聚乙二醇對(duì)Triton X-100膠束特性的影響

張楊龍，李夏云，劉楊

(汕頭大學(xué)理學(xué)院生物系，廣東汕頭515063)

聚乙二醇對(duì)Triton X-100膠束特性的影響

張楊龍，李夏云，劉楊

(汕頭大學(xué)理學(xué)院生物系，廣東汕頭515063)

為深入探索PEG/Triton X-100雙水相體系中PEG分子對(duì)非離子型表面活性劑Triton X-100膠束特性的影響，利用粘度法對(duì)非離子型表面活性劑Triton X-100水溶液的膠束化行為進(jìn)行表征，研究了PEG分子對(duì)Triton X-100水溶液膠束特性粘數(shù)[η]和水化程度的影響.結(jié)果表明，在含有PEG分子的Triton X-100膠束稀溶液中，PEG的分子量和濃度變化對(duì)膠束的特性粘數(shù)影響并不顯著；但隨著PEG分子量的增加，Triton X-100膠束的水化程度增加，膠束外殼與水溶液的相互作用增大.進(jìn)一步以苯甲?；阴１桨罚˙ZAA）作為探針，研究PEG分子對(duì)膠束內(nèi)核極性的影響.結(jié)果顯示PEG分子對(duì)Triton X-100膠束內(nèi)核極性具有顯著的影響：PEG濃度越大，BZAA在膠束內(nèi)烯醇式結(jié)構(gòu)減少，表明膠束內(nèi)核極性增加；同時(shí)隨著PEG分子量的增加，對(duì)內(nèi)核極性的影響程度降低.

Triton X-100；膠束；特性粘度；水化程度；內(nèi)核極性；聚乙二醇

Triton X-100（辛基苯基聚氧乙烯醚）是一種非離子型表面活性劑，分子結(jié)構(gòu)由聚氧乙烯鏈的親水性頭基和烷烴鏈的疏水性尾基組成.當(dāng)其水溶液濃度超過(guò)其臨界膠束濃度（CMC=0.138×10-3~0.15×10-3g·ml-1）時(shí)，Triton X-100分子能夠聚集在一起形成膠束，其疏水性尾部聚合形成疏水性?xún)?nèi)核，對(duì)疏水性分子有良好的增溶作用，可應(yīng)用于強(qiáng)疏水性?xún)?nèi)在膜蛋白研究[1-2].由非離子型表面活性劑形成的雙水相體系是一種分離和純化膜蛋白的有效手段[3-4]，尤其是非離子型表面活性劑與親水性聚合物形成的雙水相體系，可使疏水性膜蛋白富集于表面活性劑相，親水性蛋白富集于聚合物相，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)疏水性膜蛋白的富集分離.然而，非離子型表面活性劑水溶液中的膠束化行為比較復(fù)雜，溶液環(huán)境的變化會(huì)導(dǎo)致表面活性劑膠束性質(zhì)的改變[5-7].研究學(xué)者結(jié)合動(dòng)態(tài)光散射、粘度法、核磁共振等檢測(cè)方法對(duì)非離子型表面活性劑膠束的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行一系列的研究，報(bào)道了膠束的分子量、大小和形狀等性質(zhì)參數(shù)特征[8-9].而對(duì)于由PEG（聚乙二醇）與Triton X-100形成的雙水相體系[10]，尚缺乏對(duì)Triton X-100富集相膠束化行為的系統(tǒng)研究，探索Triton X-100膠束化行為受成相組分PEG分子的影響規(guī)律，有助于深入探索PEG/Triton X-100雙水相體系相平衡特性及疏水性膜蛋白的分配機(jī)理.因此，本文基于PEG/Triton X-100雙水相體系相平衡中兩種成相組分濃度的比例關(guān)系，研究PEG分子對(duì)Triton X-100膠束化行為的影響，首先通過(guò)粘度法[11]研究了PEG分子對(duì)Triton X-100膠束特性粘數(shù)[η]以及水化作用等基本性質(zhì)的影響，然后利用苯甲酰基乙酰苯胺（BZAA）作為探針，對(duì)Triton X-100膠束溶液的內(nèi)核極性進(jìn)行表征，考察PEG分子對(duì)膠束內(nèi)核極性的影響.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料：

Triton X-100、PEG 20 000、PEG 8 000、PEG 4 000均購(gòu)買(mǎi)于AMERCO公司.苯甲酰基乙酰苯胺（BZAA）來(lái)自于Tokyo化工公司；其它試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法：

1.2.1 膠束溶液的制備將Triton X-100用0.01 mol/L磷酸鹽緩沖液（PBS，pH=7）溶解，配制成一系列濃度梯度的膠束溶液（0～0.04 g·ml-1），分別測(cè)量其粘度.在保證Triton X-100終濃度不變的條件下，與不同分子量的PEG（20 000，8 000和4 000）混合，使PEG的終濃度分別為0.001 g·ml-1、0.005 g·ml-1和0.01 g·ml-1，在同樣條件下測(cè)量溶液粘度. 1.2.2溶液粘度的測(cè)定根據(jù)GB/T 1632-93中的方法[12]，25℃條件下，利用烏氏粘度計(jì)測(cè)量Triton X-100膠束水溶液的粘度.分別測(cè)量溶液流過(guò)毛細(xì)管的流出時(shí)間t以及對(duì)應(yīng)溶劑流過(guò)毛細(xì)管的時(shí)間t0，溶液粘度與留出時(shí)間和體積密度之積成正比，稀溶液和純?nèi)軇┚哂邢嗨频拿芏?，故溶液的相?duì)粘度為：

1.2.3 膠束的內(nèi)核極性的測(cè)量根據(jù)Shoji et.al所用的方法[13]，配制10 mg·L-1的BZAA溶液，以此作為溶劑，按表1分別配制含有不同濃度PEG的（混合）膠束溶液，恒溫25℃振蕩12 h混勻，在220～350 nm范圍內(nèi)進(jìn)行光譜掃描.

表1 含有不同濃度PEG的Triton X-100膠束溶液

2 結(jié)果與討論

2.1 Triton X-100膠束外殼的水化

非離子型表面活性劑在CMC以上才會(huì)形成膠束，因此以CMC時(shí)膠束溶液的粘度為參照，即測(cè)定C＞CMC時(shí)膠束溶液的相對(duì)粘度ηr=η/ηcmc，由于Triton X-100的CMC極低，ηcmc與純?nèi)軇┑恼扯认嗨疲虼薍uggins方程[14]可以改寫(xiě)為：

其中，ηsp表示稀溶液的增濃粘度，C代表膠束溶液的濃度，單位是g·mL-1，[η]表示溶液的特性粘數(shù).分別測(cè)量不同濃度的Triton X-100膠束水溶液（0-0.03 g·ml-1）的相對(duì)粘度ηr，通過(guò)ηsp/C~C作圖，由直線的截距和斜率可以得到膠束溶液特性粘數(shù)[η]和Huggins系數(shù)kΗ.特性粘數(shù)[η]反映單個(gè)Triton X-100膠束對(duì)粘度的貢獻(xiàn)，Huggins系數(shù)kΗ描述膠束與溶液環(huán)境之間的相互作用，其數(shù)值越大表明相互作用越弱[15].將不同濃度和不同分子量的PEG與Triton X-100水溶液混合后，根據(jù)方程（2）得到膠束的特性粘數(shù)[η]均在6.0 ml·g-1左右（圖1和表2）.此研究結(jié)果表明低濃度的PEG分子對(duì)Triton X-100膠束與水的相互作用沒(méi)有顯著影響.

表2 Trtion X-100/PEG混合膠束外殼的水化

圖1 PEG對(duì)Triton X-100膠束溶液特性粘數(shù)[η]和Huggins系數(shù)kΗ的影響

Huggins常數(shù)kΗ的數(shù)值還可用于表征表面活性劑膠束的形狀，Bahadur等人[16]研究嵌段共聚物Pluronic P94水溶液的性質(zhì)，在一定溫度范圍內(nèi)，kΗ約為2左右，可認(rèn)為Pluronic P94膠束是球形的.而在Triton X-100與PEG的混合水溶液中，kΗ數(shù)值為3.7~ 4.0左右，說(shuō)明Triton X-100膠束并不呈球形.

大多數(shù)非離子型表面活性劑在低濃度條件下（接近于CMC），膠束都是呈球型的[9]，然而，Wright[17]通過(guò)瞬態(tài)電雙折射技術(shù)證實(shí)Triton X-100膠束并不呈球形，Dennis等人[18]在此基礎(chǔ)上通過(guò)粘度法證實(shí)Triton X-100膠束形狀約為橢球形.因此根據(jù)Oncley方程[16]：

其中vm和vs表示表面活性劑膠束和溶劑的偏比容體積（1/ρ），δ表示膠束的水化度（溶解每克溶質(zhì)所需溶劑的量），用于表征膠束與水的相互作用.ν表示與膠束形狀有關(guān)的因子.對(duì)于穩(wěn)定的球形分子來(lái)說(shuō)，ν=2.5，而根據(jù)Dennis的研究結(jié)果，可計(jì)算出Triton X-100的ν約為2.8左右.本實(shí)驗(yàn)通過(guò)方程（3）可以得出Triton X-100膠束表面的水化數(shù)δ在1.2（g·g-1）左右（表1），這與H.Paradies等[8]的研究結(jié)果（δ=1.21 g·g-1）一致.研究結(jié)果表明低濃度PEG分子對(duì)Triton X-100膠束沒(méi)有明顯的影響，但隨著PEG分子量的增加，Triton X-100膠束的水化數(shù)增加，即膠束與水的相互作用增加，不利于Triton X-100膠束的形成.

最后，根據(jù)Guth和Simhas方程[19]

可以得到膠束的形狀和體積的相關(guān)參數(shù)：其中，?表示膠束所占的體積分?jǐn)?shù)，C表示表面活性劑的濃度，V表示水化膠束的有效比容體積.當(dāng)以V對(duì)C作圖，所得的V值保持恒定，即近似水平的直線時(shí)，可證實(shí)Triton X-100膠束尺寸是單分散性的[20].從圖2可以看出在PEG和表面活性劑的混合水溶液中，有效比容體積V沒(méi)有呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，但是基本保持恒定，證明Triton X-100膠束是單分散性的.

圖2 PEG對(duì)Triton X-100水溶液有效比容體積V的影響

2.2 Triton X-100膠束的內(nèi)核極性

Triton X-100溶液在濃度大于CMC后，會(huì)自我組裝形成膠束聚集體，形成具有疏水性的內(nèi)核.對(duì)于表面活性劑來(lái)說(shuō)，溶液環(huán)境的變化會(huì)導(dǎo)致膠束內(nèi)核極性發(fā)生變化[19].本實(shí)驗(yàn)利用BZAA作為探針，表征溶液環(huán)境變化對(duì)Triton X-100膠束溶液的影響.BZAA會(huì)以烯醇式結(jié)構(gòu)存在于非極性環(huán)境中，在310 nm左右有最大吸收峰.而當(dāng)BZAA在極性環(huán)境中以酮式結(jié)構(gòu)存在時(shí)，在240 nm處有最大吸收峰[13].

圖3 BZAA溶解在不同溶劑中的吸收光譜

2.2.1 BZAA在不同溶劑中的溶解性質(zhì)首先對(duì)溶解在不同溶劑中的BZAA溶液進(jìn)行光譜掃描，以描述BZAA分子在不同極性溶液中的分子結(jié)構(gòu)變化情況.圖3是乙醇、正十二烷以及PBS作為溶劑的BZAA溶液的光譜吸收?qǐng)D.從圖中可以看出BZAA極易溶于乙醇，分別在240 nm和310 nm處的最大吸收峰較高；而在十二烷中的溶解性比乙醇低，導(dǎo)致其吸收峰也相對(duì)較低；在PBS緩沖液中，310 nm左右處沒(méi)有最大吸收峰，說(shuō)明BZAA分子在水溶液中沒(méi)有烯醇式結(jié)構(gòu)存在.

2.2.2 PEG對(duì)Triton X-100膠束內(nèi)核極性的影響研究表明，Triton X-100分子和PEG分子混合后會(huì)發(fā)生一定的相互作用，導(dǎo)致Triton X-100膠束的溶劑化作用發(fā)生變化[21]，從而可引起膠束內(nèi)核極性的改變.根據(jù)BZAA在不同極性溶液環(huán)境中的溶解性質(zhì)，選擇10 mg·L-1的BZAA溶液作為母液，分別以此母液配制不同濃度Triton X-100溶液.當(dāng)Triton X-100溶液的濃度低于臨界膠束濃度時(shí)（C＜CMC），310 nm處幾乎沒(méi)有光譜吸收（如圖4中的曲線a和b），而當(dāng)Triton X-100溶液的濃度高于臨界膠束濃度時(shí)（C＞CMC），310 nm處的具有光譜吸收，隨著Triton X-100濃度的增加，光譜吸收值增加（如圖4中的c-h曲線）.光譜掃描結(jié)果表明隨著Triton X-100濃度的增加，膠束內(nèi)核的疏水性逐漸增大.此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與N.Shoji等人的研究結(jié)果相似，對(duì)于大多數(shù)非離子型表面活性劑來(lái)說(shuō)，隨著膠束內(nèi)核疏水性增加，310nm處光譜吸收值增加，240nm處的光譜吸收值減小[13]，但是由于TritonX-100本身在280nm處有光譜吸收，會(huì)影響B(tài)ZAA在240nm處的光譜吸收.

圖4 不同濃度的Triton X-100膠束溶液含有10 mg·L-1BZAA的吸收光譜

根據(jù)上述掃描結(jié)果，最終選擇0.005 g·ml-1和0.01 g·ml-1的Triton X-100膠束溶液，進(jìn)一步研究PEG分子對(duì)膠束內(nèi)核極性的影響.首先將PEG 20 000與Triton X-100溶液按一定比例混合，配制成含有不同濃度PEG 20 000與Triton X-100的二元混合體系，其中Triton X-100的終濃度為0.01 g·ml-1或0.005 g·ml-1.光譜掃描結(jié)果如圖5所示，圖（a）和（b）分別是含有不同濃度PEG 20 000在0.01 g·ml-1和0.005 g·ml-1Triton X-100膠束溶液中對(duì)吸收光譜的影響.添加PEG分子后，Triton X-100在310 nm處的光譜吸收值總體呈下降趨勢(shì)，即在膠束結(jié)構(gòu)中BZAA的烯醇式結(jié)構(gòu)減少，Triton X-100膠束內(nèi)核的極性增加.PEG濃度越大，對(duì)膠束的內(nèi)核極性影響程度越大，尤其在較高Triton X-100濃度時(shí)趨勢(shì)更加明顯.對(duì)0.005 g·ml-1Triton X-100溶液的影響也表現(xiàn)出相似的結(jié)果，但是由于Triton X-100溶液濃度低，影響程度較低.

為進(jìn)一步考察不同分子量PEG對(duì)Triton X-100膠束內(nèi)核極性的影響，將濃度為0.01 g·ml-1不同分子量的PEG（20 000，8 000和4 000）與Triton X-100膠束溶液混合，其中Triton X-100的終濃度為0.01 g·ml-1.光譜掃描結(jié)果如圖6所示，結(jié)果表明隨著PEG分子量的增大，310 nm處光譜吸收的降低程度減小，即PEG分子量越大，在膠束結(jié)構(gòu)中BZAA烯醇式結(jié)構(gòu)減少，內(nèi)核極性增加.這可能是由于隨著PEG分子量的增大，PEG分子的烷烴鏈增加，相對(duì)疏水性增大，反而對(duì)TritonX-100膠束內(nèi)核極性的影響程度降低.

圖6 不同分子量的PEG分別對(duì)Triton X-100膠束溶液吸收光譜的影響

3 結(jié)論

通過(guò)研究在PEG/Triton X-100雙水相體系中溶液環(huán)境變化對(duì)Triton X-100膠束溶液性質(zhì)影響，表明了PEG分子與Triton X-100分子混合后，會(huì)影響Triton X-100膠束的特性粘數(shù)[η]、外殼水化數(shù)δ、有效比容體積V以及內(nèi)核極性.

（1）粘度法研究結(jié)果表明：添加不同濃度（0~0.01g/ml）和不同分子量的PEG后，Triton X-100膠束的特性粘數(shù)[η]、Huggins系數(shù)kH沒(méi)有明顯的變化，但是隨著PEG分子量的增加，膠束外殼水化數(shù)δ逐漸增加.這就說(shuō)明在Triton X-100膠束稀溶液中，低濃度PEG分子對(duì)Triton X-100膠束與水的相互作用影響不大；高分子量的PEG會(huì)導(dǎo)致膠束與水的相互作用增加，不利于膠束的形成.

（2）Triton X-100膠束內(nèi)核極性研究結(jié)果表明：PEG會(huì)影響Triton X-100膠束內(nèi)部的結(jié)構(gòu).在Triton X-100膠束水溶液中添加PEG分子后，BZAA在膠束中的烯醇式結(jié)構(gòu)減少，Triton X-100膠束內(nèi)核極性增加，PEG濃度越大，Triton X-100膠束內(nèi)核極性越強(qiáng).然而，在高分子量PEG與Triton X-100膠束溶液混合后，對(duì)膠束內(nèi)核極性的影響程度反而降低.

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Effect of Polyethylene Glycol on Triton X-100 Micellar Properties

ZHANG Yanglong，LI Xiayun，LIU Yang
（Department of Biology，College of Science，Shantou University，Shantou 515063，Guangdong，China）

The effect of polyethylene glycol on Triton X-100 micellar structure and micellar inner polarity is investigated.The shape and hydration of Triton X-100 micelles containing polyethylene glycol are performed based on viscosity method.The results indicate that the intrinsic viscosity of micellar has no significant changes when PEG exists，while the hydration increases with higher molecule weight of PEG.Moreover，the micellar inner polarity measurement is made by a comparison of keto-enol tautomerism usingbenzoylacetaanilide（BZAA）.Adecreaseintheenolicabsorptionoccursas polyethylene glycol with different concentration and molecule weight are added to the micellar solutions.The trend is decreased when PEG of higher molecule weight exists in micellar solution of Triton X-100.

Triton X-100；micelles；intrinsicviscosity；hydration；innerpolarity；polyethylene glycol

Q 5

A

1001-4217（2015）01-0040-08

2014-10-08

張楊龍（1988-），男，研究生，碩士，主要研究方向：生物分離技術(shù).E-mail：11ylzhang1@stu.edu.cn

劉楊（1978-），女，教授，博士，主要研究方向：生物分離技術(shù).E-mail：liuyanglft@stu.edu.cn

廣東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃（Yq2013076），廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012B060400006），廣東省高等學(xué)校學(xué)科與專(zhuān)業(yè)建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（2012KJCX0052）