Alai

Indledning

Kritisk micellekoncentration (CMC) er en vigtig parameter for overfladeaktive stoffer med en bred anvendelse. CMC-værdierne for overfladeaktive stoffer vedrører ikke kun deres molekylære strukturer, men er også følsomme over for miljøer og relaterer sig til leverandører . Derfor er det nødvendigt at måle deres CMC-værdier i forbindelse med deres praktiske anvendelse og forskning . Blandt de nuværende metoder til CMC-bestemmelse tiltrækker fluorescensmetoden baseret på den fluorescerende ændring af organiske sonder stor opmærksomhed på grund af dens høje følsomhed og hurtige respons . De fluorescerende ændringer er imidlertid normalt usynlige eller uskarpe omkring CMC, og derfor skal der fremstilles en række prøver med forskellige koncentrationer af overfladeaktivt stof og en vis mængde sonde, som skal måles med et fluorspektrofotometer. Der findes to generelle metoder (metode I og II) til fremstilling af prøver. Hvis fluorescensændringerne er meget skarpe og synlige omkring/ved CMC, vil CMC-værdierne kunne observeres direkte. I 2011 udviklede vi en effektiv femkomponentreaktion til syntese af en ny serie af C6-unsubstituerede tetrahydropyrimidiner (THP’er) med stærke aggregationsinducerede emissionskarakteristika (AIE), dvs. ingen emission i opløsning, men stærk fluorescens i aggregater. AIE-egenskaberne, som Tang’s gruppe fandt og kaldte dem , løser det vanskelige aggregationsbetingede slukningsproblem i forbindelse med konventionelle fluorophorer og har vist store fordele på en lang række områder, såsom AIEgen-holdige copolymerer og deres anvendelser . THP’ernes egenskaber – fuldstændig ingen emission i overfladeaktive miceller, men stærk AIE i fortyndede overfladeaktive opløsninger – gør det muligt for os at udvikle dem som unikke følsomme og synlige fluorescens-turn-on-sonder (der viser den stærkeste fluorescens ved CMC) for CMC (de rapporterede CMC-sonder baseret på fluorescensintensitetsændring viser fluorescens-turn-off-ændring ved CMC, dvs. viser den svageste fluorescens ved CMC) . For nylig fandt vi ud af, at en af THP’erne kunne anvendes som en fremragende indikator for CMC-titrering og realiserede for første gang en enkel, prøve- og tidsbesparende CMC-titrering for forskellige typer overfladeaktive stoffer .

I processen med at udvikle meget følsomme fluorescens-turn-on-sonder (THP’er) til CMC-bestemmelse fandt vi, at metoderne I og II ikke var egnede til THP’er med egenskaberne aggregationsinduceret emission (AIE) i fortyndede overfladeaktive opløsninger og ingen emission i overfladeaktive miceller og udviklede en ny metode (metode III) . Metode III er ikke kun velegnet til THP’er, men har også den fordel, at der er færre operationsprocedurer og fejl, fordi man undlader at tilsætte en mikromængde farvestof til hver prøve. Vi spurgte os selv, om metode III også var egnet til andre CMC-sonder uden AIE-egenskaber. I betragtning af at pyren er den mest anvendte fluorescerende sonde til CMC-bestemmelse, har vi forberedt prøver ved hjælp af metoderne I-III og undersøgt de faktorer, der påvirker CMC-bestemmelsen ved hjælp af pyren som sonde, i detaljer. CMC-bestemmelsen ved anvendelse af pyren som sonde er baseret på den lineære sammenhæng mellem koncentrationen af det overfladeaktive stof og forholdet (IFIII/IFI) mellem fluorescensintensiteterne ved toppene I og III. Uventet fandt vi, at IFIII/IFI-værdien for pyren i overfladeaktive opløsninger er usædvanlig følsom over for målebetingelserne, der ændrer den spændende lysenergi. Desuden fandt vi, at nogle af de overfladeaktive stoffer fra forskellige leverandører ikke blot havde forskellige CMC-værdier, men også førte til signifikant forskellige IFIII/IFI-værdier i overfladeaktive opløsninger, hvilket kan bruges som en meget enkel og nyttig metode til at skelne det samme overfladeaktive stof med forskellige CMC-værdier.

Experimentelt afsnit

2.1. Materialer og instrumenter

Alle kemikalier, der er anvendt i denne artikel, er fremstillet hos kommercielle leverandører og anvendt uden yderligere rensning. Overfladeaktivt stof CHAPS blev købt hos Energy Chemical; natriumdodecylsulfat (SDS) blev købt hos Guangzhou Weijia Technology Co., Ltd, SERVA Electrophoresis GmbH og Shanghai Meryer Chemical Technology Co, Ltd; cetrimoniumbromid (CTAB) blev købt fra Tianjin Damao Chemical Reagent Factory og Aladdin; Triton X-100 blev købt fra Aladdin; og BS-12 blev købt fra Shanghai Shengxuan Biology Chemical Co., Ltd (se det elektroniske supplerende materiale for molekylestrukturen af disse overfladeaktive stoffer). Alle målinger blev udført ved 25 ± 1 °C. Vand blev renset via deionisering og filtreret ved Millipore-rensning til en resistivitet på mere end 18 MΩ cm-1. Excitations- og emissionsspektre blev bestemt ved hjælp af FluoroMax-4 spektrofluorofotometer (unoteret, emitteret ved 373 nm og exciteret ved 334 nm, excitations- og emissionsspaltebredder: 2 og 2 nm eller 3 og 3 nm, og prøverne blev bestemt umiddelbart efter præparationen).

2.2. Fremstilling af pyren ethanol-stamopløsning (0,5 mM)

Omkring 10,1 mg pyren (Mr = 202,3) og ca. 80 ml ethanol blev tilsat i en 100 ml målekolbe, der blev rystet godt for opløsning, hvorefter kolben blev fyldt op til mærket med ethanol.

2.3. Fremstilling af prøver efter metode I

En vis mængde overfladeaktive opløsning og pyren-stamopløsning blev tilsat i en 100 ml målekolbe, rystet godt og opbevaret i mindst 30 minutter, inden kolben blev fyldt med vand til mærket for at fremstille en koncentreret overfladeaktiv opløsning (ca. 2CMC) med en vis koncentration af pyren (0,2-1 µM). Derefter blev forskellige mængder af den koncentrerede overfladeaktive opløsning tilsat til forskellige 5 ml målekolber, idet disse kolber blev fyldt til mærket med vand med samme koncentration af pyren som i den koncentrerede overfladeaktive opløsning.

2.4. Forberedelse af prøver efter metode II

Differente mængder af stamopløsninger af overfladeaktive stoffer og 2 ml pyrenmættet vandopløsning blev tilsat til forskellige 5 ml målekolber, rystet godt og opbevaret i mindst 30 minutter, inden disse kolber blev fyldt med vand til mærket.

2.5. Forberedelse af prøver efter metode III

Metode III blev rapporteret i vores tidligere arbejde . Generelt blev der først fremstillet en koncentreret overfladeaktivt opløsning (ca. 2CMC) med en vis koncentration af pyren (0,5-1,5 µM) som metode I. Derefter blev forskellige volumener af den koncentrerede overfladeaktive opløsning indeholdende en vis mængde pyren tilsat til forskellige 5 ml målekolber, idet disse kolber blev fyldt til mærket med vand.

Resultater og diskussion

3.1. Indflydelsesfaktorer på bestemmelse af kritisk micellekoncentration af natriumdodecylsulfat ved hjælp af pyren som sonde og metode I til prøvefremstilling

For at undersøge de faktorer, der påvirker CMC-bestemmelsen ved hjælp af pyren som sonde, blev CMC-værdien af det almindeligt anvendte anioniske overfladeaktive stof SDS bestemt under forskellige betingelser, og prøverne blev fremstillet efter den almindeligt anvendte metode I, dvs. en koncentreret SDS-opløsning (10 mM), der indeholder en vis mængde pyren (0.5 µM) blev fortyndet til forskellige koncentrationer af SDS-opløsninger med vand indeholdende 0,5 µM pyren. For at undersøge indflydelsen af prøveopbevaringstiden blev de fremstillede prøver målt øjeblikkeligt, efter henholdsvis 0,5 og 24 timer med et fluorspektrometer. De eksperimentelle resultater viser, at prøveopbevaringstiden ikke har nogen indflydelse på pyrens excitations- og emissionsspektrer (figur 1a-c), og den bestemte CMC-gennemsnitsværdi og standardafvigelse for SDS er 6,53 ± 0,12 mM. Standardafvigelsen er meget mindre end den rapporterede ±0,4 mM ved brug af pyren som sonde . Der er to skæringspunkter i figur 1d. Det første skæringspunkt snarere end det andet skæringspunkt svarer til CMC-værdien. Dette skyldes, at SDS findes i monomerer med stigende SDS-koncentration under CMC; ved CMC når SDS-koncentrationen i monomerer sit maksimum, og micellerne begynder at dannes; samtidig stiger IFIII/IFI-værdien jævnt med stigende SDS-koncentration under CMC på grund af SDS-monomerernes indflydelse; fra CMC til det andet skæringspunkt stiger IFIII/IFI-værdien kraftigt på grund af den hurtige overførsel af pyren fra opløsningen til micellerne; fra det andet skæringspunkt stiger IFIII/IFI-værdien igen jævnt, fordi pyrenkoncentrationerne i henholdsvis SDS-micellerne og opløsningsfasen er i ligevægt, og pyren overføres derfor langsomt fra opløsningen til micellerne; fra SDS-koncentrationen er højere end 9 mM, forbliver IFIII/IFI-værdien næsten den samme, fordi pyrenkoncentrationen i opløsningen er meget lav, og mængden af pyren, der overføres fra opløsningen til micellerne, er for lille til at forårsage en ændring i IFIII/IFI-værdien.

Da prøveopbevaringstiden ikke har nogen indflydelse på CMC-bestemmelsen, blev prøverne fremstillet efter metode I målt straks for at undersøge andre faktorer, der påvirker CMC-bestemmelsen af SDS ved hjælp af pyren som sonde. Undersøgelsen af indflydelsen af pyrenkoncentrationen (cpyr) er vist i figur 2a og i det elektroniske supplerende materiale, figur S1. De eksperimentelle resultater viser, at når cpyr er 0,2, 0,5 og 1,0 µM (begrænset af opløseligheden i vand, højere cpyr blev ikke undersøgt), er gennemsnitsværdien og standardafvigelsen af disse bestemte CMC-værdier 6,66 ± 0,18 mM, idet afvigelsen er mindre end den rapporterede (±0,4 mM) . Dette beviser, at pyren i intervallet 0,2-1,0 µM ikke har nogen indflydelse på CMC-værdien. Dette blev yderligere påvist ved næsten de samme CMC-værdier (7,15 og 7,21 mM) for SDS i tilstedeværelse og fravær af pyren (0,5 µM) bestemt ved den konduktive metode (den gennemsnitlige afvigelse er ±0,1 mM for CMC-værdierne for SDS bestemt ved den konduktive metode). (elektronisk supplerende materiale, figur S2). Det er værd at nævne, at selv om pyren ikke har nogen indflydelse på CMC-bestemmelsen af SDS, er CMC-værdien (6,64 mM, elektronisk supplerende materiale, figur S2b) bestemt ved fluorometrisk metode med pyren som sonde lavere end den (7,15 mM, elektronisk supplerende materiale, figur S2c) bestemt ved konduktiv metode. Dette tilfælde er det samme som det, der er rapporteret .

Men blandt mange af de opnåede IFIII/IFI-værdier er nogle af dem betydeligt højere end de normale værdier, hvilket undrede os. Efter en betydelig indsats for at undersøge de faktorer, der forårsager den unormale ændring i IFIII/IFI, fandt vi endelig ud af, at IFIII/IFI-værdien for pyren steg betydeligt, når fluorspektrometerets spaltebredder blev udvidet, men den bestemte CMC-værdi ligger inden for målefejlområdet (figur 2b). Da stigningen i fluorescensintensiteten forårsaget af pyrenkoncentrationen næsten ikke forårsagede ændringen i IFIII/IFI-værdien (figur 2a; elektronisk supplerende materiale, figur S1), udledte vi, at det var en forøgelse af den lysenergi, der ophidser pyren, der forårsagede stigningen i IFIII/IFI-værdien, når fluorspektrometerets spaltebredder blev udvidet, og hvis antallet (N) af målinger af fluorescensspektrene af pyren steg, hvilket betyder en forøgelse af energien, der ophidser pyren, vil IFIII/IFI-værdien også stige. Dette blev bevist af de eksperimentelle resultater; IFIII/IFI-værdien steg fra 0,648 til 0,763, når N øgedes fra 1 til 9 gange (figur 2c). Disse resultater forklarer godt, hvorfor nogle af de opnåede IFIII/IFI-værdier er unormalt høje.

Overstående resultater viser, at i en passende koncentration af pyren (0,2-1,0 µM) er CMC-gennemsnitsværdien og standardafvigelsen af alle de bestemte SDS-værdier i figur 1d, 2a og 2b 6,60 ± 0,13 mM.

3.2. Bestemmelse af kritisk micellekoncentration af natriumdodecylsulfat ved hjælp af prøver fremstillet efter metode II

Med de ovenfor optimerede betingelser for CMC-bestemmelse med pyren som sonde blev en række prøver med forskellige koncentrationer af SDS og 2 ml pyrenmættet vandopløsning fremstillet efter metode II og straks målt med et fluorspektrometer. Uventet er CMC-værdien bestemt af prøverne fremstillet efter metode II (CMC-værdien bestemt af prøver, der holdes 0 min. i figur 2d) meget lavere (5,86 mM) end den (6,60 ± 0,13 mM), der er bestemt af prøver fremstillet efter metode I. Efter at have undersøgt de faktorer, der har indflydelse på CMC-værdierne, fandt vi ud af, at efter at forskellige mængder af den koncentrerede overfladeaktive opløsning og 2 ml pyrenmættet vandopløsning var blevet tilsat til forskellige 5 ml målekolber, skulle blandingerne rystes godt og opbevares mindst 30 minutter, før disse kolber blev fyldt til mærket med vand (figur 2d; elektronisk supplerende materiale, figur S4). CMC-værdierne bestemt af prøverne, der blev opbevaret i 30 og 120 minutter, er næsten de samme (6,22 og 6,30 mM), selv om den værdi, der blev bestemt af prøverne, der blev opbevaret i 60 minutter, er betydeligt højere (6,81 mM). Disse resultater viser, at prøverne kan måles efter 30 minutters opbevaring, og at IFIII/IFI-værdierne fra den første interaktion til den anden interaktion ikke er særlig stabile og let påvirkes af de fastlagte betingelser. Den gennemsnitlige CMC-værdi og SDS-afvigelse bestemt ud fra prøverne fremstillet efter metode II er 6,44 ± 0,32 mM med en større standardafvigelse end den, der er bestemt ud fra prøverne fremstillet efter metode I.

3.3. Bestemmelse af kritisk micellekoncentration af natriumdodecylsulfat via prøver fremstillet efter metode III

For at vurdere, om metode III (fortynding af koncentreret overfladeaktivt opløsning indeholdende en vis mængde sonde til en række prøver indeholdende forskellige koncentrationer af SDS og pyren med rent opløsningsmiddel) er egnet til fremstilling af prøver med pyren som CMC-sonde, blev de faktorer, der påvirker CMC-bestemmelsen af SDS, undersøgt i detaljer. De opnåede forsøgsresultater viser, at prøverne fremstillet efter metode III kan bestemmes straks (figur 3a), og at pyren ikke har nogen indflydelse, når cpyr er 0,5-1,5 µM i den koncentrerede SDS-opløsning (figur 3b). Excitations- og emissionsspektre af pyren i disse bestemte prøver er vist i det elektroniske supplerende materiale, figur S5 og S6. Gennemsnitsværdien og standardafvigelsen af de seks bestemte CMC-værdier i figur 3 er 6,70 ± 0,05 mM med en meget mindre afvigelse end dem, der er målt fra prøverne fremstillet efter metode I og II (± 0,13 og 0,32 mM). I henhold til de eksperimentelle resultater i figur 3b kan man udlede, at ethanol ikke har nogen indflydelse på CMC-bestemmelsen, når koncentrationen af ethanol i koncentreret SDS-opløsning er lavere end 0,3 %. Dette skyldes, at stigningen af cpyr fra 1 µM til 1,5 µM betyder en stigning i koncentrationen af ethanol fra 0,2 % til 0,3 %, men de bestemte CMC-værdier er næsten de samme (figur 3b).

3.4. Bestemmelse af kritisk micellekoncentration af andre former for overfladeaktive stoffer fra prøver fremstillet efter metode I og III

For yderligere at identificere, om metode III var egnet til fremstilling af prøver med pyren som CMC-sonde, blev CMC-værdierne for det kationiske overfladeaktive stof CTAB, det zwitterioniske overfladeaktive stof CHAPS, de ikke-ioniske overfladeaktive stoffer Triton X-100 og BS-12 bestemt fra prøver fremstillet efter metode I og III. Excitations- og emissionsspektre af pyren i prøverne fremstillet efter metode I/III er vist i det elektroniske supplerende materiale, figur S7 og S8/S9 og S10. De bestemte CMC-værdier for forskellige typer overfladeaktive stoffer er vist i tabel 1. De CMC-værdier, der er bestemt af prøverne fremstillet efter metode I og III, er næsten de samme med undtagelse af SDS. Disse resultater viser, at metode III er velegnet til fremstilling af prøver til CMC-bestemmelse af forskellige typer overfladeaktive stoffer med pyren som sonde.

3.5. Indflydelse af forskellige kilder af natriumdodecylsulfat og cetrimoniumbromid på deres kritiske micellekoncentrationsværdier og IFIII/IFI-værdierne

Interessant nok fandt vi, at SDS og CTAB fra forskellige leverandører ikke kun har forskellige CMC-værdier (tabel 1), men også fører til forskellige IFIII/IFI-værdier (figur 4e og f), især IFIII/IFI-værdierne ved 4 mM SDS og 0.5 mM CTAB, hvilket kan bruges som en simpel metode til at skelne mellem overfladeaktive stoffer med forskellige CMC-værdier. De forskellige CMC-værdier for SDS eller CTAB kan være forårsaget af renhed . Desuden er konturerne eller bølgelængderne for top I og III også forskellige (sammenligning af toppen af top I i figur 4a og b og bølgelængderne for top I og III i figur 4c og d). CMC-bestemmelse af SDS’ ved konduktiv metode og fluorometrisk metode med pyren som sonde (prøverne blev fremstillet efter metoderne I-III) er vist i det elektroniske supplerende materiale, figur S11-14. Ud fra emissionsspektret af pyren i figur 4 kan man se, at ændringen i fluorescensintensiteten af pyren er uregelmæssig i de prøver, der er fremstillet efter metode I og II, men regelmæssig i de prøver, der er fremstillet efter metode III, når koncentrationen af overfladeaktive stoffer ændres. Dette skyldes, at tilsætningen af en mikromængde pyren til hver prøve, som udelades i metode III, men er nødvendig i metoderne I og II, uundgåeligt vil medføre forskellige fejl i pyrenkoncentrationen og dermed føre til uregelmæssige ændringer i pyrens fluorescensintensitet.

Konklusion

Vi undersøgte de faktorer, der påvirker CMC-bestemmelsen ved hjælp af pyren som sonde, og sammenlignede metoderne I-III til fremstilling af prøver til CMC-bestemmelse. Metode I og II, to almindeligt anvendte metoder, er kun egnede til CMC-sonder uden AIE-egenskaber, og metode III, som vi har udviklet til CMC-sonder med AIE-egenskaber, har fordelene af færre operationsprocedurer og fejl som følge af udeladelse af tilsætning af en mikromængde sonde til hver prøve. Det blev konstateret som følger: (i) Metode III, der udelukker tilsætning af en mikromængde CMC-farvestof til hver prøve og dermed mindsker operationsprocedurer og fejl, viste sig ikke blot at være velegnet til fremstilling af prøver med pyren uden AIE-egenskaber som CMC-sonde, men også at være den bedste (med de enkleste procedurer og den mindste standardafvigelse). (ii) Under prøvefremstillingen skal blandingen af koncentreret overfladeaktivt opløsning og pyren opbevares i mindst 30 minutter, før den fortyndes. (iii) IFIII/IFI-værdien for pyren er usædvanlig følsom over for de målebetingelser, der vedrører den lysenergi, som pyren exciteres af, f.eks. spaltebredder og måleantal. (iv) SDS og CTAB fra forskellige leverandører havde ikke kun forskellige CMC-værdier, men førte også til, at IFIII/IFI-værdien af pyren i 4 mM SDS og 0,5 mM CTAB-opløsninger var meget signifikant, hvorved man ganske enkelt kan skelne SDS eller CTAB fra forskellige leverandører.

Datatilgængelighed

Data er blevet uploadet som en del af det elektroniske supplerende materiale.

Autors bidrag

H.L. gav væsentlige bidrag til indsamling, analyse og fortolkning af data; D.H. udførte en del af eksperimenterne og deltog i analyse og fortolkning af data og artikelskrivning; X.H. og F.L. deltog i indsamling, analyse og fortolkning af data; Q.Z. bidrog til udformning, design, analyse og fortolkning af data og artikelskrivning.

Konkurrerende interesser

Vi erklærer, at vi ikke har nogen konkurrerende interesser.

Fodnoter

Denne artikel er blevet redigeret af Royal Society of Chemistry, herunder bestilling, peer review-proces og redaktionelle aspekter indtil accept.

†Disse forfattere har bidraget til dette manuskript på lige fod.

Elektronisk supplerende materiale er tilgængeligt online på https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4862268.