Alai

Úvod

Kritická micelární koncentrace (CMC) je důležitým parametrem povrchově aktivních látek s širokým využitím. Hodnoty CMC povrchově aktivních látek se týkají nejen jejich molekulární struktury, ale jsou také citlivé na prostředí a souvisejí s dodavateli . Proto je třeba měřit jejich hodnoty CMC při jejich praktickém použití a výzkumu . Mezi současnými metodami stanovení CMC přitahuje velkou pozornost fluorescenční metoda založená na fluorescenčních změnách organických sond díky své vysoké citlivosti a rychlé odezvě . Fluorescenční změny jsou však v případě CMC obvykle neviditelné nebo neostré, a proto je třeba připravit sérii vzorků obsahujících různé koncentrace povrchově aktivní látky a určité množství sondy a měřit je fluorescenčním spektrofotometrem. Pro přípravu vzorků existují dvě obecné metody (metody I a II). Pokud jsou změny fluorescence velmi ostré a viditelné kolem/u CMC, lze hodnoty CMC pozorovat přímo. V roce 2011 jsme vyvinuli účinnou pětisložkovou reakci pro syntézu nové řady C6 nesubstituovaných tetrahydropyrimidinů (THP) se silnými vlastnostmi agregačně indukované emise (AIE), tj. bez emise v roztoku, ale se silnou fluorescencí v agregátech. Charakteristika AIE, kterou objevila a pojmenovala Tangova skupina, řeší palčivý problém zhášení způsobeného agregací u konvenčních fluoroforů a ukázala se jako velmi výhodná v širokých oblastech, jako jsou kopolymery obsahující AIEgeny a jejich aplikace. Vlastnosti THP – zcela žádná emise v micelách povrchově aktivních látek, ale silná AIE ve zředěných roztocích povrchově aktivních látek – nám umožňují vyvinout je jako jedinečné citlivé a viditelné fluorescenční sondy pro CMC (vykazující nejsilnější fluorescenci při CMC) (uváděné sondy pro CMC založené na změně intenzity fluorescence vykazují změnu fluorescence při CMC, tj. vykazují nejslabší fluorescenci při CMC). Nedávno jsme zjistili, že jeden z THP lze použít jako vynikající indikátor pro titraci CMC, a poprvé jsme realizovali jednoduchou, vzorky a čas šetřící titraci CMC pro různé druhy povrchově aktivních látek .

Při vývoji vysoce citlivých fluorescenčně-turn-on sond (THP) pro stanovení CMC jsme zjistili, že metody I a II nejsou vhodné pro THP s charakteristikou emise vyvolané agregací (AIE) ve zředěných roztocích povrchově aktivních látek a bez emise v micelách povrchově aktivních látek, a vyvinuli jsme novou metodu (metoda III) . Metoda III je vhodná nejen pro THP, ale má také výhodu menšího počtu operačních postupů a chyb díky tomu, že se do každého vzorku nepřidává mikro množství barviva. Zajímalo nás, zda je metoda III vhodná i pro jiné CMC sondy bez vlastností AIE. Vzhledem k tomu, že pyren je nejpoužívanější fluorescenční sondou pro stanovení CMC , připravili jsme vzorky metodami I-III a podrobně jsme studovali faktory ovlivňující stanovení CMC pomocí pyrenu jako sondy. Stanovení CMC pomocí pyrenu jako sondy je založeno na lineárním vztahu mezi koncentrací povrchově aktivní látky a poměrem (IFIII/IFI) intenzit její fluorescence v píku I a III. Neočekávaně jsme zjistili, že hodnota IFIII/IFI pyrenu v roztocích povrchově aktivních látek je neobvykle citlivá na podmínky měření měnící se energii excitujícího světla. Kromě toho jsme zjistili, že některé povrchově aktivní látky od různých dodavatelů mají nejen různé hodnoty CMC, ale vedou také k výrazně odlišným hodnotám IFIII/IFI v roztocích povrchově aktivních látek, což lze použít jako velmi jednoduchou a užitečnou metodu k rozlišení stejných povrchově aktivních látek s různými hodnotami CMC.

Experimentální část

2.1. Materiály a přístroje

Všechny chemikálie použité v tomto článku byly získány od komerčních dodavatelů a použity bez dalšího čištění. Povrchově aktivní látka CHAPS byla zakoupena od společnosti Energy Chemical; dodecylsulfát sodný (SDS) byl zakoupen od společností Guangzhou Weijia Technology Co, Ltd, SERVA Electrophoresis GmbH a Shanghai Meryer Chemical Technology Co., Ltd; cetrimonium bromid (CTAB) byl zakoupen od Tianjin Damao Chemical Reagent Factory a Aladdin; Triton X-100 byl zakoupen od Aladdin; a BS-12 byl zakoupen od Shanghai Shengxuan Biology Chemical Co., Ltd (molekulární struktury těchto povrchově aktivních látek viz elektronický doplňkový materiál). Všechna měření byla prováděna při teplotě 25 ± 1 °C. Voda byla přečištěna deionizací a přefiltrována čističkou Millipore na odpor vyšší než 18 MΩ cm-1. Excitační a emisní spektra byla stanovena spektrofluorografem FluoroMax-4 (bez poznámek, emise při 373 nm a excitace při 334 nm, šířka excitační a emisní štěrbiny: 2 a 2 nm nebo 3 a 3 nm, vzorky byly stanoveny ihned po přípravě).

2.2.2. Stanovení excitačního a emisního spektra Příprava ethanolového zásobního roztoku pyrenu (0,5 mM)

Přibližně 10,1 mg pyrenu (Mr = 202,3) a asi 80 ml ethanolu bylo přidáno do 100 ml odměrné baňky, dobře se protřepalo, aby se rozpustila, a poté se baňka naplnila ethanolem po značku.

2.3. Příprava vzorků metodou I

Do 100 ml odměrné baňky bylo přidáno určité množství základního roztoku povrchově aktivní látky a základního roztoku pyrenu, dobře se protřepalo a ponechalo alespoň 30 min, poté se baňka naplnila vodou po značku, aby se připravil koncentrovaný roztok povrchově aktivní látky (asi 2CMC) s určitou koncentrací pyrenu (0,2-1 µM). Poté se do různých 5 ml odměrných baněk přidaly různé objemy koncentrovaného roztoku povrchově aktivní látky a tyto baňky se naplnily po značku vodou obsahující stejnou koncentraci pyrenu, jaká je v koncentrovaném roztoku povrchově aktivní látky.

2.4. Příprava vzorků metodou II

Různé objemy zásobních roztoků povrchově aktivních látek a 2 ml vodného roztoku nasyceného pyrenem byly přidány do různých 5 ml odměrných baněk, dobře protřepány a ponechány nejméně 30 min před naplněním těchto baněk vodou po značku.

2.5. Příprava vzorků metodou III

Metoda III byla uvedena v naší předchozí práci . Obecně byl nejprve připraven koncentrovaný roztok povrchově aktivní látky (přibližně 2CMC) s určitou koncentrací pyrenu (0,5-1,5 µM) jako u metody I. V případě, že se roztok pyrenu nachází ve vzorku, byl připraven roztok s určitou koncentrací pyrenu (0,5-1,5 µM). Poté byly do různých 5 ml odměrných baněk přidány různé objemy koncentrovaného roztoku povrchově aktivní látky obsahujícího určité množství pyrenu, přičemž tyto baňky byly naplněny vodou po značku.

Výsledky a diskuse

3.1. Faktory ovlivňující stanovení kritické micelární koncentrace dodecylsulfátu sodného s použitím pyrenu jako sondy a metody I pro přípravu vzorků

Pro studium faktorů ovlivňujících stanovení CMC s použitím pyrenu jako sondy byla za různých podmínek stanovena hodnota CMC běžně používané aniontové povrchově aktivní látky SDS a vzorky byly připraveny běžně používanou metodou I, tj. koncentrovaným roztokem SDS (10 mM) obsahujícím určité množství pyrenu (0.5 µM) byl naředěn na různé koncentrace roztoků SDS vodou obsahující 0,5 µM pyrenu. Pro studium vlivu doby uchovávání vzorků byly připravené vzorky měřeny fluorespektrometrem okamžitě, po 0,5 a 24 hodinách. Výsledky experimentů ukazují, že doba uchovávání vzorku nevykazuje žádný vliv na excitační a emisní spektra pyrenu (obr. 1a-c) a stanovená průměrná hodnota CMC a směrodatná odchylka SDS je 6,53 ± 0,12 mM. Směrodatná odchylka je mnohem menší než uváděná hodnota ±0,4 mM při použití pyrenu jako sondy . Na obrázku 1d jsou dva průsečíky. První průsečík spíše než druhý průsečík odpovídá hodnotě CMC. Je to proto, že se zvyšující se koncentrací SDS pod CMC existuje SDS v monomerech; při CMC dosahuje koncentrace SDS v monomerech maxima a začínají se tvořit micely; současně se zvyšující se koncentrací SDS pod CMC hodnota IFIII/IFI plynule roste vlivem monomerů SDS; od CMC k druhému průsečíku hodnota IFIII/IFI prudce roste v důsledku rychlého přechodu pyrenu z roztoku do micel; od druhého průsečíku se hodnota IFIII/IFI opět plynule zvyšuje, protože koncentrace pyrenu ve fázích micel SDS a roztoku jsou v rovnováze, a proto pyren pomalu přechází z roztoku do micel; od koncentrace SDS vyšší než 9 mM se hodnota IFIII/IFI téměř nemění, protože koncentrace pyrenu v roztoku je velmi nízká a množství pyrenu přecházejícího z roztoku do micel je příliš malé, aby způsobilo změnu hodnoty IFIII/IFI.

Protože doba uchovávání vzorku nevykazuje žádný vliv na stanovení CMC, byly vzorky připravené metodou I měřeny okamžitě, aby bylo možné studovat další faktory ovlivňující stanovení CMC SDS s použitím pyrenu jako sondy. Studie vlivu koncentrace (cpyr) pyrenu je uvedena na obrázku 2a a v elektronickém doplňkovém materiálu, obrázek S1. Z experimentálních výsledků vyplývá, že při cpyr 0,2, 0,5 a 1,0 µM (omezeno rozpustností ve vodě, vyšší cpyr nebyl studován) je průměrná hodnota a směrodatná odchylka těchto stanovených hodnot CMC 6,66 ± 0,18 mM, přičemž odchylka je menší než uváděná (±0,4 mM) . To dokazuje, že v rozmezí 0,2-1,0 µM pyren nevykazuje žádný vliv na hodnotu CMC. To bylo dále prokázáno téměř stejnými hodnotami CMC (7,15 a 7,21 mM) SDS v přítomnosti a nepřítomnosti pyrenu (0,5 µM) stanovenými vodivostní metodou (průměrná odchylka je ±0,1 mM pro hodnoty CMC SDS stanovené vodivostní metodou ). (elektronický doplňkový materiál, obrázek S2). Za zmínku stojí, že ačkoli pyren nevykazuje žádný vliv na stanovení CMC SDS, hodnota CMC (6,64 mM, elektronický doplňkový materiál, obrázek S2b) stanovená fluorometrickou metodou s použitím pyrenu jako sondy je nižší než hodnota (7,15 mM, elektronický doplňkový materiál, obrázek S2c) stanovená konduktivní metodou. Tento případ je stejný jako případ uvedený .

Mezi spoustou získaných hodnot IFIII/IFI jsou některé výrazně vyšší než normální hodnoty, což nás mátlo. Po značném úsilí o prozkoumání faktorů způsobujících abnormální změnu IFIII/IFI jsme nakonec zjistili, že hodnota IFIII/IFI pyrenu se výrazně zvýšila při zvětšení šířky štěrbin fluorespektrometru, ale stanovená hodnota CMC je v rozmezí chyby měření (obrázek 2b). Vzhledem k tomu, že zvýšení intenzity fluorescence způsobené koncentrací pyrenu téměř nezpůsobilo změnu hodnoty IFIII/IFI (obr. 2a; elektronický doplňkový materiál, obr. S1), usoudili jsme, že to bylo zvýšení světelné energie excitující pyren, které způsobilo zvýšení hodnoty IFIII/IFI při zvětšení šířky štěrbiny fluorespektrometru, a pokud se zvýší počet (N) měření fluorescenčních spekter pyrenu, což znamená zvýšení energie excitující pyren, zvýší se také hodnota IFIII/IFI. To bylo prokázáno experimentálními výsledky; hodnota IFIII/IFI se zvýšila z 0,648 na 0,763, když se N zvýšilo z 1 na 9krát (obrázek 2c). Tyto výsledky dobře vysvětlují, proč jsou některé ze získaných hodnot IFIII/IFI abnormálně vysoké.

Výše uvedené výsledky ukazují, že při vhodné koncentraci pyrenu (0,2-1,0 µM) je průměrná hodnota CMC a směrodatná odchylka všech stanovených hodnot SDS na obrázcích 1d, 2a a 2b 6,60 ± 0,13 mM.

3.2. Stanovení kritické micelární koncentrace dodecylsulfátu sodného prostřednictvím vzorků připravených metodou II

Při výše uvedených optimalizovaných podmínkách pro stanovení CMC s použitím pyrenu jako sondy byla metodou II připravena série vzorků s různými koncentracemi SDS a 2 ml vodného roztoku nasyceného pyrenem a ihned změřena fluorespektrometrem. Neočekávaně je hodnota CMC stanovená ze vzorků připravených metodou II (hodnota CMC stanovená ze vzorků uchovávaných 0 min na obrázku 2d) mnohem nižší (5,86 mM) než hodnota (6,60 ± 0,13 mM) stanovená ze vzorků připravených metodou I. Po prostudování faktorů ovlivňujících hodnoty CMC jsme zjistili, že po přidání různých objemů koncentrovaného roztoku povrchově aktivní látky a 2 ml vodného roztoku nasyceného pyrenem do různých 5 ml odměrných baněk je třeba směsi dobře protřepat a ponechat je alespoň 30 min před naplněním těchto baněk vodou po značku (obrázek 2d; elektronický doplňkový materiál, obrázek S4). Hodnoty CMC stanovené ze vzorků uchovávaných 30 a 120 min jsou téměř stejné (6,22 a 6,30 mM), i když hodnota stanovená ze vzorků uchovávaných 60 min je výrazně vyšší (6,81 mM). Tyto výsledky naznačují, že vzorky bylo možné měřit po 30 min uchovávání a že hodnoty IFIII/IFI od první interakce do druhé interakce nejsou příliš stabilní a snadno se ovlivňují stanovenými podmínkami. Průměrná hodnota CMC a odchylka SDS stanovená ze vzorků připravených metodou II je 6,44 ± 0,32 mM, s větší směrodatnou odchylkou než hodnota stanovená ze vzorků připravených metodou I.

3.3. Průměrná hodnota CMC a odchylka SDS stanovená ze vzorků připravených metodou II je 6,44 ± 0,32 mM. Stanovení kritické micelární koncentrace dodecylsulfátu sodného prostřednictvím vzorků připravených metodou III

Pro vyhodnocení, zda je metoda III (ředění koncentrovaného roztoku povrchově aktivní látky obsahujícího určité množství sondy do série vzorků obsahujících různé koncentrace SDS a pyrenu s čistým rozpouštědlem) vhodná pro přípravu vzorků s použitím pyrenu jako sondy CMC, byly podrobně zkoumány faktory ovlivňující stanovení CMC SDS. Získané experimentální výsledky ukazují, že vzorky připravené metodou III lze stanovit okamžitě (obr. 3a) a pyren nevykazuje žádný vliv, pokud je cpyr 0,5-1,5 µM v koncentrovaném roztoku SDS (obr. 3b). Excitační a emisní spektra pyrenu v těchto stanovených vzorcích jsou uvedena v elektronickém doplňkovém materiálu, obrázek S5 a S6. Průměrná hodnota a směrodatná odchylka šesti stanovených hodnot CMC na obrázku 3 je 6,70 ± 0,05 mM, s mnohem menší odchylkou než u vzorků připravených metodami I a II (±0,13 a 0,32 mM). Podle experimentálních výsledků na obrázku 3b lze usuzovat, že ethanol nevykazuje žádný vliv na stanovení CMC, pokud je koncentrace ethanolu v koncentrovaném roztoku SDS nižší než 0,3 %. Je to proto, že zvýšení cpyr z 1 µM na 1,5 µM znamená zvýšení koncentrace ethanolu z 0,2 % na 0,3 %, ale stanovené hodnoty CMC jsou téměř stejné (obrázek 3b).

3.4. Vzorky byly připraveny metodou III a koncentrace pyrenu v (a) byla 1 µM v 10 mM roztoku SDS. Stanovení kritické micelární koncentrace dalších druhů povrchově aktivních látek ze vzorků připravených metodou I a III

Pro další zjištění, zda je metoda III vhodná pro přípravu vzorků s použitím pyrenu jako sondy CMC, byly ze vzorků připravených metodou I a III stanoveny hodnoty CMC kationtové povrchově aktivní látky CTAB, zwitteriontové povrchově aktivní látky CHAPS, neiontové povrchově aktivní látky Triton X-100 a BS-12. V případě, že se jedná o vzorky připravené metodou I, byly stanoveny hodnoty CMC iontů. Excitační a emisní spektra pyrenu ve vzorcích připravených metodou I/III jsou uvedena v elektronickém doplňkovém materiálu, obrázek S7 a S8/S9 a S10. Stanovené hodnoty CMC různých druhů povrchově aktivních látek jsou uvedeny v tabulce 1. Hodnoty CMC stanovené ze vzorků připravených metodou I a III jsou téměř stejné s výjimkou SDS. Tyto výsledky dokazují, že metoda III je vhodná pro přípravu vzorků pro stanovení CMC různých druhů povrchově aktivních látek s použitím pyrenu jako sondy.

3,5. Vliv různých zdrojů dodecylsulfátu sodného a cetrimoniumbromidu na hodnoty jejich kritické micelární koncentrace a hodnoty IFIII/IFI

Zajímavé je, že jsme zjistili, že SDS a CTAB od různých dodavatelů mají nejen rozdílné hodnoty CMC (tabulka 1), ale vedou také k rozdílným hodnotám IFIII/IFI (obr. 4e a f), zejména hodnoty IFIII/IFI při 4 mM SDS a 0 mM CTAB.5 mM CTAB, což lze použít jako jednoduchou metodu k rozlišení povrchově aktivní látky s různými hodnotami CMC. Rozdílné hodnoty CMC SDS nebo CTAB mohou být způsobeny čistotou . Kromě toho se liší také obrysy nebo vlnové délky píků I a III (porovnání vrcholů píku I na obrázku 4a a b a vlnových délek píků I a III na obrázku 4c a d). Stanovení CMC SDS‘ vodivostní metodou a fluorometrickou metodou s použitím pyrenu jako sondy (vzorky byly připraveny metodami I-III) je uvedeno v elektronickém doplňkovém materiálu, obrázek S11-14. Z emisních spekter pyrenu na obrázku 4 si lze všimnout, že se změnou koncentrace povrchově aktivní látky je změna intenzity fluorescence pyrenu nepravidelná u vzorků připravených metodami I a II, ale pravidelná u vzorků připravených metodou III. Je to proto, že přídavek mikromnožství pyrenu do každého vzorku, který je v metodě III vynechán, ale v metodách I a II je nutný, nevyhnutelně způsobí různé chyby v koncentraci pyrenu, a tudíž vede k nepravidelné změně intenzity fluorescence pyrenu.

Závěr

Zkoumali jsme faktory ovlivňující stanovení CMC pomocí pyrenu jako sondy a porovnali metody I-III přípravy vzorků pro stanovení CMC. Metody I a II, dvě běžně používané metody, jsou vhodné pouze pro sondy CMC bez vlastností AIE a námi vyvinutá metoda III pro sondy CMC s vlastnostmi AIE má výhodu menšího počtu operačních postupů a chyb díky vynechání přidávání mikromnožství sondy do každého vzorku. Bylo zjištěno následující: (i) Metoda III, která vynechává přídavek mikromnožství barviva CMC do každého vzorku, a tím snižuje operační postupy a chyby, se ukázala nejen jako vhodná pro přípravu vzorků s použitím pyrenu bez vlastností AIE jako sondy CMC, ale také jako nejlepší (s nejjednoduššími postupy a nejmenší směrodatnou odchylkou). (ii) V procesu přípravy vzorků musí být směs koncentrovaného roztoku povrchově aktivní látky a pyrenu uchovávána nejméně 30 min, než se naředí. (iii) Hodnota IFIII/IFI pyrenu je neobyčejně citlivá na podmínky měření týkající se světelné energie excitující pyren, jako je šířka štěrbiny a počet měření. (iv) SDS a CTAB od různých dodavatelů měly nejen různé hodnoty CMC, ale vedly také k tomu, že hodnota IFIII/IFI pyrenu ve 4 mM roztoku SDS a 0,5 mM roztoku CTAB byla velmi výrazná, podle čehož lze jednoduše rozlišit SDS nebo CTAB od různých dodavatelů.

Data accessibility

Data have been uploaded as part of the electronic supplementary material.

Příspěvky autorů

H.L. podstatně přispěl k získání, analýze a interpretaci dat; D.H. provedl část experimentů a podílel se na analýze a interpretaci dat a psaní článku; X.H. a F.L. se podíleli na získání, analýze a interpretaci dat; Q.Z. přispěl ke koncepci, návrhu, analýze a interpretaci dat a psaní článku.

Konkurenční zájmy

Prohlašujeme, že nemáme žádné konkurenční zájmy.

Poznámky

Tento článek byl vydán Královskou chemickou společností, včetně zadání, recenzního řízení a redakčních aspektů až do okamžiku přijetí.

†Tito autoři se na tomto rukopisu podíleli rovným dílem.

Elektronický doplňkový materiál je k dispozici online na adrese https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4862268.

.