Alai

Introduction

Critical micelle concentration (CMC) is an important parameter of surfactants with wide applications . Wartości CMC środków powierzchniowo czynnych nie tylko odnoszą się do ich struktur molekularnych, ale także są wrażliwe na środowisko i odnoszą się do dostawców. Dlatego wartości CMC muszą być mierzone w ich praktycznych zastosowaniach i badaniach. Wśród obecnych metod oznaczania CMC, metoda fluorescencyjna oparta na zmianie fluorescencji sond organicznych przyciąga dużą uwagę ze względu na jej wysoką czułość i szybką odpowiedź. Jednakże, zmiany fluorescencyjne są zwykle niewidoczne lub nieostre w pobliżu CMC i dlatego serie próbek zawierających różne stężenia środka powierzchniowo czynnego i pewną ilość sondy muszą być przygotowane i zmierzone przez fluorospektrofotometr. Istnieją dwie ogólne metody (metoda I i II) przygotowywania próbek. Jeśli zmiany fluorescencji są bardzo ostre i widoczne w okolicach CMC, wartości CMC będą bezpośrednio obserwowane. W 2011 r. opracowaliśmy wydajną, pięcioskładnikową reakcję syntezy nowej serii C6-niepodstawionych tetrahydropirymidyn (THP) o silnej charakterystyce emisji indukowanej agregacją (AIE), tzn. brak emisji w roztworze, ale silna fluorescencja w agregatach. Charakterystyka AIE, odkryta i nazwana przez grupę Tanga, rozwiązuje drażliwy problem wygaszania spowodowanego agregacją konwencjonalnych fluoroforów i wykazała duże zalety w wielu dziedzinach, takich jak kopolimery zawierające AIEgeny i ich zastosowania. Charakterystyka THP – całkowity brak emisji w micelach surfaktantów, ale silne AIE w rozcieńczonych roztworach surfaktantów – pozwoliła nam rozwinąć je jako unikalne czułe i widoczne sondy fluorescencyjno-zwrotne (wykazujące najsilniejszą fluorescencję w CMC) dla CMC (zgłoszone sondy CMC oparte na zmianie intensywności fluorescencji wykazują zmianę fluorescencji-zwrotną w CMC, czyli wykazują najsłabszą fluorescencję w CMC). Ostatnio stwierdziliśmy, że jeden z THP może być stosowany jako doskonały wskaźnik do miareczkowania CMC i po raz pierwszy zrealizowaliśmy proste, oszczędzające próbkę i czas miareczkowanie CMC dla różnych rodzajów środków powierzchniowo czynnych.

W procesie rozwoju wysoce czułych sond fluorescencyjnych (THP) do oznaczania CMC, stwierdziliśmy, że metody I i II nie były odpowiednie dla THP o właściwościach emisji wywołanej agregacją (AIE) w rozcieńczonych roztworach surfaktantów i bez emisji w micelach surfaktantów i opracowaliśmy nową metodę (metoda III). Metoda III jest nie tylko odpowiednia dla THPs, ale ma również zalety w postaci mniejszej ilości procedur operacyjnych i błędów dzięki pominięciu dodawania mikro ilości barwnika do każdej próbki. Zastanawialiśmy się, czy metoda III jest odpowiednia również dla innych sond CMC nie posiadających właściwości AIE. Biorąc pod uwagę, że piren jest najczęściej stosowaną sondą fluorescencyjną do oznaczania CMC, przygotowaliśmy próbki metodami I-III i szczegółowo zbadaliśmy czynniki wpływające na oznaczanie CMC z użyciem pirenu jako sondy. Oznaczanie CMC przy użyciu pirenu jako sondy opiera się na liniowej zależności pomiędzy stężeniem surfaktantu a stosunkiem (IFIII/IFI) intensywności jego fluorescencji w pikach I i III. Nieoczekiwanie okazało się, że wartość IFIII/IFI pirenu w roztworach surfaktantów jest niezwykle wrażliwa na warunki pomiaru zmieniające energię światła ekscytującego. Ponadto stwierdziliśmy, że niektóre surfaktanty pochodzące od różnych dostawców nie tylko miały różne wartości CMC, ale również prowadziły do znacząco różnych wartości IFIII/IFI w roztworach surfaktantów, co może być wykorzystane jako bardzo prosta i użyteczna metoda rozróżniania tego samego surfaktantu o różnych wartościach CMC.

Sekcja doświadczalna

2.1. Materiały i przyrządy

Wszystkie substancje chemiczne użyte w tej pracy zostały uzyskane od dostawców komercyjnych i użyte bez dalszego oczyszczania. Surfaktant CHAPS został zakupiony od Energy Chemical; dodecylosiarczan sodu (SDS) został zakupiony od Guangzhou Weijia Technology Co., Ltd, SERVA Electrophoresis GmbH i Shanghai Meryer Chemical Technology Co, Ltd; bromek cetrimonium (CTAB) zakupiono od Tianjin Damao Chemical Reagent Factory i Aladdin; Triton X-100 zakupiono od Aladdin; a BS-12 zakupiono od Shanghai Shengxuan Biology Chemical Co., Ltd (struktury molekularne tych środków powierzchniowo czynnych, patrz elektroniczny materiał uzupełniający). Wszystkie pomiary przeprowadzono w temperaturze 25 ± 1°C. Woda była oczyszczana przez dejonizację i filtrowana przez Millipore purification do rezystywności wyższej niż 18 MΩ cm-1. Widma wzbudzenia i emisji wyznaczano za pomocą spektrofluorofotometru FluoroMax-4 (bez adnotacji, emitowane przy 373 nm i wzbudzane przy 334 nm, szerokości szczeliny wzbudzenia i emisji: 2 i 2 nm lub 3 i 3 nm, a próbki oznaczano bezpośrednio po przygotowaniu).

2.2. Przygotowanie etanolowego roztworu podstawowego pirenu (0,5 mM)

Około 10,1 mg pirenu (Mr = 202,3) i około 80 ml etanolu dodano do kolby miarowej o pojemności 100 ml, dobrze wstrząsając do rozpuszczenia, a następnie wypełniono kolbę do kreski etanolem.

2.3. Przygotowanie próbek metodą I

Pewną ilość roztworu podstawowego surfaktantu i roztworu podstawowego pirenu dodawano do kolby miarowej o pojemności 100 ml, dobrze wstrząsając i przetrzymując co najmniej przez 30 min przed wypełnieniem kolby do kreski wodą, aby przygotować stężony roztwór surfaktantu (około 2CMC) o pewnym stężeniu pirenu (0,2-1 µM). Następnie różne objętości stężonego roztworu środka powierzchniowo czynnego dodawano do różnych kolb miarowych o pojemności 5 ml, wypełniając te kolby do kreski wodą zawierającą takie samo stężenie pirenu, jak w stężonym roztworze środka powierzchniowo czynnego.

2.4. Przygotowanie próbek metodą II

Różne objętości roztworów podstawowych środków powierzchniowo czynnych i 2 ml roztworu wodnego nasyconego pirenem dodawano do różnych kolb miarowych o pojemności 5 ml, dobrze wstrząsając i przetrzymując co najmniej przez 30 min przed napełnieniem tych kolb do kreski wodą.

2.5. Przygotowanie próbek metodą III

Metoda III została podana w naszej poprzedniej pracy. Ogólnie rzecz biorąc, najpierw przygotowywano stężony roztwór surfaktantu (około 2CMC) o określonym stężeniu pirenu (0,5-1,5 µM) jak w metodzie I. Następnie różne objętości stężonego roztworu surfaktantu zawierającego pewną ilość pirenu dodawano do różnych kolb miarowych o pojemności 5 ml, wypełniając te kolby do kreski wodą.

Wyniki i dyskusja

3.1. Czynniki wpływające na oznaczanie krytycznego stężenia miceli dodecylosiarczanu sodu z wykorzystaniem pirenu jako sondy i metody I przygotowania próbek

W celu zbadania czynników wpływających na oznaczanie CMC z wykorzystaniem pirenu jako sondy, oznaczono wartość CMC powszechnie stosowanego anionowego surfaktantu SDS w różnych warunkach, a próbki przygotowano powszechnie stosowaną metodą I, to znaczy stężony roztwór SDS (10 mM) zawierający określoną ilość pirenu (0.5 µM) rozcieńczano do różnych stężeń roztworów SDS wodą zawierającą 0,5 µM pirenu. W celu zbadania wpływu czasu przechowywania próbki, przygotowane próbki poddano pomiarom natychmiastowym, odpowiednio po 0,5 i 24 h, przy użyciu fluorospektrometru. Wyniki eksperymentalne wskazują, że czas przechowywania próbki nie ma wpływu na widma wzbudzenia i emisji pirenu (rys. 1a-c), a wyznaczona średnia wartość CMC i odchylenie standardowe SDS wynosi 6,53 ± 0,12 mM. Odchylenie standardowe jest znacznie mniejsze niż podawane ±0,4 mM przy użyciu pirenu jako sondy. Na rysunku 1d znajdują się dwa przecięcia. Pierwsze przecięcie bardziej niż drugie odpowiada wartości CMC. Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem stężenia SDS, poniżej CMC, SDS występuje w monomerach; przy CMC, stężenie SDS w monomerach osiąga maksimum i zaczynają się tworzyć micele; jednocześnie, wraz ze wzrostem stężenia SDS, poniżej CMC, wartość IFIII/IFI wzrasta płynnie dzięki wpływowi monomerów SDS; od CMC do drugiego przecięcia, wartość IFIII/IFI wzrasta gwałtownie z powodu szybkiego przenoszenia pirenu z roztworu do miceli; od drugiego punktu przecięcia wartość IFIII/IFI ponownie łagodnie wzrasta, ponieważ stężenia pirenu odpowiednio w micelach SDS i w fazie roztworu znajdują się w równowadze, a zatem piren powoli przechodzi z roztworu do miceli; od stężenia SDS wyższego niż 9 mM wartość IFIII/IFI utrzymuje się prawie na tym samym poziomie, ponieważ stężenie pirenu w roztworze jest bardzo niskie, a ilość pirenu przechodzącego z roztworu do miceli jest zbyt mała, aby spowodować zmianę wartości IFIII/IFI.

Ponieważ czas przechowywania próbek nie wykazuje wpływu na oznaczanie CMC, próbki przygotowane metodą I mierzono natychmiast w celu zbadania innych czynników wpływających na oznaczanie CMC SDS z wykorzystaniem pirenu jako sondy. Badanie wpływu stężenia (cpyr) pirenu przedstawiono na rysunku 2a i w elektronicznym materiale uzupełniającym, rysunek S1. Wyniki eksperymentalne wskazują, że gdy cpyr wynosi 0,2, 0,5 i 1,0 µM (ograniczone rozpuszczalnością w wodzie, wyższych cpyr nie badano), wartość średnia i odchylenie standardowe tych wyznaczonych wartości CMC wynosi 6,66 ± 0,18 mM, przy czym odchylenie to jest mniejsze od podawanego (±0,4 mM) . Świadczy to o tym, że w zakresie 0,2-1,0 µM piren nie wykazuje wpływu na wartość CMC. Świadczą o tym również prawie takie same wartości CMC (7,15 i 7,21 mM) SDS w obecności i przy braku pirenu (0,5 µM) wyznaczone metodą przewodnictwa (średnie odchylenie wynosi ±0,1 mM dla wartości CMC SDS wyznaczonych metodą przewodnictwa ) (elektroniczny materiał uzupełniający, ryc. S2). Warto zaznaczyć, że chociaż piren nie wykazuje wpływu na oznaczanie CMC SDS, to wartość CMC (6,64 mM, elektroniczny materiał uzupełniający, rysunek S2b) wyznaczona metodą fluorometryczną z użyciem pirenu jako sondy jest niższa niż wartość (7,15 mM, elektroniczny materiał uzupełniający, rysunek S2c) wyznaczona metodą konduktometryczną. Przypadek ten jest taki sam jak ten opisany na rysunku 2.

Wśród wielu uzyskanych wartości IFIII/IFI, niektóre z nich są znacznie wyższe niż wartości normalne, co nas zastanawiało. Po znacznych wysiłkach w celu zbadania czynników powodujących nieprawidłową zmianę IFIII/IFI, w końcu stwierdziliśmy, że wartość IFIII/IFI pirenu znacznie wzrosła podczas powiększania szerokości szczeliny fluorospektrometru, ale wyznaczona wartość CMC mieści się w zakresie błędu pomiarowego (rysunek 2b). Ponieważ wzrost intensywności fluorescencji spowodowany stężeniem pirenu prawie nie powodował zmiany wartości IFIII/IFI (rysunek 2a; elektroniczny materiał uzupełniający, rysunek S1), wydedukowaliśmy, że to wzmocnienie energii światła wzbudzającego piren spowodowało wzrost wartości IFIII/IFI przy zwiększaniu szerokości szczeliny fluorospektrometru, a jeśli zwiększy się liczba (N) mierzących widma fluorescencji pirenu, co oznacza zwiększenie energii wzbudzającej piren, to wzrośnie również wartość IFIII/IFI. Zostało to udowodnione przez wyniki eksperymentalne; wartość IFIII/IFI wzrosła z 0,648 do 0,763, gdy N wzrosła od 1 do 9 razy (rysunek 2c). Wyniki te dobrze wyjaśniają, dlaczego niektóre z otrzymanych wartości IFIII/IFI są nienormalnie wysokie.

Powyższe wyniki wskazują, że w odpowiednim stężeniu pirenu (0,2-1,0 µM), wartość średnia CMC i odchylenie standardowe wszystkich wyznaczonych wartości SDS na rysunkach 1d, 2a i 2b wynosi 6,60 ± 0,13 mM.

3.2. Oznaczanie krytycznego stężenia miceli dodecylosiarczanu sodu poprzez próbki przygotowane metodą II

Przy zachowaniu powyższych zoptymalizowanych warunków oznaczania CMC z wykorzystaniem pirenu jako sondy, serię próbek o różnych stężeniach SDS i 2 ml roztworu wodnego nasyconego pirenem przygotowano metodą II i natychmiast zmierzono fluorospektrometrem. Nieoczekiwanie, wartość CMC wyznaczona z próbek przygotowanych metodą II (wartość CMC wyznaczona z próbek przetrzymywanych 0 min na rys. 2d) jest znacznie niższa (5,86 mM) niż wartość (6,60 ± 0,13 mM) wyznaczona z próbek przygotowanych metodą I. Po zbadaniu czynników wpływających na wartości CMC stwierdziliśmy, że po dodaniu różnych objętości stężonego roztworu surfaktantu i 2 ml wodnego roztworu nasyconego pirenem do różnych kolb miarowych o pojemności 5 ml, mieszaniny te należy dobrze wstrząsnąć i przetrzymać co najmniej 30 min przed napełnieniem tych kolb wodą do kreski (rys. 2d; elektroniczny materiał uzupełniający, rys. S4). Wartości CMC wyznaczone z próbek przechowywanych przez 30 i 120 min są prawie takie same (6,22 i 6,30 mM), chociaż ta wyznaczona z próbek przechowywanych 60 min jest znacznie wyższa (6,81 mM). Wyniki te wskazują, że próbki mogą być mierzone po przetrzymaniu 30 min oraz że wartości IFIII/IFI od pierwszej do drugiej interakcji nie są zbyt stabilne i łatwo ulegają wpływom ustalonych warunków. Średnia wartość CMC i odchylenie SDS wyznaczone z próbek przygotowanych metodą II wynosi 6,44 ± 0,32 mM, z większym odchyleniem standardowym niż wyznaczone z próbek przygotowanych metodą I.

3.3. Oznaczanie krytycznego stężenia miceli dodecylosiarczanu sodu za pomocą próbek przygotowanych metodą III

W celu oceny, czy metoda III (rozcieńczanie stężonego roztworu surfaktantu zawierającego określoną ilość sondy do serii próbek zawierających różne stężenia SDS i pirenu za pomocą czystego rozpuszczalnika) jest odpowiednia do przygotowania próbek z wykorzystaniem pirenu jako sondy CMC, zbadano szczegółowo czynniki wpływające na oznaczanie CMC SDS. Uzyskane wyniki eksperymentalne wskazują, że próbki przygotowane metodą III mogą być oznaczane natychmiast (rys. 3a), a piren nie wykazuje wpływu, gdy cpyr wynosi 0,5-1,5 µM w stężonym roztworze SDS (rys. 3b). Widma wzbudzenia i emisji pirenu w tych oznaczonych próbkach przedstawiono w elektronicznym materiale uzupełniającym, rysunek S5 i S6. Średnia wartość i odchylenie standardowe sześciu oznaczonych wartości CMC na rysunku 3 wynosi 6,70 ± 0,05 mM, przy czym odchylenie to jest znacznie mniejsze niż w przypadku próbek przygotowanych metodami I i II (±0,13 i 0,32 mM). Na podstawie wyników eksperymentalnych przedstawionych na rysunku 3b można wnioskować, że etanol nie ma wpływu na oznaczanie CMC, gdy stężenie etanolu w stężonym roztworze SDS jest niższe niż 0,3%. Dzieje się tak dlatego, że wzrost cpyr z 1 µM do 1,5 µM oznacza wzrost stężenia etanolu z 0,2% do 0,3%, ale wyznaczone wartości CMC są prawie takie same (rysunek 3b).

3.4. Oznaczanie stężenia krytycznego miceli innych rodzajów środków powierzchniowo czynnych z próbek przygotowanych metodą I i III

W celu dalszej identyfikacji, czy metoda III była odpowiednia do przygotowania próbek z użyciem pirenu jako sondy CMC, z próbek przygotowanych metodą I i III oznaczono wartości CMC kationowego środka powierzchniowo czynnego CTAB, zwitterionowego środka powierzchniowo czynnego CHAPS, niejonowych środków powierzchniowo czynnych Triton X-100 i BS-12. Widma wzbudzenia i emisji pirenu w próbkach przygotowanych metodą I/III przedstawiono w elektronicznych materiałach uzupełniających, rys. S7 i S8/S9 i S10. Wyznaczone wartości CMC różnych rodzajów surfaktantów przedstawiono w tabeli 1. Wartości CMC wyznaczone z próbek przygotowanych metodą I i III są prawie takie same z wyjątkiem SDS. Wyniki te dowodzą, że metoda III jest odpowiednia do przygotowania próbek do oznaczania CMC różnych rodzajów surfaktantów z wykorzystaniem pirenu jako sondy.

3.5. Wpływ różnych źródeł dodecylosiarczanu sodu i bromku cetrymonium na ich wartości krytycznego stężenia miceli i wartości IFIII/IFI

Co ciekawe, stwierdziliśmy, że SDS i CTAB od różnych dostawców nie tylko mają różne wartości CMC (tabela 1), ale także prowadzą do różnych wartości IFIII/IFI (rysunek 4e i f), szczególnie wartości IFIII/IFI przy 4 mM SDS i 0.5 mM CTAB, co może być wykorzystane jako prosta metoda rozróżniania surfaktantów o różnych wartościach CMC. Różne wartości CMC SDS lub CTAB mogą być spowodowane czystością. Ponadto, kontury lub długości fal piku I i III są również różne (porównując wierzchołki piku I na rysunku 4a i b oraz długości fal pików I i III na rysunku 4c i d). Oznaczenia CMC SDS’ metodą konduktometryczną oraz metodą fluorometryczną z użyciem pirenu jako sondy (próbki przygotowano metodami I-III) przedstawiono w elektronicznym materiale dodatkowym, rys. S11-14. Na podstawie widm emisyjnych pirenu przedstawionych na rysunku 4 można zauważyć, że wraz ze zmianą stężenia surfaktantu zmiana intensywności fluorescencji pirenu jest nieregularna w próbkach przygotowanych metodami I i II, ale regularna w próbkach przygotowanych metodą III. Wynika to z faktu, że dodanie mikro ilości pirenu do każdej próbki, co jest pominięte w metodzie III, ale konieczne w metodach I i II, nieuchronnie spowoduje różne błędy w stężeniu pirenu, a tym samym doprowadzi do nieregularnej zmiany intensywności fluorescencji pirenu.

Wniosek

Badano czynniki wpływające na oznaczanie CMC z wykorzystaniem pirenu jako sondy oraz porównano metody I-III przygotowania próbek do oznaczania CMC. Metody I i II, dwie powszechnie stosowane, są odpowiednie tylko dla sond CMC bez cech AIE, natomiast opracowana przez nas metoda III, przeznaczona dla sond CMC z cechami AIE, ma zalety w postaci mniejszej liczby procedur operacyjnych i błędów dzięki pominięciu dodawania mikro ilości sondy do każdej próbki. Stwierdzono, co następuje: (i) Metoda III, pomijająca dodanie mikro ilości barwnika CMC do każdej próbki, a tym samym zmniejszająca procedury operacyjne i błędy, okazała się nie tylko odpowiednia do przygotowania próbek z wykorzystaniem pirenu bez właściwości AIE jako sondy CMC, ale również najlepsza (o najprostszych procedurach i najmniejszym odchyleniu standardowym). (ii) W procesie przygotowywania próbek, mieszanina stężonego roztworu środka powierzchniowo czynnego i pirenu musi być przechowywana przez co najmniej 30 minut przed jej rozcieńczeniem. (iii) Wartość IFIII/IFI dla pirenu jest niezwykle wrażliwa na warunki pomiaru odnoszące się do energii świetlnej wzbudzającej piren, takie jak szerokość szczeliny i liczba pomiarów. (iv) SDS i CTAB od różnych dostawców nie tylko miały różne wartości CMC, ale również prowadziły do tego, że wartość IFIII/IFI pirenu w roztworach 4 mM SDS i 0.5 mM CTAB była bardzo znacząca, przez co można po prostu rozróżnić SDS lub CTAB od różnych dostawców.

Dostępność danych

Dane zostały przesłane jako część elektronicznych materiałów uzupełniających.

Wkład autorów

H.L. wniósł istotny wkład w uzyskanie, analizę i interpretację danych; D.H. przeprowadził część eksperymentów i brał udział w analizie i interpretacji danych oraz pisaniu artykułu; X.H. i F.L. brali udział w uzyskaniu, analizie i interpretacji danych; Q.Z. przyczynił się do koncepcji, projektu, analizy i interpretacji danych oraz pisania artykułu.

Interesy konkurencyjne

Zgłaszamy, że nie mamy konkurencyjnych interesów.

Przypisy

Ten artykuł został zredagowany przez Royal Society of Chemistry, w tym zlecenie, proces peer review i aspekty redakcyjne do punktu akceptacji.

†These autorzy przyczynili się do tego manuskryptu w równym stopniu.

Elektroniczny materiał uzupełniający jest dostępny online pod adresem https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4862268.

.