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本研究通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和近红外（NIR）光谱结合小波变换（CWT）与多维主成分分析（NPCA），系统探究了尿素对聚N-二甲基氨基乙基甲丙烯酸（PDMAEMA）溶液下临界溶解温度（LCST）的调控机制。结果表明，尿素通过抑制松散中间结构的形成及促进介导水（S?）结构的生成，显著提高PDMAEMA的LCST，并揭示了水结构在相变调控中的关键作用。
苗标|陈楠楠|张方斋
中国北京工业大学环境工程系，国家先进市政废水处理与回用技术工程实验室，北京 100124
摘要
热敏聚合物（TRPs）的最低临界溶解温度（LCST）的修改对其有效应用至关重要。在本研究中，以尿素作为模型添加剂，探讨了尿素对聚(N,N-二甲氨基乙基甲基丙烯酸酯)（PDMAEMA）LCST的调控机制。利用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察并比较了存在和不存在尿素时PDMAEMA的聚集状态和空间分布，同时结合近红外（NIR）光谱和水探针分析了尿素存在下聚合物和水结构的变化。结果表明，尿素增加了PDMAEMA的聚集尺寸和LCST。通过N阶主成分分析（NPCA）与连续小波变换（CWT）获得的信息表明，尿素可能抑制了松散中间结构的形成，从而有助于LCST的升高。此外，NH和OH带的光谱信息表明，尿素可能促进了尿素与聚合物之间中介水结构（S2）的形成，而不是与中间体相关的桥接S2水结构。这种中介S2水结构为相变延迟和LCST升高提供了机制基础。在高温下，中介S2水结构的解离可能促进了尿素与聚合物之间的更紧密结合。中介S2水结构可能是调控TRPs LCST的关键因素。
引言
热敏聚合物（TRPs）由于其独特的在亲水态和疏水态之间发生温度诱导相变的能力，已成为药物输送、组织工程和环境修复等应用中的有前途的材料[1]，[2]。它们的溶液行为通常由最低临界溶解温度（LCST）来表征。在LCST以下，聚合物链保持可溶并均匀分散在水中；超过LCST后，它们会发生脱水，导致聚集并最终发生宏观相分离。在废水处理领域，LCST以上发生的这种可逆相变为开发下一代智能分离技术（包括自清洁膜和反应性吸附系统）提供了独特的机会[3]，[4]。因此，调节TRPs的LCST对于优化其在实际应用中的性能至关重要，因为它能够适应不同的水质和处理目标[5]。例如，寒冷地区需要低LCST的材料来进行低温废水处理，以保持足够的溶解度和处理活性[6]；而对于高温工业废水，较高的LCST则有利于催化剂的稳定存在和有效作用[7]。因此，修改TRPs的LCST是使其适用于各种应用的重要任务。
可以采用多种方法来调节TRPs的LCST[8]。一种有效且方便的方法是改变溶液条件，例如添加添加剂[9]。尿素是修改某些TRPs LCST的常用添加剂[10]，[11]。许多研究探讨了尿素对聚合物LCST的调节作用。陈等人[12]研究了尿素对聚(N-丙烯酰丝氨酸甲酯)（PNASME）在水溶液中聚集的影响，发现添加尿素后LCST升高。他们认为尿素与聚合物链上的羰基（CO）相互作用，可能促进了水与聚合物之间更有利的相互作用。相反，Cremer等人[13]报告称添加尿素后聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）的LCST降低。他们提出尿素可能通过氢键直接与两个相邻聚合物链上的CO基团结合，取代了链周围的氢键水，从而改变了相变。Mihajlovic等人[14]研究了尿素对聚(乙烯基共聚物)-共聚脂肪酸（PEG-DFA）聚集的影响，并观察到LCST升高。他们推测尿素可能优先结合疏水结构，削弱了疏水基团之间的相互作用，并增强了聚合物中疏水区域的水合作用。卢等人[15]和王等人[16]分别研究了尿素对PNIPAM和聚(N,N-二乙基丙烯酰胺)（PDEA）聚集的影响，观察到PNIPAM的LCST降低而PDEA的LCST升高。他们推测这些相反的趋势可能与尿素对聚合物中NH基团的差异性作用有关。因此，水与聚合物之间相互作用的变化可能在调节TRPs的LCST中起重要作用。
共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）已被广泛用于研究聚合物，提供高分辨率的成像以及聚合物尺寸、分布和形态的宏观观察[17]。李等人[18]使用CLSM研究了聚苯乙烯和聚(甲基苯基硅氧烷)混合物的表面和内部相态差异，揭示了表面能如何影响相变形态。Maria等人[19]将CLSM与荧光相关光谱结合，研究了相分离的动力学，跟踪了从溶液到液滴形成和聚集的宏观行为。郝等人[20]利用CLSM进行了聚合物相的三维重建，提供了关于聚合物的空间分布、连通性和体积变化的见解。Swathi等人[21]使用CLSM观察了多孔聚合物薄膜中水相的原位自组装，证明通过CLSM进行润湿性分析可以表征聚合物表面的疏水性。在分子水平上，近红外（NIR）光谱探针是一种研究水与溶质分子之间相互作用的有力方法，提供了关于水结构和氢键相互作用的见解[22]。不同水结构在浓度、温度或添加剂变化等扰动下的NIR光谱变化可用于分析溶质分子的结构变化[23]，[24]。从氢键相互作用的角度研究了添加氨基酸[25]和盐[26]对水NIR光谱的影响。分析了添加剂浓度变化对水光谱峰位的影响，表明水NIR光谱中的光谱成分发生了变化。还利用NIR光谱和化学计量方法研究了不同温度下水溶液中蛋白质的二级结构[27]。在我们之前的研究中，通过对水结构进行NIR光谱分析[28]，[29]，[30]，[30]，研究了水与各种分子甚至水凝胶之间的相互作用[31]，[32]，[33]，特别是水溶液中PDMAEMA的聚集[34]。水光谱探针被证明是理解聚合物相变机制的一种可能方法。
在本研究中，通过结合CLSM和NIR光谱探针，分别使用尿素和PDMAEMA作为模型，从宏观到微观层面研究了添加剂对TRPs LCST的调节效应。CLSM成像提供了宏观视角，揭示了尿素对聚合物聚集形态和空间分布的影响。NIR光谱探针揭示了水在分子水平上调节聚合物LCST的作用。通过连续小波变换（CWT）和N阶主成分分析（NPCA）提取了聚合物、尿素和水的光谱特征及变化。特别是，获得了与聚合物和尿素相互作用的水的特殊结构的变化，从而从水的角度揭示了LCST的调控机制。
材料与样品制备
PDMAEMA（Mn = 10,000）和尿素购自Sigma-Aldrich。所有PDMAEMA-尿素水溶液均使用重蒸馏水制备。第1组溶液含有40 mg/mL的PDMAEMA，尿素浓度分别为60、120和300 mg/mL，以研究尿素浓度对LCST的影响。第2组溶液包含20、30、40和60 mg/mL的PDMAEMA，尿素浓度固定为120 mg/mL。这种设计旨在了解尿素修饰的机制
成像与分析
图1显示了在20°C和50°C下测量的PDMAEMA和PDMAEMA-尿素溶液的CLSM结果。已知荧光异硫氰酸酯基团与尿素在水系统中的反应缓慢且活性低[42]。因此，在当前实验条件下，其潜在影响很小。图1(A1)和(B1)显示在20°C时聚合物链稳定溶解在水中，荧光信号均匀分布，没有
结论
本研究结合了CLSM和水光谱探针，系统地研究了尿素对PDMAEMA溶液LCST的调控效应，从宏观到分子层面进行了探讨。CLSM结果表明，尿素导致更大的、更不均匀的聚合物聚集体，而借助CWT和NPCA的NIR分析表明，在尿素存在下PDMAEMA的LCST升高。NPCA结果表明，尿素可能抑制了松散中间结构的形成并稳定了聚合物
CRediT作者贡献声明
苗标：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件，资源，方法论，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。陈楠楠：撰写 – 审稿与编辑，可视化，数据管理。张方斋：验证，监督，资源，项目管理，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：22374082、52300025、52570020）和国家自然科学基金创新研究群体项目（编号：62021003）的支持。
