J. Colloid and Interface Sci. 1993. V. 155. № 1. P. 163.
6. Прокопов Н.И., Грицкова И.А., Черкасов B.P., Чалых А.Е. // Успехи химии. 1996. Т. 65. № 2. С. 178.
7. Emulsion Polymerizator and Emulsion Polymers / Ed. by Lovell P.A., El-Aasser M.S. London: Wiley, 1997.
8. Polymer Colloids: A Comprehensive Introduction / Ed. by Fitch R.M. New York: Acad. Press, 1997.
9. Polymer Dispersions: Principles and Applications. NATO Asi Ser. / Ed. by Asua J.M. New York: Kluwer Acad. Publ., 1997. V. 335.
10. Чирикова О.В. Дис. ... канд. хим. наук. М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 1994.
11. Герасимов В.К., Чалых А.Е., Алиев А.Д., Транки-на Е.С., Грицкова И.А. // Высокомолек. соед. А. 2001. Т. 43. № 11. С. 1941.
Polystyrene Suspensions Prepared in the Presence of a Carboxyl-Containing Organosilicon Surfactant
I. A. Gritskova*, N. I. Prokopov*, A. G. Markov*, A. E. Chalykh*, and D. Al'-Khavarin**
*Lomonosov State Academy of Fine Chemical Technology, pr. Vernadskogo 86, Moscow, 117571 Russia
**Al-Balqa Applied University 19117, Al-Salt, Jordan
Abstract—The kinetics of styrene polymerization in the presence of the carboxyl-containing organosilicon surfactant a-(carboxyethyl)-co(trimethylsiloxy)polydimethylsiloxane was studied. It was shown that the average size of polymer suspension particles (0.40-0.65 |Xm) is virtually independent of surfactant and initiator (potassium persulfate) concentrations and the particles are characterized by narrow diameter and ^-potential distributions. The title suspensions are stable in physiological solutions and are suited to the requirements imposed on polymer microspheres used as bioligand carriers. The feasibility of obtaining test systems that operate according to the latex-agglutination reaction principle and are useful for the diagnostics of C-reactive protein in human blood serum is shown.
