一種新的Bola型表面活性劑及其臨界膠束濃度的不同方法測定

田冬梅, 王潔瑩, 袁 悅, 胡貝貝, 邱鈺婷, 林 新

(1. 沈陽師范大學 化學化工學院, 沈陽 110034; 2. 沈陽藥科大學 藥學院, 沈陽 110016)

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一種新的Bola型表面活性劑及其臨界膠束濃度的不同方法測定

田冬梅1, 王潔瑩1, 袁 悅2, 胡貝貝2, 邱鈺婷1, 林 新1

(1. 沈陽師范大學 化學化工學院, 沈陽 110034; 2. 沈陽藥科大學 藥學院, 沈陽 110016)

成功合成了一種以苯丙氨酸為極性頭基的新的Bola型表面活性劑----1,12-二苯丙氨酸十二烷(DADPhe),并依次用表面張力法、電導率法和芘熒光探針法測定了1,12-二苯丙氨酸十二烷的臨界膠束濃度(CMC),測定結(jié)果分別為0.04 mmol·L-1、0.03 mmol·L-1和0.029 8 mmol·L-1。實驗結(jié)果表明,此3種方法的測定值略有不同,其中電導率法和芘熒光探針法的數(shù)值相近,而表面張力法所得數(shù)值與其他2種方法有微小差異,推測與環(huán)境因素有關(guān)。進一步分析比較3種實驗結(jié)果的差異性發(fā)現(xiàn),芘熒光探針法測定的結(jié)果更為準確適宜。

Bola型表面活性劑; 臨界膠束濃度(CMC); 表面張力法; 電導率法; 芘熒光探針法

0 引 言

Bola型表面活性劑[1](Bola amphiphile)是一種由2個親水的極性頭基和1根或多根疏水鏈鍵合而成的新型表面活性劑。按親水基所帶電荷性質(zhì)不同,可將其分為離子和非離子2大類,還可按親水基對稱性的不同,分為對稱和非對稱2種。與傳統(tǒng)單鏈表面活性劑相比,Bola型表面活性劑在水中具有較好的自組裝能力,可在溶液中形成球形或棒狀等多種形態(tài)的聚集體[2],在生物模擬和藥物傳遞方面有潛在的優(yōu)勢。

表面活性劑的臨界膠束濃度(critical micelle concentrations, CMC)是指表面活性劑分子在溶液中締合形成膠束的最低濃度[3]。稀溶液中表面活性劑分子的親水基朝向水內(nèi)而疏水基朝向空氣,覆蓋在水的表面使水的表面張力降低。當表面吸附達到飽和時增加溶液濃度,表面活性劑分子會在溶液內(nèi)部自聚形成膠束,剛開始形成膠束時的濃度稱為表面活性劑的臨界膠束濃度[4],簡稱CMC。CMC對研究表面活性劑的聚集形態(tài)有重要意義,當濃度超過CMC后,表面活性劑分子會自組裝形成膠束、囊泡等多種有序結(jié)構(gòu)[2],這些結(jié)構(gòu)使其成為藥物可控釋放的理想的載體材料。

當表面活性劑溶液的濃度達到CMC值時,其理化性質(zhì)如表面張力、電導率和滲透壓等都會有明顯變化[5],通常根據(jù)這一性質(zhì)測定表面活性劑的CMC。測定CMC的常用方法有表面張力法[6]、電導率法[7]、芘熒光探針法[8]、光散射法、紫外分光光度法和染料吸附法[9]等。由于不同方法對表面活性劑總濃度的變化范圍和靈敏度的影響不同,測得的CMC值也會略有不同。本文采用前3種方法測定Bola型表面活性劑的CMC,并分析比較不同方法測定結(jié)果的差異性和準確性。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(河南鞏義英峪予華儀器廠),BZY-201型自動表面張力儀(上海方瑞儀器有限公司),DDS-11A數(shù)顯電導率儀(上海雷茲新涇儀器有限公司),多功能酶標儀(美國Thermo Scientific公司)。

自制Bola型表面活性劑1,12-二苯丙氨酸十二烷(DADPhe),芘(w=99%)(美國Sigma公司)。

1.2 DADPhe的合成

參照文獻實驗步驟合成DADPhe[10-11],反應方程式如下:

圖1 DADPhe合成路線圖

稱取1,12-二氨基十二烷0.200 4 g(1 mmol)溶于10 mL二氯甲烷,依次加入N,N-二異丙基乙胺(DIEA)0.43 mL和苯并三氮唑-1-基氧三(二甲氨基)磷鎓六氧磷酸鹽(BOP)1.106 3 g(2.5 mmol)。BOC保護的苯丙氨酸(Boc-Phe-OH)0.609 0 g(2.5 mmol)溶于5 mL二氯甲烷,加入上述反應液中,室溫下攪拌4 h。反應結(jié)束后,減壓旋蒸除去二氯甲烷,加入10 mL乙酸乙酯溶解中間產(chǎn)物,分別用水、飽和碳酸氫鈉、飽和氯化鈉溶液萃取,有機層加無水硫酸鈉干燥,靜置過夜。

將反應液過濾,補加2 mL乙酸乙酯,攪拌下通入干燥的氯化氫氣體,溶液中出現(xiàn)白色固體,待白色固體沉淀完畢后停止反應,將過濾后的固體溶于無水甲醇中繼續(xù)通干燥氯化氫氣體。BOC保護基脫去完全后停止反應,減壓旋蒸除甲醇,重復多次,以除去氣體副產(chǎn)物。最終得到目標產(chǎn)物為白色固體,收率(w)為87.63%。

1.3 臨界膠束濃度(CMC)測定

1.3.1 表面張力法

配制一系列濃度在0.01～1 mmol·L-1之間的DADPhe溶液。在25 ℃下,用表面張力儀測定濃度從低到高的一系列DADPhe溶液的表面張力值并記錄數(shù)據(jù)。

1.3.2 電導率法

配制一系列濃度在0.01～1 mmol·L-1之間的DADPhe溶液。在25 ℃下,按濃度從低到高的順序,用電導率儀測定各溶液電導率值,待讀數(shù)穩(wěn)定后(約5分鐘)記錄數(shù)據(jù)。

1.3.3 芘熒光探針法

配制芘的水溶液,濃度約為7×10-5mol·L-1,測定芘在水中的發(fā)射光譜。稱取芘31.41 mg,用乙醇定容于25 mL容量瓶中。分別移取上述溶液100 μL置于20個空瓶中后放入真空干燥箱中干燥,使乙醇揮發(fā)完全,再分別加入電導率法中配制的一系列濃度的樣品溶液2 mL,超聲4 h后40 ℃恒溫24 h[11]。測定各溶液的熒光強度,激發(fā)波長為334 nm,發(fā)射波長分別為376 nm和385 nm。掃描速度100 nm/s,狹縫寬度12 nm。每個樣品平行3組取平均值。

2 實驗結(jié)果

2.1 表面張力法

吊環(huán)法測得的表面張力值P再乘以校正因子F即是溶液的實際表面張力,即γ=P·F。校正因子F的公式如下[12]:

圖2 25 ℃時DADPhe的表面張力隨濃度變化曲線Fig.2 Surface tension of DADPhe at 25 ℃

其中:P為顯示讀數(shù)值,mN/m;C、R分別為環(huán)的周長和半徑,cm;D、d分別為液體和氣體密度,g·ml-1;r為鉑金絲半徑,cm。

DADPhe溶液的表面張力測定結(jié)果如圖2。開始時表面張力隨著DADPhe濃度的增大急劇減小,達到一定濃度后則變化緩慢,此濃度為曲線上的轉(zhuǎn)折點即CMC。由圖可知,曲線在0.04mmol·L-1處出現(xiàn)小幅下降之后表面張力值逐漸趨于穩(wěn)定,表明在此濃度下溶液開始形成膠束,同時對降低水的表面張力作用減弱,所以DADPhe的CMC值在0.04mmol·L-1左右。

2.2 電導率法

圖3 25 ℃時DADPhe的電導率隨濃度變化結(jié)果Fig.3 The conductivity of DADPhe at 25 ℃

25 ℃時DADPhe溶液的電導率測定結(jié)果如圖3。由圖可知,電導率隨著DADPhe濃度的增加而近乎呈線性增加,當濃度達到CMC時,由于溶液中的一部分分子形成了膠束,且膠束的定向移動速率減緩,電導率的變化趨勢會因此發(fā)生顯著變化,所以曲線的轉(zhuǎn)折點即為CMC值。折點處電導率值約為7.56Scm-1,即可測得室溫(25 ℃)下DADPhe的CMC值為0.03 mmol·L-1。

2.3 芘熒光探針法

芘熒光探針法測定結(jié)果如圖4和5。圖4為芘的熒光發(fā)射光譜,芘單體的穩(wěn)態(tài)熒光光譜有5個電子振動峰,分別在376 nm(I1)、380 nm(I2)、385 nm(I3)、390 nm(I4)和395 nm(I5)附近,其中芘分子所處環(huán)境的極性會影響I1和I3之比。濃度不同的表面活性劑溶液對芘的增溶能力不同,當溶液濃度超過CMC后,其增溶能力就會出現(xiàn)一個突變[13]。因此,在芘增溶于膠束后,所處環(huán)境的極性會產(chǎn)生變化從而引起I1/I3值的突變(膠束形成)[14],可應用此突變來確定其CMC。

圖5為I1/I3隨DADPhe濃度的變化曲線,曲線上急劇下降的點為CMC值。根據(jù)Sigmoid-Boltzmann公式(SBE)計算得到CMC值[15]:

式中:x為表面活性劑濃度;A1和A2分別為高、低表面活性劑濃度下的I1/I3;x0為曲線突變中點,即表面活性劑的CMC值;Δx是描述曲線突變程度的參數(shù),在突變中點作曲線斜率,與A1、A2兩條平行于橫軸的直線相交,兩交點水平距離的1/4就是Δx。由計算可得CMC值約為0.029 8 mmol·L-1。

圖4 芘單體在水溶液中的熒光發(fā)射光譜

圖5 I1/I3隨DADPhe濃度變化的曲線

3 結(jié) 論

由實驗結(jié)果可知:表面張力法測得的CMC約為0.04 mmol·L-1,電導率法為0.03 mmol·L-1,芘熒光探針法為0.029 8 mmol·L-1。3種方法測定值略有不同,其中電導率法和芘熒光探針法測得的數(shù)據(jù)相近,而表面張力法所得數(shù)據(jù)與其他2種方法有微小差距,這可能與測試方法和環(huán)境因素有關(guān)。

表面張力法的應用廣泛且測量過程簡便,對高低表面活性的表面活性劑都具有相似的靈敏度[16]。但在吊環(huán)法中,環(huán)的水平程度和容器的大小等都會影響結(jié)果的準確性[17]。如果在操作過程中沒有掌握好將吊環(huán)拉離液面時的力度而使液面發(fā)生擾動,就會造成測量結(jié)果誤差。

電導率法有用樣少、操作簡單、數(shù)據(jù)準確、誤差小等優(yōu)勢,是測量CMC的經(jīng)典方法[18]。但電導率法對離子型表面活性劑更為靈敏[19],對本實驗合成的Bola型表面活性劑的轉(zhuǎn)折點不是十分明顯。同時電導率法還容易受到溶液中的酸堿離子(如OH-)的影響[20],與表面活性劑中的堿性親水頭基結(jié)合,使電導率降低,造成誤差。

相比于前2種方法,芘熒光探針法雖然耗時較多,但其對體系無特殊要求而且干擾小,且受溶劑環(huán)境的影響也較小[21],測量結(jié)果更為精確。從分子結(jié)構(gòu)上分析,Bola型表面活性劑形成膠束的形狀不同于普通膠束,2個頭基分別在碳鏈的兩側(cè),且對稱性排列,頭基深度埋在2個大苯環(huán)基團內(nèi)部,對表面張力影響較小,對電導率影響較小,造成突躍不大,判斷不夠靈敏。芘熒光探針法中,探針直接靠近極性基團中心進入分子團簇的內(nèi)部,因此,熒光變化較大,更容易判斷突躍發(fā)生位置。而且熒光法本身就具有較高的靈敏度,因此,通過比較分析上述結(jié)果知,芘熒光探針法是測定表面活性劑CMC的準確適宜的方法。

[1]NURAJE N, BAI H Y, SU K. Bolaamphiphilic molecules: Assembly and applications[J]. Progress in Polymer Science, 2013,38(2):302-343.

[2]劉蕊,王香梅,胡亞鵬. Bola型表面活性劑自組裝囊泡的研究進展[J]. 日用化學工業(yè), 2014,44(10):584-589.

[3]ATTWOOD D. Surfactant systems: their chemistry, pharmacy and biology[M]. Netherlands: Springer Science & Business Media, 2012.

[4]FENDLER J. Catalysis in micellar and macromoleular systems[M]. Netherlands:Elsevier, 2012.

[5]SANTOS A P, PANAGIOTOPOULOS A Z. Determination of the critical micelle concentration in simulations of surfactant systems[J]. The Journal of Chemical Physics, 2016,144(4):709.

[6]CHANG K, MACOSKO C W, MORSE D C. Interfacial tension measurement and micellization in a polymer blend with copolymer surfactant: A false critical micelle concentration[J]. Macromolecules, 2015,48(22):8154-8168.

[7]KUMAR B, TIKARIHA D, GHOSH K K, et al. Effect of polymers and temperature on critical micelle concentration of some gemini and monomeric surfactants[J]. The Journal of Chemical Thermodynamics, 2013,62(7):178-185.

[8]BHAISARE M L, PANDEY S, KHAN M S, et al. Fluorophotometric determination of critical micelle concentration (CMC) of ionic and non-ionic surfactants with carbon dots via Stokes shift[J]. Talanta, 2015,132(2):572-578.

[9]過偉,胡毅平,吳碩雄. 表面活性劑臨界膠束濃度測定方法的研究進展[J]. 實用藥物與臨床, 2010,13(2):140-144.

[10]HU B B, YUAN Y, ZHOU X P, et al. Synthesis and properties of a novel bolaamphiphile surfactant derived from proline[J]. Chinese Chemical Letters, 2016,27(3):447-450.

[11]胡貝貝,袁悅,周小平,等. 基于絲氨酸的Bola型表面活性劑的合成及理化性質(zhì)[J]. 沈陽藥科大學學報, 2016,33(6):419-425.

[12]郭瑞. 表面張力測量方法綜述[J]. 計量與測試技術(shù), 2009,36(4):62-64.

[13]ZDZIENNICKA A, SZYMCZYK K, KRAWCZYK J, et al. Critical micelle concentration of some surfactants and thermodynamic parameters of their micellization[J]. Fluid Phase Equilibria, 2012,5322/5323:126-134.

[14]MITSIONIS A I, VAIMAKIS T C. Estimation of AOT and SDS CMC in a methanol using conductometry, viscometry and pyrene fluorescence spectroscopy methods[J]. Chemical Physics Letters, 2012,547(18):110-113.

[15]楊濤,李文娟,周從山. 芘熒光探針光譜法測定CTAB臨界膠束濃度[J]. 石化技術(shù)與應用, 2007,25(1):48-50.

[16]BURLATSKY S F, ATRAZHEV V V, DMITRIEV D V, et al. Surface tension model for surfactant solutions at the critical micelle concentration[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2013,393(2):151-160.

[17]奚新國. 表面張力測定方法的現(xiàn)狀與進展[J]. 鹽城工學院學報(自然科學版), 2008,21(3):1-4.

[18]MATTEI M, KONTOGERORGIS G M, GANI R. Modeling of the critical micelle concentration (CMC) of nonionic surfactants with an extended Group-Contribution Method[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013,52(34):12236-12246.

[19]楊銳,楊春花,王力峰,等. 不同方法測定兩種表面活性劑的臨界膠束濃度[J]. 廣州化工, 2014,42(12):116-118.

[20]VISHNYAKOV A, LEE M T, NEIMARK A V. Prediction of the critical micelle concentration of nonionic surfactants by dissipative particle dynamics simulations[J]. The journal of Physical Chemistry Letters, 2013,4(5):797-802.

[21]PINEIRO L, NOVO M, AL-SOUFI W. Fluorescence emission of pyrene in surfactant solutions[J]. Advances in Colloid and Interface Science, 2015,215:1-12.

A novel Bola amphiphile surfactant and its critical micelle contrentration determined by diferent methods

TIANDongmei1,WANGJieying1,YUANYue2,HUBeibei2,QIUYuting1,LINXin1

(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China; 2. College of pharmacy, Shenyang Pharmaceutical University, Shenyang 110016, China)

A novel bola amphiphile 1,12-phenylalanine dodecanediamine(DADPhe), employed phenylalanine as the pole head was synthesized. The CMC of DADPhe was determined by surface tension method, conductivity and pyrene fluorescence spectroscopy with the results 0.04 mmol·L-1, 0.03 mmol·L-1and 0.029 8 mmol·L-1respectively. The experimental results showed that conductivity and pyrene fluorescence spectroscopy have a similar value, and the value of surface tension method, however, has a minor different from them. It is possibly because of the environmental factors.The results with comparative analyses showed that the pyrene fluorescence spectroscopy method is the most accurate and suitable.

Bola amphiphile; critical micelle concentrations(CMC); surface tension; Conductivity; pyrenefluorescence spectroscopy

2016-09-19。

遼寧省科技廳社會發(fā)展公關(guān)計劃資助項目(2010230002)。

田冬梅(1973-),女,遼寧沈陽人,沈陽師范大學副教授,博士。

1673-5862(2016)04-0397-05

O65

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.04.004