正負(fù)離子表面活性劑復(fù)配系統(tǒng)囊泡的可調(diào)控性

何少青，劉美娜，葉 恒，南延青，郝力生

(湖南師范大學(xué)化學(xué)生物學(xué)及中藥分析教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)化工學(xué)院，中國 長沙 410081)

自Kaler等人[1]用正負(fù)離子表面活性劑復(fù)配系統(tǒng)(簡稱CA系統(tǒng))制備了性質(zhì)穩(wěn)定的囊泡以來，有關(guān)CA系統(tǒng)的研究吸引了眾多研究者的興趣[2]．在一定表面活性劑總濃度和配比范圍內(nèi)，只需要將兩種帶相反電荷的離子表面活性劑水溶液簡單混合，即可制備出具有熱力學(xué)穩(wěn)定性的囊泡(簡稱CA囊泡)[3]，克服了傳統(tǒng)方法(如溶脹法、注射法、超聲法)存在操作復(fù)雜且制備的囊泡不穩(wěn)定的缺點(diǎn)．囊泡是理想的生物膜模擬系統(tǒng)，在藥物和基因的傳遞、控制釋放，作為微反應(yīng)器或軟模板在微納米材料合成等方面具有廣泛的應(yīng)用前景．CA囊泡的尺寸、荷電性質(zhì)、滲透性等可通過調(diào)節(jié)表面活性劑總濃度、配比、鏈長對稱性及加入添加劑等方法進(jìn)行調(diào)控，以滿足不同的研究及應(yīng)用中對囊泡的要求，因而CA囊泡成為近年來廣泛關(guān)注和研究的熱點(diǎn)[4-10]．靜電作用是使CA囊泡穩(wěn)定存在的原因[3]，鹽的加入可顯著影響CA系統(tǒng)中帶相反電荷的離子頭基間的靜電作用，可誘導(dǎo)膠束和囊泡間的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變[4-7]．Kunz等人[4-5]系統(tǒng)研究了無機(jī)鹽誘導(dǎo)的負(fù)離子表面活性劑過量的(SDS/DTAB[4], SL/DTAB[5])CA系統(tǒng)膠束向囊泡的轉(zhuǎn)變，對于指定濃度和配比的CA系統(tǒng)，鹽誘導(dǎo)的CA系統(tǒng)膠束向囊泡的轉(zhuǎn)變表現(xiàn)出顯著的無機(jī)反離子特異效應(yīng)，此外表面活性劑離子頭基和無機(jī)反離子間的水親合性匹配也是一個(gè)重要影響因素．研究表明[4-5]可通過加入不同種類和濃度的無機(jī)鹽調(diào)控囊泡的粒徑，但從描述囊泡微粒均一性的多分散指數(shù)PdI的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)這些囊泡的粒徑不均一．考慮到表面活性劑總濃度和配比都是影響CA系統(tǒng)聚集體結(jié)構(gòu)、尺寸和相行為的重要因素，本文基于Kunz等人[4]的研究工作，以十二烷基硫酸鈉(SDS)/十二烷基三甲基溴化銨(DTAB)/堿金屬氯化鹽水復(fù)配系統(tǒng)為研究對象，系統(tǒng)考察鹽的種類、濃度、表面活性劑總濃度及配比等因素對誘導(dǎo)的CA囊泡粒徑和多分散性的影響，進(jìn)而歸納出通過調(diào)節(jié)上述因素調(diào)控CA囊泡粒徑的規(guī)律．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

十二烷基三甲基溴化銨，南京旋光科技有限公司；十二烷基硫酸鈉，北京鼎國生物技術(shù)有限公司；氯化鋰(LiCl)，氯化銣(RbCl)，氯化銫(CsCl)，上海晶純試劑有限公司；氯化鈉(NaCl)，長沙市湘科精細(xì)化工廠；氯化鉀(KCl)，天津市大茂化學(xué)試劑廠．樣品均為分析純(≥99%)，使用前在333.15 K真空干燥24 h．二次重蒸水．

1.2 囊泡制備

以一定濃度的鹽水溶液為溶劑，分別配制濃度相同的DTAB和SDS溶液，然后將2種表面活性劑的鹽水溶液按一定物質(zhì)的量比混合，輕微振蕩，放于303.15±0.1 K的恒溫裝置中恒溫5 d，若復(fù)配系統(tǒng)為淡蘭色透明溶液，預(yù)示著囊泡自發(fā)形成[1]，將囊泡樣品用動(dòng)態(tài)光散射儀進(jìn)行粒徑測定．隨機(jī)選取一些不同配比的囊泡系統(tǒng)特別是囊泡相區(qū)邊界附近的系統(tǒng)，放置1個(gè)月甚至半年左右，淡蘭色透明溶液外觀無明顯變化，說明觀察到的是平衡條件下的相行為．此外，為驗(yàn)證所配置囊泡系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將其加熱到343.15 K放置24～48 h，再置于303.15 K的恒溫水浴中恒溫一段時(shí)間后，其相行為能夠復(fù)原，這說明與文獻(xiàn)結(jié)果類似[3]，這類囊泡系統(tǒng)具有熱力學(xué)穩(wěn)定性．

1.3 儀器與設(shè)備

1.3.1 透射電子顯微鏡(TEM) 以w=1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的醋酸鈾水溶液為負(fù)染色劑，將囊泡系統(tǒng)和聚合后的囊泡溶液分別負(fù)染制樣，然后用操作電壓為100 kV的JEOL-1230型電子顯微鏡觀測拍照[11]．

1.3.2 粒徑與分散系數(shù)的測定 采用Malvern Zetasizer Nano ZS 納米粒度及Zeta電位分析儀測試樣品的粒徑和多分散性．測試溫度為303.15 K，散射角為173°，平行測試3次．

2 結(jié)果和討論

2.1 SDS/DTAB/鹽水系統(tǒng)的囊泡相區(qū)

圖1 SDS/DTAB/NaCl/H2O系統(tǒng)在303.15 K和343.15 K下的囊泡相區(qū)Fig.1 The vesicular phase regions of SDD/DTAB/NaCl/H2O system at 303.15 K and 343.15 K

分別以22、30、44、60 mmol·L-1NaCl, 22 mmol·L-1KCl、RbCl、CsCl，60 mmol·L-1LiCl水溶液為溶劑，配制了表面活性劑wT=1.00%、具有不同配比、SDS過量的SDS/DTAB復(fù)配系統(tǒng)，在303.15 K下恒溫放置，目測觀察，若系統(tǒng)為淡蘭色透明溶液，則意味著有囊泡自發(fā)生成[1,12-13]．圖1為303.15 K下囊泡相區(qū)隨NaCl水溶液濃度cNaCl的變化；聚合反應(yīng)在343.15 K下進(jìn)行，該系統(tǒng)在343.15 K下的囊泡相區(qū)也被觀測確定．表面活性劑形成的聚集體微觀結(jié)構(gòu)與臨界堆積參數(shù)p有關(guān)，p=v/(lmaxa)，其中v和lmax分別表示表面活性劑疏水部分的體積和長度，a為有效頭基面積．當(dāng)1/3

從60 mmol·L-1LiCl和NaCl的SDS/DTAB系統(tǒng)和22mmol·L-1的SDS/DTAB/無機(jī)鹽(NaCl，KCl，RbCl和CsCl)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)在303.15 K時(shí)，隨著堿金屬離子半徑的增大，囊泡相區(qū)變寬,這與反離子結(jié)合度增強(qiáng)有關(guān)．而在343.15 K時(shí)，隨著堿金屬離子半徑的增大，囊泡相區(qū)反而變窄．這與在較高溫度下，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇等因素導(dǎo)致的囊泡結(jié)構(gòu)破壞有關(guān)．

A: MRSDS/DTAB=2.3 B: MRSDS/DTAB=2.4 C: MRSDS/DTAB=2.5圖2 wT=1.00% SDS/DTAB/44 mmol·L-1 NaCl/H2O復(fù)配系統(tǒng)(303.15 K)的TEM負(fù)染照片F(xiàn)ig.2 The negative staining TEM imagines of wT=1.00% SDS/DTAB/44 mmol·L-1 NaCl/H2O mixed systems

2.2 SDS/DTAB/鹽水系統(tǒng)囊泡的粒徑及影響因素

圖3 制備時(shí)間不同的wT =1.00% SDS/DTAB/44 mmol·kg-1 NaCl/H2O囊泡系統(tǒng)DLS結(jié)果Fig.3 The DLS results of wT=1.00% SDS/DTAB/44 mmol kg-1 NaCl/H2O (MRSDS/DTAB=2.3) vesicular systems with different preparation times

2.2.1 制備時(shí)間的影響 圖3給出了制備時(shí)間對wT=1.00% SDS/DTAB/NaCl/H2O復(fù)配囊泡系統(tǒng)的粒徑大小及其分布的影響．隨著制備時(shí)間的增長，囊泡的平均粒徑先是逐漸增大，粒徑分布范圍變寬，說明囊泡之間發(fā)生了互相融合的現(xiàn)象，在制備時(shí)間為5～7 d時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)穩(wěn)定時(shí)段，囊泡的粒徑及其分布變化很小，但是在9～15 d時(shí)，囊泡融合的趨勢又變得顯著，在15 d時(shí)，囊泡粒徑分布圖上出現(xiàn)了多個(gè)粒徑峰，而到25 d時(shí)，囊泡粒徑的均一程度變好，其后囊泡粒徑略減小然后粒徑分布趨于穩(wěn)定，如30 d和35 d時(shí)囊泡的粒徑及其分布與5～7 d時(shí)相近．這是由于最初制得的囊泡系統(tǒng)處于亞穩(wěn)態(tài)，有融合變大的趨勢，經(jīng)過一段時(shí)間的穩(wěn)定，最后達(dá)到系統(tǒng)能量最低、最穩(wěn)定的狀態(tài)[16]．因5～7 d時(shí)的情況與最終穩(wěn)定時(shí)的情況相似，所以本文囊泡的制備時(shí)間選擇為5 d．

2.2.2 無機(jī)鹽濃度的影響 選擇MRSDS/DTAB=2.30，2.40和2.50、wT=1.00% 的 SDS/DTAB/NaCl/H2O系統(tǒng)，考察cNaCl的改變對囊泡粒徑及多分散指數(shù)PdI的影響，DLS結(jié)果見圖4．在cNaCl較低時(shí)，對一定配比復(fù)配系統(tǒng)，其囊泡粒徑分布范圍較寬，PdI較大，隨cNaCl增大，粒徑分布圖上的多峰逐漸變?yōu)閱畏?，PdI減小，囊泡粒徑分布范圍變窄，單分散性變好，平均粒徑減?。Y(jié)合圖1和圖4，可知隨MRSDS/DTAB增大，誘導(dǎo)棒狀膠束向囊泡的轉(zhuǎn)化的無機(jī)鹽濃度隨之增大，MRSDS/DTAB較小即更接近等摩爾比的系統(tǒng),其a較小，p相對較大，較少量的無機(jī)鹽加入即可使p增大到1/2到1之間，更易于誘導(dǎo)棒狀膠束向囊泡的轉(zhuǎn)化．在無機(jī)鹽最初誘導(dǎo)棒狀膠束向囊泡轉(zhuǎn)化時(shí)，所形成的囊泡粒徑大小很不均勻，隨著鹽濃度的逐漸增大，p也逐漸增大，當(dāng)p增大到一定程度時(shí)，更有利于粒徑較小且較均一的囊泡生成．

圖4 wT =1.00% SDS/DTAB/NaCl/H2O復(fù)配系統(tǒng)DLS結(jié)果Fig.4 The DLS results of wT=1.00% SDS/DTAB/NaCl/H2O mixed systems

2.2.3 堿金屬氯化鹽中堿金屬離子的影響 圖5給出了堿金屬氯化鹽誘導(dǎo)的囊泡系統(tǒng)的DLS結(jié)果．對于MRSDS/DTAB=2.30和2.40的系統(tǒng)(圖5A)，即使LiCl的濃度高達(dá)60 mmol·L-1，生成的囊泡粒子粒徑分布范圍很寬，而在60 mmol·L-1NaCl水溶液中所形成的囊泡粒子單分散性較好．對于MRSDS/DTAB=2.30的系統(tǒng)(圖5B)，在22 mmol·L-1NaCl水溶液中所形成的囊泡粒子粒徑分布范圍很寬，而在同樣濃度的KCl、RbCl或CsCl水溶液中，所形成的囊泡粒子單分散性較好，囊泡的平均粒徑按如下無機(jī)鹽次序減小：KCl>RbCl≈CsCl．結(jié)果表明在堿金屬氯化鹽誘導(dǎo)棒狀膠束向囊泡轉(zhuǎn)化的過程中，反離子效應(yīng)按如下次序增強(qiáng)：Li+

A: wT=1.0%，鹽水濃度為60 mmol·L-1；B: wT=1.0%，鹽水濃度為22 mmol·L-1，MRSDS/DTAB=2.30；C: MRSDS/DTAB=2.40圖5 SDS/DTAB/鹽水系統(tǒng)DLS結(jié)果A: wT=1.0%, the concentration of salt solution is 60 mmol·L-1; B: wT=1.0%，the concentration of salt solution is 22 mmol·L-1, MRSDS/DTAB=2.30; C: MRSDS/DTAB=2.40Fig.5 The DLS results of SDS/DTAB/salt containing aqueous systems

2.2.4 配比的影響 以44 mmol·L-1NaCl水溶液為例，考察了配比改變對SDS/DTAB/NaCl/H2O系統(tǒng)生成的囊泡粒徑及多分散指數(shù)PdI的影響，結(jié)果見表1．由表1和圖4結(jié)果可見，在MRSDS/DTAB=2.5時(shí)，生成的囊泡是多分散的，PdI=0.956，囊泡的粒徑分布范圍很寬，由十幾nm到3 000 nm左右，且有3個(gè)顯著的峰值．隨配比MRSDS/DTAB減小，囊泡粒徑的PdI顯著減小，即DLS粒徑分布圖上的多峰變?yōu)閱畏?，同時(shí)Z均半徑逐漸減小．這與在一定鹽濃度下，一定表面活性劑總濃度的復(fù)配系統(tǒng)，在一定配比范圍內(nèi)，其p隨配比向等物質(zhì)的量比接近逐漸增大，更有利于囊泡粒子的生成有關(guān)．配比向等摩爾比接近時(shí)對囊泡的影響規(guī)律與增加鹽濃度，或與氯化鹽中堿金屬離子促進(jìn)結(jié)構(gòu)能力減弱、破壞結(jié)構(gòu)能力增強(qiáng)時(shí)的影響規(guī)律相類似．

表1 wT=1.00%SDS/DTAB/44 mmol·L-1 NaCl/H2O復(fù)配系統(tǒng)囊泡的Z均半徑r和PdI

2.2.5 表面活性劑總濃度的影響 對MRSDS/DTAB=2.40的SDS/DTAB/44 mmol·L-1NaCl/H2O復(fù)配系統(tǒng)，考察了表面活性劑總濃度wT改變對囊泡粒徑和PdI的影響．由圖5C可見，隨著wT增大，囊泡平均粒徑隨之增大，囊泡粒徑分布范圍顯著變寬，這表明PdI也在顯著增大．這與文獻(xiàn)[16]中一定配比的CTAB/SDBS囊泡粒徑隨濃度增大而增大的研究結(jié)果一致．這與復(fù)配系統(tǒng)所形成的聚集體，在較低濃度下組成更接近等物質(zhì)的量比，而在較高濃度下組成遠(yuǎn)離等物質(zhì)的量比，更接近體相組成[13,17]有關(guān)．隨囊泡組成向等物質(zhì)的量比接近，帶相反電荷的離子頭基間靜電引力增強(qiáng)，a減小，p增大，因而更有利于粒徑較小且較均勻的囊泡生成，因而表面活性劑總濃度降低，生成的囊泡粒徑減小，PdI也減?。?/p>

3 結(jié)論

多種因素影響SDS/DTAB/堿金屬氯化鹽水系統(tǒng)生成囊泡的平均粒徑和多分散指數(shù)PdI，這表明可以通過調(diào)節(jié)這些影響因素來調(diào)控復(fù)配系統(tǒng)的囊泡．無機(jī)鹽濃度、堿金屬離子的種類、配比MRSDS/DTAB以及表面活性劑總濃度wT是幾個(gè)主要影響因素．研究表明在囊泡相區(qū)中，在其他因素不變的情況下，增大無機(jī)鹽濃度，或減小MRSDS/DTAB，或減小wT，或促進(jìn)結(jié)構(gòu)型的堿金屬離子被破壞結(jié)構(gòu)型的堿金屬離子所取代，都有利于CA系統(tǒng)生成的囊泡平均粒徑的減小和單分散性的改善．研究結(jié)果表明利用如下一些CA系統(tǒng)可制得粒徑較均一的囊泡：wT=0.75%，0.85%，1.00%，MRSDS/DTAB=2.3～2.4的SDS/DATB/44 mmol·L-1NaCl/H2O；wT=1.00%，MRSDS/DTAB=2.3～2.5的SDS/DATB/60 mmol·L-1NaCl/H2O；wT=1.00%，MRSDS/DTAB=2.3的SDS/DATB/22 mmol·L-1KCl(或CsCl，或RbCl)/H2O．本文關(guān)于CA系統(tǒng)囊泡可調(diào)控性的研究可為以此囊泡系統(tǒng)為軟模板制備聚合物中空微球提供理論基礎(chǔ)，對實(shí)際應(yīng)用具有一定指導(dǎo)作用．

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