利用扩散核磁共振光谱技术量化水溶性聚合物混合物的生物降解过程

《ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION》：Quantifying the Biodegradation of Water-Soluble Polymer Mixtures with Diffusion NMR Spectroscopy

聚合物液体 formulations每年产生36万吨废物，其中13%进入自然环境，但它们的命运不清楚。本研究采用扩散核磁共振光谱技术，首次实现了对水溶性聚合物混合物生物降解的简便监测，同时分析化学组成和摩尔质量变化，解决了传统方法如SEC-MALS无法同时测量多组分的问题。

　　本文探讨了水溶性聚合物在液体制剂中的生物降解过程，并提出了一种新的分析方法——扩散核磁共振（Diffusion NMR）光谱技术，以更高效地监测和理解聚合物降解的动态变化。水溶性聚合物因其广泛的应用而在全球范围内产生了大量废弃物，每年约有3600万吨。其中，大约13%的聚合物直接进入并积累在自然环境中。然而，目前对这些聚合物在环境中的命运和降解机制的理解仍然有限，主要受限于现有分析技术的局限性。

传统的聚合物降解研究方法，如OECD标准的矿化测试，通常通过测量聚合物分解为二氧化碳的量来推断降解程度。这种方法虽然广泛使用，但无法直接测量聚合物的降解过程，也不能准确区分聚合物结构变化与降解产物的形成。此外，其他常用的分析方法，如高效液相色谱（HPLC）和质谱（MS），虽然能提供一定的信息，但它们往往需要复杂的样品前处理步骤，且只能单独分析一种物质，无法同时测量多个物种，尤其是在面对水溶性聚合物混合物时，这种限制更加明显。例如，尺寸排阻色谱（SEC）虽然能够提供相对的分子量信息，但由于聚合物和降解产物的水动力半径（R_H）差异较大，导致在分析过程中容易出现误差。而SEC-MALS（多角度光散射）虽然能够提供更精确的分子量数据，但其应用受到溶剂选择和标准校准曲线的限制，尤其是在处理不同化学结构的聚合物时。

为了解决这些问题，研究团队引入了一种新的技术——扩散NMR光谱法。该方法能够直接测量聚合物的化学变化和分子量变化，同时适用于多种溶剂条件，且无需复杂的样品处理。此外，扩散NMR光谱法的独特优势在于，它能够同时检测和分析不同分子量的多个物种，从而揭示聚合物在环境中的同时降解过程。这种能力使得研究者可以更全面地理解聚合物在不同环境条件下的降解行为，包括其化学结构的变化、分子量的减少以及降解产物的形成。

在实验中，研究团队选择了一种具有代表性的水溶性、可生物降解的聚合物——聚（5-甲基-5-羧基-1,3-二氧环己烷-2-酮）（PMC）作为模型。通过合成具有苯基保护基的单体（5-甲基-5-苯甲氧羰基-1,3-二氧环己烷-2-酮，Bn-MBC），并进行开环聚合（ROP）形成聚（5-甲基-5-苯甲氧羰基-1,3-二氧环己烷-2-酮）（PMBC），随后通过氢化去除保护基，得到PMC。PMBC被用作校准标准，以建立一个与溶剂无关的校准曲线，从而更准确地测量PMC的分子量变化。

在研究过程中，团队首先验证了扩散NMR光谱法在测量PMC水解过程中的有效性。他们将DP为240的PMC溶解在pH 9.1的碳酸钠缓冲液中，并在19°C下持续搅拌65天。通过NMR光谱分析，他们发现PMC的主降解产物为双羟甲基丙酸（bis-MPA），并且在降解过程中，分子量逐渐减少。此外，研究还发现，随着聚合物分子量的降低，其水解速率逐渐加快，而生物降解则在分子量较低时变得更加显著。这些结果表明，聚合物在高分子量阶段主要通过水解降解，而在低分子量化阶段则更容易被微生物分解。

为了进一步验证生物降解的作用，研究团队还进行了实验，将PMC溶解在含有抗生素的磷酸盐缓冲液（PBS）中，并加入大肠杆菌（E. coli）进行培养。结果显示，当存在E. coli时，PMC的降解速率显著提高，表明生物降解在低分子量化阶段对聚合物的分解起着关键作用。此外，研究还发现，在没有微生物参与的情况下，PMC的降解速率较慢，主要依赖于水解过程。这些结果表明，生物降解和水解可能同时发生，但其主导机制会随着聚合物分子量的变化而有所不同。

为了进一步探讨扩散NMR光谱法在分析复杂聚合物混合物中的潜力，研究团队还研究了PMC与聚乙二醇（PEG）的二元混合物的降解过程。他们发现，当PMC与PEG共存时，两种聚合物的降解速率均受到影响。例如，PEG的存在加速了PMC的水解过程，而PMC的降解产物也对PEG的降解产生了一定的影响。这种相互作用表明，扩散NMR光谱法不仅能够单独分析单一聚合物的降解过程，还能揭示不同聚合物在混合体系中的协同或竞争降解行为。

通过将扩散NMR光谱法应用于多种聚合物混合物，研究团队证明了该技术在环境监测中的广泛应用前景。传统的分析方法往往难以同时测量多个物种的分子量和化学组成，而扩散NMR光谱法能够克服这一障碍，提供更加全面和准确的数据。这不仅有助于理解聚合物在环境中的降解路径，还能为评估聚合物污染对生态系统的影响提供科学依据。

综上所述，扩散NMR光谱法为水溶性聚合物的生物降解研究提供了一种新的、高效的分析工具。该方法能够同时测量分子量和化学组成的变化，适用于多种溶剂条件，并且可以轻松地应用于复杂环境样品的分析。通过这种技术，研究者可以更深入地理解聚合物在自然环境中的降解机制，从而为开发更环保的聚合物材料和优化废物处理技术提供重要的科学支持。