Alai

Introductie

De kritische micellenconcentratie (CMC) is een belangrijke parameter van oppervlakteactieve stoffen met brede toepassingen . De CMC waarden van oppervlakte-actieve stoffen hebben niet alleen betrekking op hun moleculaire structuren maar zijn ook gevoelig voor omgevingen en hebben betrekking op leveranciers . Daarom moeten hun CMC-waarden worden gemeten in hun praktische toepassingen en onderzoek . Van de huidige methoden voor CMC-bepaling trekt de fluorescentiemethode op basis van de fluorescente verandering van organische sondes veel aandacht vanwege de hoge gevoeligheid en snelle respons . De fluorescente veranderingen zijn echter meestal onzichtbaar of niet scherp bij CMC en daarom moet een reeks monsters met verschillende concentraties oppervlakte-actieve stof en een bepaalde hoeveelheid sonde worden bereid en gemeten met een fluorspectrofotometer. Er zijn twee algemene methoden (methode I en II) voor het bereiden van de monsters. Als de fluorescentieveranderingen zeer scherp en zichtbaar zijn rond/bij CMC, kunnen de CMC-waarden direct worden waargenomen. In 2011 hebben wij een efficiënte vijfcomponentenreactie ontwikkeld voor de synthese van een nieuwe reeks C6-ongesubstitueerde tetrahydropyrimidines (THP’s) met sterke aggregatie-geïnduceerde emissie (AIE) eigenschappen, dat wil zeggen geen emissie in oplossing maar sterke fluorescentie in aggregaten. AIE karakteristiek, gevonden en genoemd door Tang’s groep, lost het netelige aggregatie-veroorzaakte quenching probleem van conventionele fluoroforen op en heeft grote voordelen laten zien in brede gebieden, zoals AIE-genen-bevattende copolymeren en hun toepassingen. De eigenschappen van THP’s – volledig geen emissie in oppervlakte-actieve micellen, maar sterke AIE in verdunde oppervlakte-actieve oplossingen – laten ons ze ontwikkelen als unieke gevoelige en zichtbare fluorescentie-draai op (met de sterkste fluorescentie bij CMC) sondes voor CMC (de gerapporteerde CMC sondes op basis van fluorescentie-intensiteit verandering tonen fluorescentie-draai af verandering bij CMC, dat wil zeggen, tonen de zwakste fluorescentie bij CMC) . Onlangs hebben we ontdekt dat een van de THP’s kan worden gebruikt als een uitstekende indicator voor CMC titratie en realiseerde eenvoudige, monster- en tijdbesparende CMC titratie voor verschillende soorten oppervlakteactieve stoffen voor de eerste keer .

In het proces van het ontwikkelen van zeer gevoelige fluorescentie-turn-on probes (THPs) voor CMC bepaling, ontdekten we dat methoden I en II niet geschikt waren voor THPs met de kenmerken van aggregatie-geïnduceerde emissie (AIE) in verdunde surfactant oplossingen en geen emissie in surfactant micellen en ontwikkelden een nieuwe methode (methode III) . Methode III is niet alleen geschikt voor THP’s, maar heeft ook het voordeel van minder handelingen en fouten door het weglaten van de toevoeging van een microhoeveelheid kleurstof aan elk monster. Wij vroegen ons af of methode III ook geschikt is voor andere CMC-sondes zonder AIE-kenmerken. Aangezien pyreen de meest gebruikte fluorescente probe is voor CMC bepaling, prepareerden we monsters volgens methoden I-III en bestudeerden de factoren die van invloed zijn op de CMC bepaling met pyreen als probe in detail. De CMC-bepaling met pyreen als probe is gebaseerd op het lineaire verband tussen de concentratie van de oppervlakte-actieve stof en de verhouding (IFIII/IFI) van de fluorescentie-intensiteit op de pieken I en III. Onverwacht vonden wij dat de IFIII/IFI-waarde van pyreen in oppervlakte-actieve oplossingen ongewoon gevoelig is voor de meetomstandigheden die de opwindenergie van het licht veranderen. Bovendien vonden we dat sommige van de oppervlakte-actieve stoffen van verschillende leveranciers niet alleen verschillende CMC-waarden hadden, maar ook leidden tot significant verschillende IFIII/IFI-waarden in oppervlakte-actieve oplossingen, wat kan worden gebruikt als een zeer eenvoudige en nuttige methode om dezelfde oppervlakte-actieve stof met verschillende CMC-waarden te onderscheiden.

Experimenteel gedeelte

2.1. Materialen en instrumenten

Alle in dit artikel gebruikte chemicaliën werden verkregen van commerciële leveranciers en zonder verdere zuivering gebruikt. De oppervlakteactieve stof CHAPS werd gekocht bij Energy Chemical; natriumdodecylsulfaat (SDS) werd gekocht bij Guangzhou Weijia Technology Co., Ltd, SERVA Electrophoresis GmbH en Shanghai Meryer Chemical Technology Co, Ltd; cetrimoniumbromide (CTAB) werd gekocht bij Tianjin Damao Chemical Reagent Factory en Aladdin; Triton X-100 werd gekocht bij Aladdin; en BS-12 werd gekocht bij Shanghai Shengxuan Biology Chemical Co., Ltd (voor de moleculaire structuren van deze oppervlakteactieve stoffen, zie het elektronisch aanvullend materiaal). Alle metingen werden uitgevoerd bij 25 ± 1°C. Water werd gezuiverd via deïonisatie en gefiltreerd door de Millipore zuivering tot een weerstand hoger dan 18 MΩ cm-1. Excitatie- en emissiespectra werden bepaald met behulp van de FluoroMax-4 spectrofluorofotometer (ongemarkeerd, uitgezonden bij 373 nm en geëxciteerd bij 334 nm, excitatie- en emissiesplitbreedten: 2 en 2 nm of 3 en 3 nm, en de monsters werden onmiddellijk na de bereiding bepaald).

2.2. Bereiding van de pyreen-ethanol-stamoplossing (0,5 mM)

Omstreeks 10,1 mg pyreen (Mr = 202,3) en ongeveer 80 ml ethanol werden toegevoegd in een maatkolf van 100 ml, waarbij goed werd geschud om het op te lossen, waarna de maatkolf tot de streep met ethanol werd gevuld.

2.3. Bereiding van monsters volgens methode I

Een bepaalde hoeveelheid stamoplossing van oppervlakteactieve stof en stamoplossing van pyreen werden toegevoegd aan een maatkolf van 100 ml, goed geschud en ten minste 30 minuten bewaard, waarna de maatkolf tot de streep werd gevuld met water om een geconcentreerde oplossing van oppervlakteactieve stof (ongeveer 2CMC) met een bepaalde concentratie pyreen (0,2-1 µM) te bereiden. Vervolgens werden verschillende volumes van de geconcentreerde oppervlakte-actieve oplossing toegevoegd aan verschillende maatkolven van 5 ml, waarbij deze maatkolven tot de maatstreep werden gevuld met water dat dezelfde concentratie pyreen bevatte als de concentratie in de geconcentreerde oppervlakte-actieve oplossing.

2.4. Bereiding van monsters volgens methode II

In verschillende maatkolven van 5 ml werden verschillende volumes stamoplossingen van oppervlakteactieve stoffen en 2 ml met pyreen verzadigd water toegevoegd, waarbij goed werd geschud en ten minste 30 minuten werd gewacht alvorens deze kolven tot de streep met water te vullen.

2.5. Bereiding van monsters volgens methode III

Methode III werd in ons vorig werk gerapporteerd. In het algemeen werd eerst een geconcentreerde oppervlakte-actieve oplossing (ongeveer 2CMC) met een bepaalde concentratie pyreen (0,5-1,5 µM) bereid volgens methode I. Vervolgens werden verschillende volumes van de geconcentreerde oppervlakte-actieve oplossing met een bepaalde hoeveelheid pyreen toegevoegd in verschillende maatkolven van 5 ml, waarbij deze maatkolven tot de streep werden gevuld met water.

Resultaten en discussie

3.1. Beïnvloedende factoren op de bepaling van de kritische micelconcentratie van natriumdodecylsulfaat met gebruikmaking van pyreen als probe en methode I voor de bereiding van de monsters

Om de factoren te bestuderen die van invloed zijn op de bepaling van de CMC met gebruikmaking van pyreen als probe, werd de CMC-waarde van de algemeen gebruikte anionogene oppervlakteactieve stof SDS onder verschillende omstandigheden bepaald, en werden monsters bereid volgens de algemeen gebruikte methode I, d.w.z. een geconcentreerde SDS-oplossing (10 mM) die een bepaalde hoeveelheid pyreen (0.5 µM) werd verdund tot verschillende concentraties van SDS-oplossingen met water dat 0,5 µM pyreen bevatte. Om de invloed van de bewaartijd van het monster te bestuderen, werden de bereide monsters respectievelijk onmiddellijk, 0,5 en 24 uur gemeten met een fluorospectrometer. Uit de experimentele resultaten blijkt dat de bewaartijd van het monster geen invloed heeft op de excitatie- en emissiespectra van pyreen (figuur 1a-c), en de bepaalde gemiddelde CMC-waarde en standaardafwijking van SDS is 6,53 ± 0,12 mM. De standaardafwijking is veel kleiner dan de gerapporteerde ± 0,4 mM met pyreen als probe. Er zijn twee snijpunten in figuur 1d. Het eerste snijpunt komt eerder overeen met de CMC-waarde dan het tweede. Dit komt omdat bij een verhoging van de SDS-concentratie, onder CMC, SDS in monomeren voorkomt; bij CMC bereikt de concentratie SDS in monomeren het maximum en beginnen zich micellen te vormen; tegelijkertijd neemt bij een verhoging van de SDS-concentratie, onder CMC, de IFIII/IFI-waarde gelijkmatig toe onder invloed van SDS-monomeren; vanaf CMC tot het tweede snijpunt neemt de IFIII/IFI-waarde sterk toe onder invloed van de snelle overdracht van pyreen van de oplossing in micellen; vanaf het tweede snijpunt neemt de IFIII/IFI-waarde weer geleidelijk toe omdat de pyreenconcentraties in de SDS-micellen respectievelijk de oplossingsfasen in evenwicht zijn en pyreen dus langzaam van de oplossing in de micellen overgaat; vanaf een SDS-concentratie van meer dan 9 mM blijft de IFIII/IFI-waarde vrijwel gelijk omdat de pyreenconcentratie in de oplossing zeer laag is en de hoeveelheid pyreen die van de oplossing in de micellen overgaat te klein is om de verandering in de IFIII/IFI-waarde te veroorzaken.

Omdat de bewaartijd van het monster geen invloed heeft op de CMC-bepaling, werden de volgens methode I bereide monsters onmiddellijk gemeten om andere factoren te bestuderen die van invloed zijn op de CMC-bepaling van SDS met pyreen als probe. Het onderzoek naar de invloed van de concentratie (cpyr) van pyreen is weergegeven in figuur 2a en elektronisch aanvullend materiaal, figuur S1. Uit de experimentele resultaten blijkt dat wanneer cpyr 0,2, 0,5 en 1,0 µM bedraagt (beperkt door de oplosbaarheid in water, hogere cpyr werden niet bestudeerd), de gemiddelde waarde en standaardafwijking van deze bepaalde CMC-waarden 6,66 ± 0,18 mM bedraagt, waarbij de afwijking kleiner is dan de gerapporteerde (±0,4 mM) . Dit bewijst dat in het bereik van 0,2-1,0 µM, pyreen geen invloed heeft op de CMC-waarde. Dit werd verder aangetoond door bijna dezelfde CMC-waarden (7,15 en 7,21 mM) van SDS in aanwezigheid en afwezigheid van pyreen (0,5 µM), bepaald met geleidende methode (de gemiddelde afwijking is ±0,1 mM voor de CMC-waarden van SDS bepaald met geleidende methode ) (elektronisch aanvullend materiaal, figuur S2). Vermeldenswaard is dat, hoewel pyreen geen invloed heeft op de CMC-bepaling van SDS, de CMC-waarde (6,64 mM, elektronisch aanvullend materiaal, figuur S2b) die bepaald is met de fluorometrische methode met pyreen als sonde, lager is dan die (7,15 mM, elektronisch aanvullend materiaal, figuur S2c) die bepaald is met de conductieve methode. Dit geval is hetzelfde als dat waarover verslag is uitgebracht.

Van de vele verkregen IFIII/IFI-waarden zijn er enkele die aanzienlijk hoger zijn dan de normale waarden, hetgeen ons voor een raadsel stelde. Na aanzienlijke inspanningen om de factoren te onderzoeken die de abnormale verandering in IFIII/IFI veroorzaken, vonden we uiteindelijk dat de IFIII/IFI-waarde van pyreen aanzienlijk toenam wanneer de spleetbreedten van de fluorspectrometer werden vergroot, maar dat de bepaalde CMC-waarde binnen het meetfoutenbereik ligt (figuur 2b). Aangezien de toename van de fluorescentie-intensiteit als gevolg van de pyreenconcentratie vrijwel niet leidde tot een verandering van de IFIII/IFI-waarde (figuur 2a; elektronisch aanvullend materiaal, figuur S1), leidden wij daaruit af dat de toename van de lichtenergie die pyreen opwekt de toename van de IFIII/IFI-waarde veroorzaakt als de spleetbreedte van de fluorspectrometer wordt vergroot, en als het aantal (N) fluorescentiespectra van pyreen dat gemeten wordt toeneemt, wat betekent dat de energie die pyreen opwekt toeneemt, zal de IFIII/IFI-waarde ook toenemen. Dit werd bewezen door de experimentele resultaten; de IFIII/IFI-waarde steeg van 0,648 tot 0,763 wanneer N toenam van 1 tot 9 maal (figuur 2c). Deze resultaten verklaren goed waarom sommige van de verkregen IFIII/IFI-waarden abnormaal hoog zijn.

De bovenstaande resultaten geven aan dat bij een geschikte concentratie van pyreen (0,2-1,0 µM) de gemiddelde CMC-waarde en standaardafwijking van alle bepaalde SDS-waarden in de figuren 1d, 2a en 2b 6,60 ± 0,13 mM bedraagt.

3.2. Bepaling van de kritische micelconcentratie van natriumdodecylsulfaat via monsters bereid volgens methode II

Met de hierboven geoptimaliseerde condities voor CMC-bepaling met pyreen als probe, werd een reeks monsters met verschillende concentraties SDS en 2 ml met pyreen verzadigde wateroplossing bereid volgens methode II en onmiddellijk gemeten met een fluorospectrometer. Onverwacht is dat de CMC-waarde bepaald uit de volgens methode II bereide monsters (de CMC-waarde bepaald uit monsters die 0 min zijn bewaard in figuur 2d) veel lager is (5,86 mM) dan die (6,60 ± 0,13 mM) bepaald uit monsters bereid volgens methode I. Na bestudering van de invloedsfactoren op de CMC-waarden stelden we vast dat na toevoeging van verschillende volumes van de geconcentreerde oppervlakte-actieve oplossing en 2 ml met pyreen verzadigde wateroplossing in verschillende maatkolven van 5 ml, de mengsels goed geschud moeten worden en ten minste 30 min moeten worden bewaard voordat deze maatkolven tot de streep met water worden gevuld (figuur 2d; elektronisch aanvullend materiaal, figuur S4). De CMC-waarden van de 30 en 120 minuten bewaarde monsters zijn bijna gelijk (6,22 en 6,30 mM), maar die van de 60 minuten bewaarde monsters is aanzienlijk hoger (6,81 mM). Deze resultaten geven aan dat monsters na 30 min bewaard te zijn, gemeten kunnen worden en dat de IFIII/IFI-waarden van de eerste interactie tot de tweede interactie niet erg stabiel zijn en gemakkelijk beïnvloed kunnen worden door bepaalde condities. De gemiddelde CMC-waarde en de afwijking van SDS bepaald uit de monsters bereid volgens methode II is 6,44 ± 0,32 mM, met een grotere standaardafwijking dan die bepaald uit de monsters bereid volgens methode I.

3.3. Bepaling van de kritische micelconcentratie van natriumdodecylsulfaat via monsters bereid volgens methode III

Om te evalueren of methode III (het verdunnen van geconcentreerde oppervlakte-actieve oplossing die een bepaalde hoeveelheid sonde bevat in een reeks monsters met verschillende concentraties SDS en pyreen met zuiver oplosmiddel) geschikt is voor het bereiden van monsters met pyreen als CMC-sonde, werden de factoren die van invloed zijn op de CMC-bepaling van SDS in detail onderzocht. Uit de verkregen experimentele resultaten blijkt dat de volgens methode III bereide monsters onmiddellijk kunnen worden bepaald (figuur 3a) en dat pyreen geen invloed vertoont wanneer cpyr 0,5-1,5 µM bedraagt in de geconcentreerde SDS-oplossing (figuur 3b). De excitatie- en emissiespectra van pyreen in deze bepaalde monsters worden getoond in het elektronisch aanvullend materiaal, figuur S5 en S6. De gemiddelde waarde en standaardafwijking van de zes bepaalde CMC-waarden in figuur 3 is 6,70 ± 0,05 mM, met een veel kleinere afwijking dan die gemeten aan de monsters bereid volgens methoden I en II (± 0,13 en 0,32 mM). Uit de experimentele resultaten in figuur 3b kan men afleiden dat ethanol geen invloed heeft op de CMC-bepaling wanneer de concentratie ethanol in geconcentreerde SDS-oplossing lager is dan 0,3%. Dit komt omdat de toename van cpyr van 1 µM tot 1,5 µM betekent dat de concentratie ethanol toeneemt van 0,2% tot 0,3%, maar de bepaalde CMC-waarden zijn bijna hetzelfde (figuur 3b).

3.4. Bepaling van de kritische micelconcentratie van andere soorten oppervlakteactieve stoffen uit de volgens methode I en III bereide monsters

Om verder te bepalen of methode III geschikt was voor het bereiden van monsters met pyreen als CMC-sonde, werden de CMC-waarden van de kationogene oppervlakteactieve stof CTAB, de zwitterionogene oppervlakteactieve stof CHAPS, de niet-ionogene oppervlakteactieve stoffen Triton X-100 en BS-12 bepaald uit monsters bereid volgens methode I en III. De excitatie- en emissiespectra van pyreen in de volgens methode I/III bereide monsters zijn weergegeven in het elektronisch aanvullend materiaal, figuur S7 en S8/S9 en S10. De bepaalde CMC-waarden van verschillende soorten oppervlakteactieve stoffen zijn vermeld in tabel 1. De CMC-waarden van de volgens methode I en III bereide monsters zijn vrijwel gelijk, behalve voor SDS. Deze resultaten bewijzen dat methode III geschikt is voor het bereiden van monsters voor de CMC-bepaling van verschillende soorten oppervlakteactieve stoffen met pyreen als sonde.

3.5. Invloed van verschillende bronnen van natriumdodecylsulfaat en cetrimoniumbromide op hun kritische micelconcentratiewaarden en de IFIII/IFI-waarden

Interessant is dat SDS en CTAB van verschillende leveranciers niet alleen verschillende CMC-waarden hebben (tabel 1), maar ook leiden tot verschillende IFIII/IFI-waarden (figuur 4e en f), met name de IFIII/IFI-waarden bij 4 mM SDS en 0.5 mM CTAB, die kunnen worden gebruikt als een eenvoudige methode om de oppervlakteactieve stoffen met verschillende CMC-waarden te onderscheiden. De verschillende CMC-waarden van SDS of CTAB kunnen worden veroorzaakt door de zuiverheid. Bovendien zijn ook de omtrekken of golflengten van de pieken I en III verschillend (vergelijking van de toppen van piek I in figuur 4a en b, en de golflengten van de pieken I en III in figuur 4c en d). De CMC-bepaling van SDS met behulp van de geleidende methode en de fluorometrische methode met pyreen als sonde (de monsters werden bereid volgens de methoden I-III) worden getoond in het elektronisch aanvullend materiaal, figuur S11-14. Uit de emissiespectra van pyreen in figuur 4 kan worden opgemaakt dat bij verandering van de concentratie van de oppervlakteactieve stof, de verandering in de fluorescentie-intensiteit van pyreen onregelmatig is in de monsters die volgens methode I en II zijn bereid, maar regelmatig in de monsters die volgens methode III zijn bereid. Dit komt doordat de toevoeging van microhoeveelheden pyreen aan elk monster, die bij methode III achterwege wordt gelaten maar bij de methoden I en II wel nodig is, onvermijdelijk tot verschillende fouten in de pyreenconcentratie leidt en dus tot een onregelmatige verandering in de fluorescentie-intensiteit van pyreen.

Conclusie

Wij onderzochten de factoren die van invloed zijn op de CMC-bepaling met pyreen als probe en vergeleken de methoden I-III voor het bereiden van monsters voor de CMC-bepaling. Methoden I en II, twee algemeen gebruikte methoden, zijn alleen geschikt voor CMC-sondes zonder AIE-kenmerken, en methode III, door ons ontwikkeld voor CMC-sondes met AIE-kenmerken, heeft als voordeel dat er minder handelingen nodig zijn en dat er minder fouten optreden door het weglaten van de toevoeging van een micro-hoeveelheid sonde in elk monster. De bevindingen luiden als volgt: (i) Methode III, waarbij geen microhoeveelheid CMC-kleurstof aan elk monster hoeft te worden toegevoegd en waarbij dus minder bewerkingen hoeven te worden uitgevoerd en minder fouten optreden, bleek niet alleen geschikt voor de bereiding van monsters met pyreen zonder AIE-kenmerken als CMC-sonde, maar ook de beste (met de eenvoudigste procedures en de kleinste standaardafwijking). (ii) Bij de bereiding van monsters moet het mengsel van geconcentreerde oppervlakteactieve stof en pyreen ten minste 30 minuten worden bewaard voordat het wordt verdund. (iii) De IFIII/IFI-waarde van pyreen is ongebruikelijk gevoelig voor de meetomstandigheden met betrekking tot de lichtenergie die pyreen opwekt, zoals spleetbreedten en het aantal metingen. (iv) SDS en CTAB van verschillende leveranciers hadden niet alleen verschillende CMC-waarden, maar leidden er ook toe dat de IFIII/IFI-waarde van pyreen in 4 mM SDS- en 0,5 mM CTAB-oplossingen zeer significant is, waardoor men SDS of CTAB van verschillende leveranciers eenvoudig van elkaar kan onderscheiden.

Toegankelijkheid van de gegevens

De gegevens zijn geüpload als onderdeel van het elektronisch aanvullend materiaal.

Bijdragen van de auteurs

H.L. leverde substantiële bijdragen aan de verwerving, analyse en interpretatie van gegevens; D.H. voerde een deel van de experimenten uit en nam deel aan de analyse en interpretatie van gegevens en het schrijven van artikelen; X.H. en F.L. namen deel aan de verwerving, analyse en interpretatie van gegevens; Q.Z. droeg bij aan de conceptie, het ontwerp, de analyse en interpretatie van gegevens, en het schrijven van artikelen.

Betwistende belangen

Wij verklaren dat we geen concurrerende belangen hebben.

Footnotes

Dit artikel is geredigeerd door de Royal Society of Chemistry, inclusief de opdrachtverstrekking, het peer review proces en redactionele aspecten tot het punt van acceptatie.

†Deze auteurs hebben in gelijke mate bijgedragen aan dit manuscript.

Elektronisch aanvullend materiaal is online beschikbaar op https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4862268.