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Introducción

La concentración de micelas críticas (CMC) es un parámetro importante de los tensioactivos con amplias aplicaciones . Los valores de CMC de los tensioactivos no sólo están relacionados con sus estructuras moleculares, sino que también son sensibles a los entornos y se relacionan con los proveedores . Por lo tanto, es necesario medir sus valores de CMC en sus aplicaciones prácticas y en la investigación. Entre los métodos actuales para la determinación de la CMC, el método de fluorescencia basado en el cambio fluorescente de las sondas orgánicas atrae gran atención debido a su alta sensibilidad y rápida respuesta . Sin embargo, los cambios fluorescentes suelen ser invisibles o poco nítidos sobre la CMC y, por lo tanto, es necesario preparar una serie de muestras que contengan diferentes concentraciones de tensioactivo y una determinada cantidad de sonda y medirlas con un fluoroespectrofotómetro. Existen dos métodos generales (métodos I y II) para preparar las muestras. Si los cambios de fluorescencia son muy marcados y visibles sobre/en la CMC, los valores de la CMC se observarán directamente. En 2011 , desarrollamos una reacción eficiente de cinco componentes para la síntesis de una nueva serie de tetrahidropirimidinas (THP) no sustituidas C6 con fuertes características de emisión inducida por agregación (AIE), es decir, sin emisión en solución pero con fuerte fluorescencia en agregados. La característica AIE, descubierta y denominada por el grupo de Tang, resuelve el espinoso problema del apagado causado por la agregación de los fluoróforos convencionales y ha mostrado grandes ventajas en amplias áreas, como los copolímeros que contienen AIEgens y sus aplicaciones. Las características de los THP (ausencia total de emisión en micelas de tensioactivos, pero fuerte AIE en soluciones de tensioactivos diluidas) nos permiten desarrollarlos como sondas únicas, sensibles y visibles de fluorescencia-apagado (mostrando la fluorescencia más fuerte en la CMC) para la CMC (las sondas de CMC reportadas basadas en el cambio de intensidad de fluorescencia muestran el cambio de fluorescencia-apagado en la CMC, es decir, muestran la fluorescencia más débil en la CMC). Recientemente, descubrimos que uno de los THP podía utilizarse como un excelente indicador para la valoración de la CMC y realizamos por primera vez una valoración de la CMC sencilla, con ahorro de muestras y de tiempo para diferentes tipos de tensioactivos .

En el proceso de desarrollo de sondas de fluorescencia de alta sensibilidad (THP) para la determinación de la CMC, descubrimos que los métodos I y II no eran adecuados para los THP con las características de emisión inducida por agregación (AIE) en soluciones de tensioactivos diluidos y sin emisión en micelas de tensioactivos y desarrollamos un nuevo método (método III) . El método III no sólo es adecuado para los THP, sino que también tiene la ventaja de que los procedimientos de operación y los errores son menores debido a que se omite la adición de una microcantidad de colorante en cada muestra. Nos preguntamos si el método III era también adecuado para otras sondas CMC sin características AIE. Teniendo en cuenta que el pireno es la sonda fluorescente más utilizada para la determinación de la CMC, preparamos las muestras por los métodos I-III y estudiamos en detalle los factores que influyen en la determinación de la CMC utilizando el pireno como sonda. La determinación de la CMC utilizando pireno como sonda se basa en la relación lineal entre la concentración de surfactante y la relación (IFIII/IFI) de sus intensidades de fluorescencia en los picos I y III. Inesperadamente, descubrimos que el valor de IFIII/IFI del pireno en soluciones de tensioactivos es inusualmente sensible a las condiciones de medición que cambian la energía de la luz excitante. Además, descubrimos que algunos de los tensioactivos de diferentes proveedores no sólo tenían diferentes valores de CMC, sino que también daban lugar a valores de IFIII/IFI significativamente diferentes en soluciones de tensioactivos, lo que puede utilizarse como un método muy sencillo y útil para distinguir el mismo tensioactivo con diferentes valores de CMC.

Sección experimental

2.1. Materiales e instrumentos

Todos los productos químicos utilizados en este trabajo se obtuvieron de proveedores comerciales y se utilizaron sin mayor purificación. El tensioactivo CHAPS se compró a Energy Chemical; el dodecil sulfato de sodio (SDS) se compró a Guangzhou Weijia Technology Co., Ltd, SERVA Electrophoresis GmbH y Shanghai Meryer Chemical Technology Co, Ltd; el bromuro de cetrimonio (CTAB) se compró a Tianjin Damao Chemical Reagent Factory y a Aladdin; el Tritón X-100 se compró a Aladdin; y el BS-12 se compró a Shanghai Shengxuan Biology Chemical Co., Ltd (para las estructuras moleculares de estos tensioactivos, véase el material suplementario electrónico). Todas las mediciones se realizaron a 25 ± 1°C. El agua se purificó mediante desionización y se filtró mediante la purificación Millipore hasta alcanzar una resistividad superior a 18 MΩ cm-1. Los espectros de excitación y emisión se determinaron con el espectrofluorofotómetro FluoroMax-4 (sin anotar, emitido a 373 nm y excitado a 334 nm, anchos de rendija de excitación y emisión: 2 y 2 nm o 3 y 3 nm, y las muestras se determinaron inmediatamente después de la preparación).

2.2. Preparación de la solución madre de etanol de pireno (0,5 mM)

Se añadieron unos 10,1 mg de pireno (Mr = 202,3) y unos 80 ml de etanol en un matraz volumétrico de 100 ml, agitando bien para su disolución, y llenando después el matraz hasta la marca con etanol.

2.3. Preparación de las muestras por el método I

Se añadió una determinada cantidad de solución madre de tensioactivo y de solución madre de pireno en un matraz aforado de 100 ml, agitando bien y manteniendo al menos durante 30 minutos antes de llenar el matraz hasta la marca con agua para preparar una solución concentrada de tensioactivo (aproximadamente 2CMC) con una determinada concentración de pireno (0,2-1 µM). A continuación, se añadieron diferentes volúmenes de la solución de tensioactivo concentrado en diferentes matraces aforados de 5 ml, llenando estos matraces hasta la marca con agua que contenía la misma concentración de pireno que la de la solución de tensioactivo concentrado.

2.4. Preparación de las muestras por el método II

Se añadieron diferentes volúmenes de soluciones madre de tensioactivos y 2 ml de solución acuosa saturada de pireno en diferentes matraces aforados de 5 ml, agitando bien y manteniendo al menos 30 minutos antes de llenar estos matraces hasta la marca con agua.

2.5. Preparación de las muestras por el método III

El método III fue reportado en nuestro trabajo anterior . En general, se preparó en primer lugar una solución de tensioactivo concentrado (aproximadamente 2CMC) con una determinada concentración de pireno (0,5-1,5 µM) como método I. A continuación, se añadieron diferentes volúmenes de la solución de tensioactivo concentrado que contenía cierta cantidad de pireno en diferentes matraces aforados de 5 ml, llenando estos matraces hasta la marca con agua.

Resultados y discusión

3.1. Para estudiar los factores que influyen en la determinación de la concentración de micela crítica del dodecil sulfato de sodio utilizando pireno como sonda y el método I para la preparación de la muestra

Para estudiar los factores que influyen en la determinación de la CMC utilizando pireno como sonda, se determinó el valor de la CMC del tensioactivo aniónico comúnmente utilizado SDS en diferentes condiciones, y las muestras se prepararon mediante el método I comúnmente utilizado, es decir, una solución concentrada de SDS (10 mM) que contenía una determinada cantidad de pireno (0.5 µM) se diluyó a diferentes concentraciones de soluciones de SDS con agua que contenía 0,5 µM de pireno. Para estudiar la influencia del tiempo de mantenimiento de la muestra, las muestras preparadas se midieron al instante, a las 0,5 y a las 24 horas, respectivamente, mediante un fluoroespectrómetro. Los resultados experimentales indican que el tiempo de mantenimiento de la muestra no influye en los espectros de excitación y emisión del pireno (figura 1a-c), y el valor medio de la CMC y la desviación estándar del SDS es de 6,53 ± 0,12 mM. La desviación estándar es mucho menor que la reportada ±0,4 mM usando pireno como sonda . Hay dos intersecciones en la figura 1d. La primera intersección, más que la segunda, corresponde al valor de la CMC. Esto se debe a que, con el aumento de la concentración de SDS, por debajo de la CMC, el SDS existe en los monómeros; en la CMC, la concentración de SDS en los monómeros alcanza el máximo y las micelas comienzan a formarse; al mismo tiempo, con el aumento de la concentración de SDS, por debajo de la CMC, el valor de IFIII/IFI aumenta suavemente debido a la influencia de los monómeros de SDS; desde la CMC hasta la segunda intersección, el valor de IFIII/IFI aumenta bruscamente debido a la rápida transferencia del pireno de la solución a las micelas; a partir de la segunda intersección, el valor de IFIII/IFI vuelve a aumentar suavemente porque las concentraciones de pireno en las fases de micela y solución del SDS, respectivamente, están en equilibrio y, por tanto, el pireno se transfiere lentamente de la solución a las micelas; a partir de una concentración de SDS superior a 9 mM, el valor de IFIII/IFI se mantiene casi igual porque la concentración de pireno en la solución es muy baja y la cantidad de pireno que se transfiere de la solución a las micelas es demasiado pequeña para provocar el cambio del valor de IFIII/IFI.

Dado que el tiempo de mantenimiento de la muestra no muestra ninguna influencia en la determinación de la CMC, las muestras preparadas por el método I se midieron inmediatamente para estudiar otros factores que influyen en la determinación de la CMC del SDS utilizando el pireno como sonda. El estudio sobre la influencia de la concentración (cpyr) de pireno se muestra en la figura 2a y en el material suplementario electrónico, figura S1. Los resultados experimentales indican que cuando la cpyr es de 0,2, 0,5 y 1,0 µM (limitada por la solubilidad en agua, no se estudió una cpyr mayor), el valor medio y la desviación estándar de estos valores de CMC determinados es de 6,66 ± 0,18 mM, siendo la desviación menor que la reportada (±0,4 mM) . Esto demuestra que en el rango de 0,2-1,0 µM, el pireno no muestra ninguna influencia en el valor de la CMC. Esto se demostró además por los valores de CMC casi iguales (7,15 y 7,21 mM) del SDS en presencia y ausencia de pireno (0,5 µM) determinados por el método conductivo (la desviación media es de ±0,1 mM para los valores de CMC del SDS determinados por el método conductivo ) (material suplementario electrónico, figura S2). Vale la pena mencionar que, aunque el pireno no muestra ninguna influencia en la determinación de la CMC del SDS, el valor de la CMC (6,64 mM, material suplementario electrónico, figura S2b) determinado por el método fluorométrico utilizando el pireno como sonda es inferior al (7,15 mM, material suplementario electrónico, figura S2c) determinado por el método conductivo. Este caso es el mismo que el reportado.

Entre muchos de los valores IFIII/IFI obtenidos, algunos son significativamente más altos que los valores normales, lo que nos desconcertó. Después de considerables esfuerzos para explorar los factores que causan el cambio anormal de IFIII/IFI, finalmente descubrimos que el valor de IFIII/IFI del pireno aumentaba significativamente cuando se ampliaban las anchuras de las rendijas del fluoroespectrómetro, pero el valor de CMC determinado está dentro del rango de error de medición (figura 2b). Dado que el aumento de la intensidad de la fluorescencia causada por la concentración de pireno casi no causó el cambio en el valor de IFIII/IFI (figura 2a; material suplementario electrónico, figura S1), deducimos que fue el aumento de la energía de la luz que excita al pireno lo que causó el aumento del valor de IFIII/IFI cuando se ampliaron las anchuras de las rendijas del fluoroespectrómetro, y si el número (N) que mide los espectros de fluorescencia del pireno aumenta, lo que significa que aumenta la energía que excita al pireno, el valor de IFIII/IFI también aumentará. Así lo demuestran los resultados experimentales; el valor de IFIII/IFI aumentó de 0,648 a 0,763 cuando N aumentó de 1 a 9 veces (figura 2c). Estos resultados explican bien por qué algunos de los valores de IFIII/IFI obtenidos son anormalmente altos.

Los resultados anteriores indican que en una concentración adecuada de pireno (0,2-1,0 µM), el valor medio de la CMC y la desviación estándar de todos los valores de SDS determinados en las figuras 1d, 2a y 2b es de 6,60 ± 0,13 mM.

3.2. Determinación de la concentración de micela crítica de dodecil sulfato de sodio a través de muestras preparadas por el método II

Con las condiciones optimizadas anteriores para la determinación de la CMC utilizando pireno como sonda, se prepararon por el método II una serie de muestras con diferentes concentraciones de SDS y 2 ml de solución de agua saturada de pireno y se midieron con un fluoroespectrómetro inmediatamente. Inesperadamente, el valor de la CMC determinado a partir de las muestras preparadas por el método II (el valor de la CMC determinado a partir de las muestras mantenidas 0 min en la figura 2d) es mucho menor (5,86 mM) que el (6,60 ± 0,13 mM) determinado a partir de las muestras preparadas por el método I. Después de estudiar los factores que influyen en los valores de la CMC, descubrimos que después de añadir diferentes volúmenes de la solución de tensioactivo concentrado y 2 ml de solución de agua saturada de pireno en diferentes matraces aforados de 5 ml, las mezclas deben agitarse bien y mantenerse al menos 30 min antes de llenar estos matraces hasta la marca con agua (figura 2d; material suplementario electrónico, figura S4). Los valores de CMC determinados a partir de las muestras mantenidas durante 30 y 120 min son casi los mismos (6,22 y 6,30 mM), aunque el determinado a partir de las muestras mantenidas 60 min es significativamente mayor (6,81 mM). Estos resultados indican que las muestras pueden medirse después de mantenerlas 30 min y que los valores de IFIII/IFI de la primera interacción a la segunda no son muy estables y se ven fácilmente influenciados por las condiciones determinadas. El valor medio de la CMC y la desviación del SDS determinado a partir de las muestras preparadas por el método II es de 6,44 ± 0,32 mM, con una desviación estándar mayor que la determinada a partir de las muestras preparadas por el método I.

3.3. Determinación de la concentración de micela crítica del dodecil sulfato de sodio a través de muestras preparadas por el método III

Para evaluar si el método III (dilución de una solución concentrada de tensioactivo que contiene una determinada cantidad de sonda en una serie de muestras que contienen diferentes concentraciones de SDS y pireno con disolvente puro) es adecuado para la preparación de muestras utilizando pireno como sonda CMC, se investigaron en detalle los factores que influyen en la determinación de la CMC del SDS. Los resultados experimentales obtenidos indican que las muestras preparadas por el método III pueden determinarse inmediatamente (figura 3a) y el pireno no muestra ninguna influencia cuando la cpyr es de 0,5-1,5 µM en la solución concentrada de SDS (figura 3b). Los espectros de excitación y emisión del pireno en estas muestras determinadas se muestran en el material suplementario electrónico, figura S5 y S6. El valor medio y la desviación estándar de los seis valores de CMC determinados en la figura 3 es de 6,70 ± 0,05 mM, con una desviación mucho menor que los medidos en las muestras preparadas por los métodos I y II (±0,13 y 0,32 mM). De acuerdo con los resultados experimentales de la figura 3b, se puede deducir que el etanol no muestra ninguna influencia en la determinación de la CMC cuando la concentración de etanol en la solución concentrada de SDS es inferior al 0,3%. Esto se debe a que el aumento de cpyr de 1 µM a 1,5 µM significa el aumento de la concentración de etanol de 0,2% a 0,3%, pero los valores de CMC determinados son casi los mismos (figura 3b).

3.4. Determinación de la concentración de micela crítica de otros tipos de tensioactivos a partir de las muestras preparadas por el método I y III

Para seguir identificando si el método III era adecuado para preparar muestras utilizando el pireno como sonda CMC, se determinaron los valores de CMC del tensioactivo catiónico CTAB, del tensioactivo zwitteriónico CHAPS y de los tensioactivos no iónicos Triton X-100 y BS-12 a partir de las muestras preparadas por el método I y III. Los espectros de excitación y emisión del pireno en las muestras preparadas por el método I/III se muestran en el material suplementario electrónico, figura S7 y S8/S9 y S10. Los valores de CMC determinados de diferentes tipos de tensioactivos se muestran en la tabla 1. Los valores de CMC determinados de las muestras preparadas por el método I y III son casi iguales, excepto el SDS. Estos resultados demuestran que el método III es adecuado para la preparación de muestras para la determinación de la CMC de diferentes tipos de tensioactivos utilizando el pireno como sonda.

3.5. Influencia de diferentes fuentes de dodecil sulfato de sodio y bromuro de cetrimonio en sus valores de concentración micelar crítica y en los valores de IFIII/IFI

Interesantemente, encontramos que el SDS y el CTAB de diferentes proveedores no sólo tienen diferentes valores de CMC (tabla 1) sino que también conducen a diferentes valores de IFIII/IFI (figura 4e y f), especialmente los valores de IFIII/IFI a 4 mM de SDS y 0.5 mM de CTAB, que pueden utilizarse como método sencillo para distinguir los tensioactivos con diferentes valores de CMC. Los diferentes valores de CMC del SDS o del CTAB podrían deberse a la pureza . Además, los contornos o las longitudes de onda de los picos I y III también son diferentes (comparando las cimas del pico I en la figura 4a y b, y las longitudes de onda de los picos I y III en la figura 4c y d). La determinación de la CMC del SDS’ por el método conductivo y el método fluorométrico usando pireno como sonda (las muestras fueron preparadas por los métodos I-III) se muestran en el material suplementario electrónico, figura S11-14. A partir de los espectros de emisión del pireno en la figura 4, se puede observar que con el cambio en la concentración de surfactante, el cambio en la intensidad de fluorescencia del pireno es irregular en las muestras preparadas por los métodos I y II, pero regular en las muestras preparadas por el método III. Esto se debe a que la adición de una microcantidad de pireno en cada muestra, que se omite en el método III pero que es necesaria en los métodos I y II, causará inevitablemente diferentes errores en la concentración de pireno y, por tanto, conducirá a un cambio irregular en la intensidad de fluorescencia del pireno.

Conclusión

Investigamos los factores que influyen en la determinación de la CMC utilizando pireno como sonda y comparamos los métodos I-III de preparación de muestras para la determinación de la CMC. Los métodos I y II, dos métodos comúnmente utilizados, sólo son adecuados para las sondas CMC sin características AIE, y el método III, desarrollado por nosotros para las sondas CMC con características AIE, tiene ventajas de menos procedimientos de operación y errores debido a la omisión de la adición de micro cantidad de sonda en cada muestra. Se encontró lo siguiente: (i) El método III, que omite la adición de una micro cantidad de colorante CMC en cada muestra y, por lo tanto, disminuye los procedimientos de operación y los errores, demostró ser no sólo adecuado para la preparación de muestras utilizando pireno sin características AIE como sonda CMC, sino también el mejor (con los procedimientos más sencillos y la menor desviación estándar). (ii) En el proceso de preparación de las muestras, la mezcla de la solución tensioactiva concentrada y el pireno debe mantenerse durante al menos 30 minutos antes de su dilución. (iii) El valor IFIII/IFI del pireno es inusualmente sensible a las condiciones de medición relacionadas con la energía luminosa que excita el pireno, como la anchura de las rendijas y el número de mediciones. (iv) El SDS y el CTAB de diferentes proveedores no sólo tenían diferentes valores de CMC, sino que también llevaron a que el valor de IFIII/IFI del pireno en soluciones de SDS de 4 mM y de CTAB de 0,5 mM fuera muy significativo, por lo que se puede distinguir simplemente el SDS o el CTAB de diferentes proveedores.

Accesibilidad a los datos

Los datos se han cargado como parte del material electrónico complementario.

Contribuciones de los autores

H.L. contribuyó sustancialmente a la adquisición, el análisis y la interpretación de los datos; D.H. realizó parte de los experimentos y participó en el análisis y la interpretación de los datos y en la redacción del artículo; X.H. y F.L. participaron en la adquisición, el análisis y la interpretación de los datos; Q.Z. contribuyó a la concepción, el diseño, el análisis y la interpretación de los datos, y a la redacción del artículo.

Intereses contrapuestos

Declaramos que no tenemos intereses contrapuestos.

Notas a pie de página

Este artículo ha sido editado por la Royal Society of Chemistry, incluyendo el encargo, el proceso de revisión por pares y los aspectos editoriales hasta el punto de aceptación.

†Estos autores contribuyeron a este manuscrito por igual.

El material complementario electrónico está disponible en línea en https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4862268.