Alai

Bevezetés

A kritikus micellakoncentráció (CMC) a felületaktív anyagok fontos paramétere, széleskörű alkalmazással . A tenzidek CMC értékei nem csak a molekuláris szerkezetükre vonatkoznak, hanem érzékenyek a környezetre és a szállítókkal kapcsolatosak . Ezért CMC-értékeiket a gyakorlati alkalmazásuk és a kutatás során mérni kell. A CMC meghatározására szolgáló jelenlegi módszerek közül a szerves szondák fluoreszcens változásán alapuló fluoreszcens módszer nagy figyelmet vonz nagy érzékenysége és gyors reagálása miatt. A fluoreszcens változások azonban általában láthatatlanok vagy nem élesek a CMC-ről, ezért különböző koncentrációjú felületaktív anyagot és bizonyos mennyiségű szondát tartalmazó minták sorozatát kell elkészíteni és fluoroszkópos spektrofotométerrel mérni. A minták előkészítésére két általános módszer létezik (I. és II. módszer). Ha a fluoreszcencia-változások nagyon élesek és láthatóak a CMC körül/nél, akkor a CMC-értékek közvetlenül megfigyelhetők. 2011-ben hatékony ötkomponensű reakciót dolgoztunk ki C6-helyettesítetlen tetrahidropirimidinek (THP-k) új sorozatának szintézisére, amelyek erős aggregáció-indukált emissziós (AIE) jellemzőkkel rendelkeznek, azaz oldatban nincs emisszió, de aggregátumokban erős fluoreszcencia. A Tang csoportja által talált és elnevezett AIE jellemző megoldja a hagyományos fluorofórok aggregáció okozta elfojtási problémáját, és nagy előnyöket mutatott széles területeken, például az AIEgéneket tartalmazó kopolimerekben és azok alkalmazásaiban. A THP-k jellemzői – teljesen nincs emisszió a felületaktív micellákban, de erős AIE híg felületaktív oldatokban – lehetővé teszik számunkra, hogy egyedülállóan érzékeny és látható fluoreszcencia-kapcsoló (a legerősebb fluoreszcenciát mutatja a CMC-nél) CMC-szondákként fejlesszük ki őket (a fluoreszcencia intenzitásváltozáson alapuló bejelentett CMC-szondák a CMC-nél fluoreszcencia-kapcsoló változást mutatnak, azaz a leggyengébb fluoreszcenciát mutatják a CMC-nél). A közelmúltban megállapítottuk, hogy az egyik THP kiváló indikátorként használható a CMC-titráláshoz, és először valósítottunk meg egyszerű, minta- és időtakarékos CMC-titrálást különböző típusú felületaktív anyagok esetében.

A CMC meghatározására szolgáló, nagy érzékenységű fluoreszcens bekapcsoló szondák (THP-k) kifejlesztése során megállapítottuk, hogy az I. és II. módszer nem alkalmas a THP-kre, amelyek jellemzője az aggregáció indukálta emisszió (AIE) híg tenzidoldatokban és az emisszió hiánya tenzid micellákban, és új módszert (III. módszer) fejlesztettünk ki . A III. módszer nemcsak a THP-kre alkalmas, hanem előnye, hogy kevesebb műveleti eljárást és hibát igényel, mivel nem kell mikro mennyiségű festéket hozzáadni az egyes mintákhoz. Kíváncsiak voltunk, hogy a III. módszer alkalmas-e más, AIE-jellemzőkkel nem rendelkező CMC-szondák esetében is. Tekintettel arra, hogy a pirén a leggyakrabban használt fluoreszcens szonda a CMC meghatározásához , mintákat készítettünk az I-III. módszerrel, és részletesen megvizsgáltuk a CMC meghatározást befolyásoló tényezőket a pirén mint szonda használatával. A pirén mint szonda használatával történő CMC-meghatározás a felületaktív anyag koncentrációja és az I. és III. csúcsok fluoreszcencia-intenzitásának aránya (IFIII/IFI) közötti lineáris kapcsolaton alapul. Váratlanul azt találtuk, hogy a pirén IFIII/IFI értéke tenzidoldatokban szokatlanul érzékeny a gerjesztő fényenergiát változtató mérési körülményekre. Ezen kívül azt találtuk, hogy a különböző beszállítóktól származó egyes tenzidek nemcsak különböző CMC-értékekkel rendelkeztek, hanem jelentősen eltérő IFIII/IFI-értékeket is eredményeztek tenzidoldatokban, ami nagyon egyszerű és hasznos módszer lehet ugyanazon tenzidek különböző CMC-értékekkel való megkülönböztetésére.

Kísérleti rész

2.1. Anyagok és eszközök

A jelen dolgozatban használt összes vegyszert kereskedelmi beszállítóktól szereztük be és további tisztítás nélkül használtuk fel. A CHAPS felületaktív anyagot az Energy Chemical-tól vásároltuk; a nátrium-dodecil-szulfátot (SDS) a Guangzhou Weijia Technology Co., Ltd-től, a SERVA Electrophoresis GmbH-tól és a Shanghai Meryer Chemical Technology Co.-tól, Ltd-től; a cetrimonium-bromidot (CTAB) a Tianjin Damao Chemical Reagent Factory-tól és az Aladdin-tól; a Triton X-100-at az Aladdin-tól; a BS-12-t pedig a Shanghai Shengxuan Biology Chemical Co., Ltd-től vásároltuk (e felületaktív anyagok molekuláris szerkezetét lásd az elektronikus kiegészítő anyagban). Minden mérést 25 ± 1°C-on végeztünk. A vizet deionizálással tisztítottuk és a Millipore tisztítóval szűrtük 18 MΩ cm-1-nél nagyobb ellenállásig. A gerjesztési és emissziós spektrumokat FluoroMax-4 spektrofluorofotométerrel határoztuk meg (jelölés nélküli, 373 nm-en emittált és 334 nm-en gerjesztett, gerjesztési és emissziós résszélesség: 2 és 2 nm vagy 3 és 3 nm, a minták meghatározása közvetlenül az előkészítés után történt).

2.2. A minták meghatározását az alábbiakban ismertetjük. Pirén etanolos törzsoldatának (0,5 mM)

Egy 100 ml-es mérőlombikba kb. 10,1 mg pirént (Mr = 202,3) és kb. 80 ml etanolt adtunk, jól megrázva az oldódás érdekében, majd a lombikot jelig etanollal töltöttük.

2.3. Az etanolos törzsoldat elkészítése. A minták előállítása az I. módszerrel

Egy bizonyos mennyiségű felületaktív anyag törzsoldatot és pirén törzsoldatot adtunk egy 100 ml-es mérőlombikba, jól felrázva és legalább 30 percig tartva, majd a lombikot jelig töltöttük vízzel, hogy koncentrált felületaktív anyag oldatot (kb. 2CMC) készítsünk egy bizonyos koncentrációjú pirénnel (0,2-1 µM). Ezután a koncentrált tenzidoldat különböző mennyiségeit különböző 5 ml-es mérőlombikokba adtuk, és ezeket a lombikokat jelig töltöttük vízzel, amely a koncentrált tenzidoldattal megegyező koncentrációjú pirént tartalmazott.

2.4. A koncentrált tenzidoldat és a koncentrált tenzidoldat koncentrációja. A minták előkészítése a II. módszerrel

Különböző mennyiségű tenzid törzsoldatot és 2 ml pirénnel telített vizes oldatot adtunk különböző 5 ml-es mérőlombikokba, jól felrázva és legalább 30 percig tartva, mielőtt ezeket a lombikokat jelig töltöttük vízzel.

2.5. A minták előkészítése a II. módszerrel

Különböző mennyiségű tenzid törzsoldatot és 2 ml pirénnel telített vizes oldatot adtunk különböző 5 ml-es mérőlombikokba. A minták előkészítése a III. módszerrel

A III. módszerről korábbi munkánkban számoltunk be . Általában először egy koncentrált felületaktív oldatot (kb. 2CMC) készítettünk egy bizonyos koncentrációjú pirénnel (0,5-1,5 µM), mint az I. módszerrel. Ezután különböző mennyiségű, bizonyos mennyiségű pirént tartalmazó koncentrált felületaktív oldatot adtunk különböző 5 ml-es mérőlombikokba, ezeket a lombikokat jelig töltöttük vízzel.

Eredmények és megbeszélés

3.1. Eredmények és megbeszélés

3.1. A koncentrált felületaktív oldat, amely bizonyos mennyiségű pirént tartalmazott. A nátrium-dodecil-szulfát kritikus micellakoncentrációjának meghatározását befolyásoló tényezők a pirén mint szonda és az I. módszer felhasználásával történő mintaelőkészítés során

A pirén mint szonda felhasználásával történő CMC-meghatározást befolyásoló tényezők tanulmányozására az általánosan használt anionos felületaktív anyag SDS CMC-értékét határoztuk meg különböző körülmények között, és a mintákat az általánosan használt I. módszerrel készítettük, azaz egy koncentrált SDS-oldatot (10 mM), amely bizonyos mennyiségű pirént (0.5 µM) különböző koncentrációjú SDS-oldatokat hígítottunk 0,5 µM pirént tartalmazó vízzel. A mintatartási idő hatásának vizsgálatához az elkészített mintákat azonnal, 0,5, illetve 24 órán keresztül fluoroszpektrométerrel mértük. A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a minta tartási ideje nem befolyásolja a pirén gerjesztési és emissziós spektrumát (1a-c ábra), és az SDS meghatározott CMC átlagértéke és szórása 6,53 ± 0,12 mM. A standard eltérés sokkal kisebb, mint a pirén mint szonda használatával jelentett ±0,4 mM . Az 1d ábrán két metszéspont található. Az első metszéspont inkább megfelel a CMC-értéknek, mint a második metszéspont. Ennek az az oka, hogy az SDS koncentráció növekedésével a CMC alatt az SDS a monomerekben van jelen; a CMC-nél a monomerekben lévő SDS koncentrációja eléri a maximumot és a micellák elkezdenek kialakulni; ugyanakkor az SDS koncentráció növekedésével a CMC alatt az IFIII/IFI érték egyenletesen nő az SDS monomerek hatására; a CMC-től a második metszéspontig az IFIII/IFI érték meredeken nő, a pirénnek az oldatból a micellákba történő gyors átvitele miatt; a második metszésponttól az IFIII/IFI érték ismét egyenletesen nő, mivel a pirén koncentrációja az SDS-micellákban, illetve az oldatfázisban egyensúlyban van, és ezért a pirén lassan kerül át az oldatból a micellákba; 9 mM-nál nagyobb SDS-koncentrációtól az IFIII/IFI érték szinte változatlan marad, mivel a pirén koncentrációja az oldatban nagyon alacsony, és az oldatból a micellákba kerülő pirén mennyisége túl kicsi ahhoz, hogy az IFIII/IFI érték változását okozza.

Mivel a minta tartási ideje nem mutat befolyást a CMC meghatározására, az I. módszerrel készített mintákat azonnal megmértük, hogy megvizsgáljuk az SDS CMC meghatározását befolyásoló egyéb tényezőket a pirén mint szonda használatával. A pirén koncentrációjának (cpyr) hatásának vizsgálatát a 2a. ábra és az elektronikus kiegészítő anyag S1. ábrája mutatja. A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy ha a cpyr 0,2, 0,5 és 1,0 µM (a vízben való oldhatóság által korlátozott, magasabb cpyr-t nem vizsgáltunk), akkor az így meghatározott CMC-értékek átlagértéke és szórása 6,66 ± 0,18 mM, az eltérés kisebb, mint a közölt (±0,4 mM) . Ez azt bizonyítja, hogy a 0,2-1,0 µM tartományban a pirén nincs hatással a CMC-értékre. Ezt bizonyítja továbbá az SDS vezetőképes módszerrel meghatározott CMC-értékeinek (7,15 és 7,21 mM) közel azonos volta pirén (0,5 µM) jelenlétében és hiányában (az SDS vezetőképes módszerrel meghatározott CMC-értékeinek átlagos eltérése ±0,1 mM ). (elektronikus kiegészítő anyag, S2 ábra). Érdemes megemlíteni, hogy bár a pirén nincs hatással az SDS CMC-meghatározására, a fluorometriás módszerrel, szondaként pirént használva meghatározott CMC-érték (6,64 mM, elektronikus kiegészítő anyag, S2b ábra) alacsonyabb, mint a vezetőképes módszerrel meghatározott érték (7,15 mM, elektronikus kiegészítő anyag, S2c ábra). Ez az eset megegyezik a jelentett .

A sok kapott IFIII/IFI értékek közül néhány jelentősen magasabb a normál értékeknél, ami zavarba ejtett minket. Miután jelentős erőfeszítéseket tettünk az IFIII/IFI rendellenes változását okozó tényezők feltárására, végül megállapítottuk, hogy a fluoroszpektrométer résszélességének növelésekor a pirén IFIII/IFI értéke jelentősen megnőtt, de a meghatározott CMC-érték a mérési hibatartományon belül van (2b. ábra). Mivel a fluoreszcencia intenzitásának a pirén koncentráció okozta növekedése szinte nem okozta az IFIII/IFI érték változását (2a. ábra; elektronikus kiegészítő anyag, S1. ábra), arra következtettünk, hogy a fluoroszpektrométer résszélességének növelésekor a pirént gerjesztő fényenergia fokozódása okozta az IFIII/IFI érték növekedését, és ha a pirén fluoreszcencia spektrumát mérő mérések száma (N) nő, ami a pirént gerjesztő energia növekedését jelenti, akkor az IFIII/IFI érték is nőni fog. Ezt a kísérleti eredmények is bizonyították; az IFIII/IFI érték 0,648-ról 0,763-ra nőtt, amikor az N 1-ről 9-szeresére nőtt (2c. ábra). Ezek az eredmények jól megmagyarázzák, hogy a kapott IFIII/IFI értékek némelyike miért abnormálisan magas.

A fenti eredmények azt mutatják, hogy megfelelő pirén koncentrációban (0,2-1,0 µM) a CMC átlagértéke és az 1d, 2a és 2b ábrákon meghatározott összes SDS érték standard eltérése 6,60 ± 0,13 mM.

3.2. A fenti eredmények azt mutatják, hogy a megfelelő pirén koncentrációban (0,2-1,0 µM) a CMC átlagértéke és az összes meghatározott SDS érték standard eltérése 6,60 ± 0,13 mM. A nátrium-dodecil-szulfát kritikus micellakoncentrációjának meghatározása a II. módszerrel készített mintákon keresztül

A CMC meghatározásának fenti optimalizált feltételei mellett, pirén mint szonda felhasználásával, a II. módszerrel különböző koncentrációjú SDS-t és 2 ml pirénnel telített vizes oldatot tartalmazó minták sorozatát készítettük el és azonnal fluoroszpektrométerrel mértük. Váratlanul a II. módszerrel készített mintákból meghatározott CMC-érték (a 2d. ábrán a 0 percig tartott mintákból meghatározott CMC-érték) sokkal alacsonyabb (5,86 mM), mint az I. módszerrel készített mintákból meghatározott érték (6,60 ± 0,13 mM). A CMC-értékeket befolyásoló tényezők vizsgálatát követően megállapítottuk, hogy miután különböző 5 ml-es mérőlombikokba különböző mennyiségű koncentrált felületaktív oldatot és 2 ml pirénnel telített vízoldatot adtunk, az elegyeket jól fel kell rázni és legalább 30 percig kell tartani, mielőtt ezeket a lombikokat jelig töltjük vízzel (2d. ábra; elektronikus kiegészítő anyag, S4. ábra). A 30 és 120 percig tárolt mintákból meghatározott CMC-értékek majdnem azonosak (6,22 és 6,30 mM), bár a 60 percig tárolt mintákból meghatározott érték jelentősen magasabb (6,81 mM). Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a minták 30 perces tartás után is mérhetők, és hogy az IFIII/IFI értékek az első kölcsönhatástól a második kölcsönhatásig nem túl stabilak, és könnyen befolyásolhatók a meghatározott körülmények által. A II. módszerrel készített mintákból meghatározott átlagos CMC érték és SDS eltérés 6,44 ± 0,32 mM, nagyobb standard eltéréssel, mint az I. módszerrel készített mintákból meghatározott értékek

3,3. A nátrium-dodecil-szulfát kritikus micellakoncentrációjának meghatározása a III. módszerrel készített mintákon keresztül

Az SDS és a pirén különböző koncentrációit tartalmazó minták sorozatába bizonyos mennyiségű szondát tartalmazó koncentrált felületaktív oldat tiszta oldószerrel történő hígítása (III. módszer) alkalmas-e a pirént CMC-szondaként használó minták előállítására, részletesen megvizsgáltuk az SDS CMC meghatározását befolyásoló tényezőket. A kapott kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a III. módszerrel készített minták azonnal meghatározhatók (3a. ábra), és a pirén nem mutat befolyást, ha a cpyr 0,5-1,5 µM a koncentrált SDS-oldatban (3b. ábra). A pirén gerjesztési és emissziós spektrumát ezekben a meghatározott mintákban az elektronikus kiegészítő anyag S5. és S6. ábrája mutatja. A 3. ábrán a hat meghatározott CMC-érték átlagértéke és szórása 6,70 ± 0,05 mM, sokkal kisebb eltéréssel, mint az I. és II. módszerrel készített mintákból mért értékek (±0,13 és 0,32 mM). A 3b. ábrán látható kísérleti eredmények alapján arra lehet következtetni, hogy az etanol nem befolyásolja a CMC meghatározását, ha az etanol koncentrációja a koncentrált SDS-oldatban kisebb, mint 0,3%. Ennek oka, hogy a cpyr 1 µM-ről 1,5 µM-ra történő növelése az etanol koncentrációjának 0,2%-ról 0,3%-ra történő növelését jelenti, de a meghatározott CMC-értékek szinte azonosak (3b. ábra).

3.4. Másfajta tenzidek kritikus micellakoncentrációjának meghatározása az I. és III. módszerrel készített mintákból

Az I. és III. módszerrel készített mintákból meghatároztuk a kationos tenzid CTAB, a zwitterionos tenzid CHAPS, a nemionos tenzidek Triton X-100 és BS-12 CMC-értékeit, hogy tovább vizsgáljuk, alkalmas-e a III. módszer a pirén mint CMC-szonda felhasználásával készült minták előállítására. A pirén gerjesztési és emissziós spektrumát az I/III. módszerrel készített mintákban az elektronikus kiegészítő anyag S7. és S8/S9. és S10. ábrája mutatja. A különböző felületaktív anyagok meghatározott CMC-értékeit az 1. táblázat tartalmazza. Az I. és III. módszerrel készített mintákból meghatározott CMC-értékek az SDS kivételével közel azonosak. Ezek az eredmények azt bizonyítják, hogy a III. módszer alkalmas a különböző típusú felületaktív anyagok CMC-meghatározására szolgáló minták előállítására pirén mint szonda felhasználásával.

3.5. A nátrium-dodecil-szulfát és a cetrimonium-bromid különböző forrásainak hatása a kritikus micellakoncentráció értékeikre és az IFIII/IFI értékekre

Érdekes módon azt találtuk, hogy a különböző beszállítóktól származó SDS és CTAB nemcsak különböző CMC értékekkel rendelkezik (1. táblázat), hanem eltérő IFIII/IFI értéket is eredményez (4e és f ábra), különösen az IFIII/IFI értékek 4 mM SDS és 0 mM 0.5 mM CTAB, ami egyszerű módszerként használható a különböző CMC-értékkel rendelkező felületaktív anyagok megkülönböztetésére. Az SDS vagy a CTAB eltérő CMC-értékeit a tisztaság okozhatja . Ezenkívül az I. és III. csúcs körvonalai vagy hullámhosszai is eltérőek (összehasonlítva az I. csúcs tetejét a 4a. és b. ábrán, valamint az I. és III. csúcs hullámhosszát a 4c. és d. ábrán). Az SDS’ CMC meghatározása vezetőképes módszerrel és fluorometriás módszerrel, pirén mint szonda használatával (a mintákat az I-III. módszerrel készítettük) az elektronikus kiegészítő anyag S11-14. ábráján látható. A pirén emissziós spektrumából a 4. ábrán látható, hogy a felületaktív anyag koncentrációjának változásával a pirén fluoreszcencia-intenzitásának változása szabálytalan az I. és II. módszerrel készített mintákban, de szabályos a III. módszerrel készített mintákban. Ennek az az oka, hogy a pirén mikromennyiségének hozzáadása az egyes mintákhoz, ami a III. módszerben elmarad, de az I. és II. módszerben szükséges, elkerülhetetlenül különböző hibákat okoz a pirénkoncentrációban, és így a pirén fluoreszcencia-intenzitásának szabálytalan változásához vezet.

Következtetés

Vizsgáltuk a CMC meghatározást befolyásoló tényezőket pirén mint szonda felhasználásával, és összehasonlítottuk a minták CMC meghatározáshoz történő előkészítésének I-III. módszereit. Az I. és II. módszer, két általánosan használt módszer, csak az AIE jellemzőkkel nem rendelkező CMC szondákra alkalmas, az általunk kifejlesztett III. módszer pedig az AIE jellemzőkkel rendelkező CMC szondákra alkalmas, és előnye, hogy kevesebb műveleti eljárást és hibát jelent, mivel az egyes mintákhoz nem kell mikro mennyiségű szondát hozzáadni. A következő eredményeket kaptuk: (i) A III. módszer, amely elhagyja a CMC festék mikromennyiségének minden egyes mintába történő hozzáadását, és ezáltal csökkenti a műveleti eljárásokat és a hibákat, nemcsak alkalmasnak bizonyult az AIE jellemzőkkel nem rendelkező pirént CMC-szondaként használó minták előállítására, hanem a legjobbnak is (a legegyszerűbb eljárásokkal és a legkisebb standard eltéréssel). (ii) A minták előkészítése során a koncentrált felületaktív oldat és a pirén keverékét legalább 30 percig kell tartani a hígítás előtt. (iii) A pirén IFIII/IFI értéke szokatlanul érzékeny a pirént gerjesztő fényenergiával kapcsolatos mérési körülményekre, például a résszélességre és a mérési számra. (iv) A különböző beszállítóktól származó SDS és CTAB nemcsak eltérő CMC-értékekkel rendelkezett, hanem azt is eredményezte, hogy a pirén IFIII/IFI értéke 4 mM SDS és 0,5 mM CTAB oldatokban nagyon jelentős volt, ami alapján egyszerűen megkülönböztethető a különböző beszállítóktól származó SDS vagy CTAB.

Az adatok hozzáférhetősége

Az adatokat az elektronikus kiegészítő anyag részeként töltöttük fel.

A szerzők hozzájárulása

H.L. jelentősen hozzájárult az adatok megszerzéséhez, elemzéséhez és értelmezéséhez; D.H. elvégezte a kísérletek egy részét, részt vett az adatok elemzésében és értelmezésében, valamint a cikk megírásában; X.H. és F.L. részt vett az adatok megszerzésében, elemzésében és értelmezésében; Q.Z. hozzájárult a koncepcióhoz, a tervezéshez, az adatok elemzéséhez és értelmezéséhez, valamint a cikk megírásához.

Kompetitív érdekek

Kijelentjük, hogy nincsenek konkurens érdekeink.

Lábjegyzetek

Ezt a cikket a Royal Society of Chemistry szerkesztette, beleértve a megbízást, a szakértői véleményezési folyamatot és a szerkesztési szempontokat az elfogadásig.

†Ezek a szerzők egyenlő mértékben járultak hozzá a kézirathoz.

Elektronikus kiegészítő anyag online elérhető a https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4862268 címen.