Alai

Introduction

La concentration micellaire critique (CMC) est un paramètre important des agents de surface avec de larges applications . Les valeurs CMC des tensioactifs ne sont pas seulement liées à leurs structures moléculaires, mais sont également sensibles aux environnements et sont liées aux fournisseurs . Par conséquent, leurs valeurs CMC doivent être mesurées dans leurs applications pratiques et dans la recherche. Parmi les méthodes actuelles de détermination de la CMC, la méthode de fluorescence basée sur le changement de fluorescence des sondes organiques attire une grande attention en raison de sa haute sensibilité et de sa réponse rapide. Cependant, les changements fluorescents sont généralement invisibles ou peu nets au sujet de la CMC et, par conséquent, une série d’échantillons contenant différentes concentrations de tensioactif et une certaine quantité de sonde doit être préparée et mesurée par un fluorospectrophotomètre. Il existe deux méthodes générales (méthodes I et II) pour préparer les échantillons. Si les changements de fluorescence sont très nets et visibles autour/à la CMC, les valeurs de la CMC seront directement observées. En 2011, nous avons mis au point une réaction efficace à cinq composants pour la synthèse d’une nouvelle série de tétrahydropyrimidines (THP) non substituées en C6 présentant de fortes caractéristiques d’émission induite par agrégation (AIE), c’est-à-dire aucune émission en solution mais une forte fluorescence dans les agrégats. La caractéristique de l’EAI, découverte et nommée par le groupe de Tang, résout l’épineux problème de l’extinction causée par l’agrégation des fluorophores conventionnels et a montré de grands avantages dans de nombreux domaines, tels que les copolymères contenant des EAI et leurs applications. Les caractéristiques des THP – aucune émission dans les micelles de tensioactifs mais une forte AIE dans les solutions diluées de tensioactifs – nous ont permis de les développer en tant que sondes uniques sensibles et visibles de fluorescence-turn-on (montrant la plus forte fluorescence à la CMC) pour la CMC (les sondes de CMC rapportées basées sur le changement d’intensité de fluorescence montrent un changement de fluorescence-turn-off à la CMC, c’est-à-dire, montrent la plus faible fluorescence à la CMC). Récemment, nous avons découvert qu’un des THP pouvait être utilisé comme un excellent indicateur pour le titrage de la CMC et nous avons réalisé pour la première fois un titrage de la CMC simple, économe en échantillons et en temps pour différents types de tensioactifs .

Dans le processus de développement de sondes à fluorescence-turn-on (THP) très sensibles pour la détermination de la CMC, nous avons constaté que les méthodes I et II ne convenaient pas aux THP ayant les caractéristiques d’émission induite par l’agrégation (AIE) dans les solutions de tensioactifs dilués et aucune émission dans les micelles de tensioactifs et nous avons développé une nouvelle méthode (méthode III) . La méthode III est non seulement adaptée aux THP mais présente également l’avantage de réduire les procédures d’opération et les erreurs grâce à l’absence de l’ajout d’une micro quantité de colorant dans chaque échantillon. Nous nous sommes demandés si la méthode III était également adaptée à d’autres sondes CMC sans caractéristiques AIE. Considérant que le pyrène est la sonde fluorescente la plus utilisée pour la détermination de la CMC, nous avons préparé des échantillons par les méthodes I-III et étudié en détail les facteurs influençant la détermination de la CMC en utilisant le pyrène comme sonde. La détermination de la CMC en utilisant le pyrène comme sonde est basée sur la relation linéaire entre la concentration du surfactant et le rapport (IFIII/IFI) de ses intensités de fluorescence aux pics I et III. De manière inattendue, nous avons constaté que la valeur IFIII/IFI du pyrène dans les solutions de tensioactifs est exceptionnellement sensible aux conditions de mesure changeant l’énergie lumineuse d’excitation. En outre, nous avons constaté que certains des agents de surface de différents fournisseurs avaient non seulement des valeurs CMC différentes, mais conduisaient également à des valeurs IFIII/IFI significativement différentes dans les solutions d’agents de surface, ce qui peut être utilisé comme une méthode très simple et utile pour distinguer le même agent de surface avec des valeurs CMC différentes.

Section expérimentale

2.1. Matériaux et instruments

Tous les produits chimiques utilisés dans cet article ont été obtenus auprès de fournisseurs commerciaux et utilisés sans autre purification. Le tensioactif CHAPS a été acheté chez Energy Chemical ; le dodécylsulfate de sodium (SDS) a été acheté chez Guangzhou Weijia Technology Co., Ltd, SERVA Electrophoresis GmbH et Shanghai Meryer Chemical Technology Co, Ltd ; le bromure de cétrimonium (CTAB) a été acheté auprès de Tianjin Damao Chemical Reagent Factory et d’Aladdin ; le Triton X-100 a été acheté auprès d’Aladdin ; et le BS-12 a été acheté auprès de Shanghai Shengxuan Biology Chemical Co., Ltd (pour les structures moléculaires de ces tensioactifs, voir le matériel électronique supplémentaire). Toutes les mesures ont été effectuées à 25 ± 1°C. L’eau a été purifiée par déionisation et filtrée par la purification Millipore jusqu’à une résistivité supérieure à 18 MΩ cm-1. Les spectres d’excitation et d’émission ont été déterminés par le spectrofluorophotomètre FluoroMax-4 (non noté, émis à 373 nm et excité à 334 nm, largeur des fentes d’excitation et d’émission : 2 et 2 nm ou 3 et 3 nm, et les échantillons ont été déterminés immédiatement après la préparation).

2.2. Préparation de la solution mère de pyrène éthanol (0,5 mM)

On a ajouté environ 10,1 mg de pyrène (Mr = 202,3) et environ 80 ml d’éthanol dans une fiole jaugée de 100 ml, en agitant bien pour la dissolution, puis en remplissant la fiole jusqu’au trait avec de l’éthanol.

2.3. Préparation des échantillons par la méthode I

Une certaine quantité de solution mère de tensioactif et de solution mère de pyrène ont été ajoutées dans une fiole jaugée de 100 ml, bien agitées et conservées au moins pendant 30 min avant de remplir la fiole jusqu’au trait avec de l’eau pour préparer une solution concentrée de tensioactif (environ 2CMC) avec une certaine concentration de pyrène (0,2-1 µM). Ensuite, différents volumes de la solution concentrée de tensioactif ont été ajoutés dans différentes fioles jaugées de 5 ml, en remplissant ces fioles jusqu’au trait avec de l’eau contenant la même concentration de pyrène que celle de la solution concentrée de tensioactif.

2.4. Préparation des échantillons par la méthode II

On a ajouté des volumes différents de solutions mères de tensioactifs et 2 ml de solution d’eau saturée en pyrène dans différentes fioles jaugées de 5 ml, en les agitant bien et en les conservant au moins pendant 30 min avant de remplir ces fioles à ras bord avec de l’eau.

2.5. Préparation des échantillons par la méthode III

La méthode III a été rapportée dans nos travaux précédents . En général, une solution concentrée de tensioactif (environ 2CMC) avec une certaine concentration de pyrène (0,5-1,5 µM) a été préparée d’abord comme méthode I. Ensuite, différents volumes de la solution concentrée de tensioactif contenant une certaine quantité de pyrène ont été ajoutés dans différentes fioles jaugées de 5 ml, en remplissant ces fioles jusqu’à la marque avec de l’eau.

Résultats et discussion

3.1. Facteurs d’influence sur la détermination de la concentration micellaire critique du dodécylsulfate de sodium en utilisant le pyrène comme sonde et la méthode I pour la préparation des échantillons

Pour étudier les facteurs influençant la détermination de la CMC en utilisant le pyrène comme sonde, la valeur de la CMC du tensioactif anionique SDS couramment utilisé a été déterminée dans différentes conditions, et les échantillons ont été préparés par la méthode I couramment utilisée, c’est-à-dire qu’une solution concentrée de SDS (10 mM) contenant une certaine quantité de pyrène (0.5 µM) a été diluée à différentes concentrations de solutions SDS avec de l’eau contenant 0,5 µM de pyrène. Pour étudier l’influence du temps de conservation des échantillons, les échantillons préparés ont été mesurés instantanément, à 0,5 et 24 h, respectivement, par un fluorospectromètre. Les résultats expérimentaux indiquent que le temps de conservation de l’échantillon n’a aucune influence sur les spectres d’excitation et d’émission du pyrène (figure 1a-c), et la valeur moyenne de la CMC déterminée et l’écart-type du SDS est de 6,53 ± 0,12 mM. L’écart-type est beaucoup plus petit que les ±0,4 mM rapportés en utilisant le pyrène comme sonde . Il y a deux intersections dans la figure 1d. La première intersection plutôt que la seconde correspond à la valeur CMC. Cela est dû au fait que, avec l’augmentation de la concentration de SDS, en dessous de la CMC, le SDS existe dans les monomères ; à la CMC, la concentration de SDS dans les monomères atteint le maximum et les micelles commencent à se former ; en même temps, avec l’augmentation de la concentration de SDS, en dessous de la CMC, la valeur IFIII/IFI augmente doucement en raison de l’influence des monomères SDS ; de la CMC à la seconde intersection, la valeur IFIII/IFI augmente fortement en raison du transfert rapide du pyrène de la solution aux micelles ; à partir de la deuxième intersection, la valeur IFIII/IFI augmente à nouveau de manière régulière car les concentrations de pyrène dans les phases de micelles SDS et de solution, respectivement, sont en équilibre et donc le pyrène se transfère lentement de la solution dans les micelles ; à partir d’une concentration de SDS supérieure à 9 mM, la valeur IFIII/IFI reste presque la même car la concentration de pyrène en solution est très faible et la quantité de pyrène se transférant de la solution dans les micelles est trop faible pour provoquer le changement de la valeur IFIII/IFI.

Puisque le temps de conservation des échantillons ne montre aucune influence sur la détermination de la CMC, les échantillons préparés par la méthode I ont été mesurés immédiatement pour étudier d’autres facteurs influençant la détermination de la CMC du SDS en utilisant le pyrène comme sonde. L’étude de l’influence de la concentration (cpyr) du pyrène est présentée dans la figure 2a et dans le matériel supplémentaire électronique, figure S1. Les résultats expérimentaux indiquent que lorsque la cpyr est de 0,2, 0,5 et 1,0 µM (limitée par la solubilité dans l’eau, une cpyr plus élevée n’a pas été étudiée), la valeur moyenne et l’écart-type de ces valeurs CMC déterminées est de 6,66 ± 0,18 mM, avec un écart plus petit que celui rapporté (±0,4 mM). Ceci prouve que dans la gamme de 0.2-1.0 µM, le pyrène ne montre aucune influence sur la valeur de la CMC. Ceci a été démontré par des valeurs CMC presque identiques (7.15 et 7.21 mM) de SDS en présence et en absence de pyrène (0.5 µM) déterminées par la méthode conductive (la déviation moyenne est ±0.1 mM pour les valeurs CMC de SDS déterminées par la méthode conductive). (matériel électronique supplémentaire, figure S2). Il convient de mentionner que, bien que le pyrène n’ait aucune influence sur la détermination de la CMC du SDS, la valeur de la CMC (6,64 mM, matériel électronique supplémentaire, figure S2b) déterminée par la méthode fluorométrique utilisant le pyrène comme sonde est inférieure à celle (7,15 mM, matériel électronique supplémentaire, figure S2c) déterminée par la méthode conductive. Ce cas est le même que celui rapporté .

Parmi beaucoup de valeurs IFIII/IFI obtenues, certaines sont significativement plus élevées que les valeurs normales, ce qui nous a laissé perplexes. Après des efforts considérables pour explorer les facteurs causant le changement anormal de l’IFIII/IFI, nous avons finalement trouvé que la valeur de l’IFIII/IFI du pyrène a augmenté de manière significative lors de l’agrandissement des largeurs de fente du fluorospectromètre, mais la valeur de la CMC déterminée est dans la plage d’erreur de mesure (figure 2b). Puisque l’augmentation de l’intensité de fluorescence causée par la concentration de pyrène n’a presque pas causé le changement de la valeur IFIII/IFI (figure 2a ; matériel supplémentaire électronique, figure S1), nous avons déduit que c’était l’augmentation de l’énergie lumineuse excitant le pyrène qui a causé l’augmentation de la valeur IFIII/IFI lors de l’agrandissement des largeurs de fente du fluorospectromètre, et si le nombre (N) mesurant les spectres de fluorescence du pyrène a augmenté, ce qui signifie augmenter l’énergie excitant le pyrène, la valeur IFIII/IFI augmentera également. Ceci a été prouvé par les résultats expérimentaux ; la valeur IFIII/IFI a augmenté de 0.648 à 0.763 quand N a augmenté de 1 à 9 fois (figure 2c). Ces résultats expliquent bien pourquoi certaines des valeurs IFIII/IFI obtenues sont anormalement élevées.

Les résultats ci-dessus indiquent que dans une concentration appropriée de pyrène (0,2-1,0 µM), la valeur moyenne de la CMC et l’écart-type de toutes les valeurs de SDS déterminées dans les figures 1d, 2a et 2b est de 6,60 ± 0,13 mM.

3.2. Détermination de la concentration micellaire critique du dodécylsulfate de sodium via des échantillons préparés par la méthode II

Avec les conditions optimisées ci-dessus pour la détermination de la CMC en utilisant le pyrène comme sonde, une série d’échantillons avec différentes concentrations de SDS et 2 ml de solution aqueuse saturée en pyrène ont été préparés par la méthode II et mesurés par un fluorospectromètre immédiatement. De manière inattendue, la valeur de la CMC déterminée à partir des échantillons préparés par la méthode II (la valeur de la CMC déterminée à partir des échantillons conservés 0 min dans la figure 2d) est beaucoup plus faible (5,86 mM) que celle (6,60 ± 0,13 mM) déterminée à partir des échantillons préparés par la méthode I. Après avoir étudié les facteurs d’influence sur les valeurs de CMC, nous avons constaté qu’après avoir ajouté différents volumes de la solution concentrée de tensioactif et 2 ml de solution d’eau saturée en pyrène dans différentes fioles jaugées de 5 ml, les mélanges doivent être bien agités et conservés au moins 30 min avant de remplir ces fioles jusqu’au trait avec de l’eau (figure 2d ; matériel électronique supplémentaire, figure S4). Les valeurs de CMC déterminées à partir des échantillons conservés pendant 30 et 120 min sont presque les mêmes (6.22 et 6.30 mM) alors que celle déterminée à partir des échantillons conservés 60 min est significativement plus élevée (6.81 mM). Ces résultats indiquent que les échantillons ont pu être mesurés après 30 min de conservation et que les valeurs IFIII/IFI de la première interaction à la deuxième interaction ne sont pas très stables et facilement influencées par les conditions déterminées. La valeur moyenne de la CMC et l’écart du SDS déterminés à partir des échantillons préparés par la méthode II est de 6,44 ± 0,32 mM, avec un écart type plus important que celui déterminé à partir des échantillons préparés par la méthode I.

3.3. Détermination de la concentration micellaire critique du dodécylsulfate de sodium via des échantillons préparés par la méthode III

Pour évaluer si la méthode III (dilution d’une solution tensioactive concentrée contenant une certaine quantité de sonde dans une série d’échantillons contenant différentes concentrations de SDS et de pyrène avec un solvant pur) convient à la préparation d’échantillons utilisant le pyrène comme sonde CMC, les facteurs influençant la détermination de la CMC du SDS ont été étudiés en détail. Les résultats expérimentaux obtenus indiquent que les échantillons préparés par la méthode III peuvent être déterminés immédiatement (figure 3a) et que le pyrène n’a aucune influence lorsque la CMC est de 0,5-1,5 µM dans la solution concentrée de SDS (figure 3b). Les spectres d’excitation et d’émission du pyrène dans ces échantillons déterminés sont présentés dans le matériel supplémentaire électronique, figure S5 et S6. La valeur moyenne et l’écart-type des six valeurs de CMC déterminées dans la figure 3 est de 6,70 ± 0,05 mM, avec un écart beaucoup plus faible que ceux mesurés à partir des échantillons préparés par les méthodes I et II (±0,13 et 0,32 mM). D’après les résultats expérimentaux de la figure 3b, on peut déduire que l’éthanol n’a aucune influence sur la détermination de la CMC lorsque la concentration d’éthanol dans la solution concentrée de SDS est inférieure à 0,3%. En effet, l’augmentation du cpyr de 1 µM à 1,5 µM signifie l’augmentation de la concentration d’éthanol de 0,2% à 0,3%, mais les valeurs de CMC déterminées sont presque les mêmes (figure 3b).

3.4. Détermination de la concentration micellaire critique d’autres types de tensioactifs à partir des échantillons préparés par la méthode I et III

Pour mieux identifier si la méthode III était adaptée à la préparation d’échantillons utilisant le pyrène comme sonde CMC, les valeurs CMC du tensioactif cationique CTAB, du tensioactif zwitterionique CHAPS, des tensioactifs non ioniques Triton X-100 et BS-12 ont été déterminées à partir d’échantillons préparés par la méthode I et III. Les spectres d’excitation et d’émission du pyrène dans les échantillons préparés par la méthode I/III sont présentés dans le matériel électronique supplémentaire, figure S7 et S8/S9 et S10. Les valeurs de CMC déterminées pour différents types d’agents de surface sont présentées dans le tableau 1. Les valeurs de CMC déterminées à partir des échantillons préparés par les méthodes I et III sont presque les mêmes, sauf pour le SDS. Ces résultats prouvent que la méthode III est adaptée à la préparation des échantillons pour la détermination de la CMC de différents types de tensioactifs en utilisant le pyrène comme sonde.

3.5. Influence de différentes sources de dodécylsulfate de sodium et de bromure de cétrimonium sur leurs valeurs de concentration micellaire critique et les valeurs IFIII/IFI

Intéressant, nous avons constaté que le SDS et le CTAB de différents fournisseurs ont non seulement des valeurs CMC différentes (tableau 1) mais conduisent également à une valeur IFIII/IFI différente (figure 4e et f), en particulier les valeurs IFIII/IFI à 4 mM de SDS et 0.5 mM CTAB, qui peuvent être utilisées comme une méthode simple pour distinguer les tensioactifs avec différentes valeurs CMC. Les différentes valeurs de CMC du SDS ou du CTAB peuvent être dues à la pureté. En outre, les contours ou les longueurs d’onde des pics I et III sont également différents (en comparant les sommets du pic I dans les figures 4a et b, et les longueurs d’onde des pics I et III dans les figures 4c et d). La détermination de la CMC du SDS’ par la méthode conductive et la méthode fluorométrique utilisant le pyrène comme sonde (les échantillons ont été préparés par les méthodes I-III) est présentée dans le matériel supplémentaire électronique, figure S11-14. D’après les spectres d’émission du pyrène de la figure 4, on peut remarquer qu’avec le changement de la concentration en tensioactif, le changement de l’intensité de fluorescence du pyrène est irrégulier dans les échantillons préparés par les méthodes I et II mais régulier dans les échantillons préparés par la méthode III. Ceci est dû au fait que l’addition d’une micro quantité de pyrène dans chaque échantillon, qui est omise dans la méthode III mais nécessaire dans les méthodes I et II, provoquera inévitablement des erreurs différentes dans la concentration de pyrène et donc conduira à un changement irrégulier de l’intensité de fluorescence du pyrène.

Conclusion

Nous avons étudié les facteurs influençant la détermination de la CMC en utilisant le pyrène comme sonde et comparé les méthodes I-III de préparation des échantillons pour la détermination de la CMC. Les méthodes I et II, deux méthodes couramment utilisées, ne conviennent qu’aux sondes CMC sans caractéristiques AIE, et la méthode III, développée par nos soins pour les sondes CMC avec caractéristiques AIE, présente l’avantage de réduire les procédures d’opération et les erreurs grâce à l’omission de l’ajout d’une micro quantité de sonde dans chaque échantillon. Les résultats sont les suivants : (i) La méthode III, omettant l’addition d’une micro quantité de colorant CMC dans chaque échantillon et réduisant ainsi les procédures d’opération et les erreurs, s’est avérée non seulement appropriée pour la préparation d’échantillons utilisant le pyrène sans caractéristiques AIE comme sonde CMC mais aussi la meilleure (avec les procédures les plus simples et le plus petit écart-type). (ii) Au cours de la préparation des échantillons, le mélange de la solution concentrée de tensioactif et du pyrène doit être conservé pendant au moins 30 minutes avant d’être dilué. (iii) La valeur IFIII/IFI du pyrène est exceptionnellement sensible aux conditions de mesure relatives à l’énergie lumineuse excitant le pyrène telles que la largeur des fentes et le nombre de mesures. (iv) Le SDS et le CTAB de différents fournisseurs avaient non seulement des valeurs CMC différentes mais ont également conduit à ce que la valeur IFIII/IFI du pyrène dans des solutions de SDS 4 mM et de CTAB 0,5 mM soit très significative, par laquelle on peut simplement distinguer le SDS ou le CTAB de différents fournisseurs.

Accessibilité des données

Les données ont été téléchargées comme faisant partie du matériel électronique supplémentaire.

Contributions des auteurs

H.L.. a apporté des contributions substantielles à l’acquisition, l’analyse et l’interprétation des données ; D.H. a réalisé une partie des expériences et a participé à l’analyse et à l’interprétation des données et à la rédaction de l’article ; X.H. et F.L. ont participé à l’acquisition, l’analyse et l’interprétation des données ; Q.Z. a contribué à la conception, au design, à l’analyse et à l’interprétation des données, et à la rédaction de l’article.

Intérêts concurrents

Nous déclarons ne pas avoir d’intérêts concurrents.

Notes de bas de page

Cet article a été édité par la Royal Society of Chemistry, y compris la commande, le processus d’examen par les pairs et les aspects éditoriaux jusqu’au point d’acceptation.

†Ces auteurs ont contribué à ce manuscrit de manière égale.

Le matériel électronique supplémentaire est disponible en ligne à https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4862268.

.