Alai

Introdução

Concentração de micelas críticas (CMC) é um parâmetro importante de tensioactivos com aplicações amplas . Os valores de CMC dos tensioactivos não só estão relacionados com as suas estruturas moleculares, mas também são sensíveis aos ambientes e relacionam-se com os fornecedores . Portanto, seus valores de CMC precisam ser medidos em suas aplicações práticas e pesquisas . Entre os métodos atuais para determinação de CMC, o método de fluorescência baseado na mudança fluorescente de sondas orgânicas atrai grande atenção devido à sua alta sensibilidade e resposta rápida . Entretanto, as mudanças fluorescentes são geralmente invisíveis ou não nítidas sobre o CMC e, portanto, uma série de amostras contendo diferentes concentrações de surfactante e uma certa quantidade de sonda precisa ser preparada e medida por um fluorospectrofotômetro. Existem dois métodos gerais (métodos I e II) para a preparação de amostras. Se as mudanças de fluorescência forem muito acentuadas e visíveis sobre/na CMC, os valores de CMC serão observados diretamente. Em 2011, desenvolvemos uma eficiente reação de cinco componentes para a síntese de uma nova série de tetra-hidropirimidinas (THPs) com fortes características de emissão induzida por agregação (AIE), ou seja, sem emissão em solução, mas com forte fluorescência em agregados. A característica AIE, encontrada e denominada pelo grupo de Tang, resolve o espinhoso problema de têmpera causada pela agregação de fluoróforos convencionais e tem mostrado grandes vantagens em áreas amplas, como copolímeros contendo agentes AIE e suas aplicações. As características dos THPs – completamente sem emissão em micelas surfactantes, mas com AIE forte em soluções surfactantes diluídas – nos permitem desenvolvê-los como sondas sensíveis e visíveis de fluorescência de retorno (mostrando a fluorescência mais forte no CMC) para CMC (as sondas CMC relatadas baseadas na mudança de intensidade de fluorescência mostram a mudança de fluorescência de retorno no CMC, ou seja, mostram a fluorescência mais fraca no CMC). Recentemente, nós descobrimos que um dos THPs poderia ser usado como um excelente indicador para titulação de CMC e realizamos pela primeira vez uma titulação de CMC simples, que economiza amostra e tempo para diferentes tipos de surfactantes.

No processo de desenvolvimento de sondas de fluorescência de alta sensibilidade (THPs) para determinação de CMC, descobrimos que os métodos I e II não eram adequados para THPs com as características de emissão induzida por agregação (AIE) em soluções surfactantes diluídas e sem emissão em micelas surfactantes e desenvolvemos um novo método (método III) . O método III não só é adequado para THPs como também tem as vantagens de menos procedimentos de operação e erros devido à omissão da adição de micro quantidade de corante em cada amostra. Perguntamo-nos se o método III também é adequado para outras sondas CMC sem características AIE. Considerando que o pireno é a sonda fluorescente mais utilizada para a determinação de CMC , preparamos amostras pelos métodos I-III e estudamos os fatores que influenciam a determinação de CMC usando o pireno como sonda em detalhe. A determinação CMC usando pireno como sonda é baseada na relação linear entre a concentração do surfactante e a relação (IFIII/IFI) das suas intensidades de fluorescência nos picos I e III. Inesperadamente, descobrimos que o valor IFIII/IFI do pireno em soluções surfactantes é invulgarmente sensível às condições de medição que mudam a energia luminosa excitante. Além disso, descobrimos que alguns dos surfactantes de diferentes fornecedores não só tinham valores CMC diferentes, mas também levaram a valores IFIII/IFI significativamente diferentes em soluções surfactantes, que pode ser usado como um método muito simples e útil para distinguir o mesmo surfactante com diferentes valores CMC.

Experimental section

2.1. Materiais e instrumentos

Todos os produtos químicos utilizados neste papel foram obtidos de fornecedores comerciais e utilizados sem purificação adicional. O Surfactante CHAPS foi adquirido da Energy Chemical; o sulfato de sódio (SDS) foi adquirido da Guangzhou Weijia Technology Co., Ltd, SERVA Electrophoresis GmbH e da Shanghai Meryer Chemical Technology Co, Ltd; brometo de cetrimônio (CTAB) foi comprado da Tianjin Damao Chemical Reagent Factory e Aladdin; Triton X-100 foi comprado da Aladdin; e BS-12 foi comprado da Shanghai Shengxuan Biology Chemical Co., Ltd (para as estruturas moleculares destes surfactantes, veja o material eletrônico suplementar). Todas as medições foram realizadas a 25 ± 1°C. A água foi purificada via desionização e filtrada pela purificação Millipore até uma resistividade superior a 18 MΩ cm-1. Os espectros de excitação e emissão foram determinados pelo espectrofluorofotómetro FluoroMax-4 (não anotado, emitido a 373 nm e excitado a 334 nm, as larguras de fendas de excitação e emissão: 2 e 2 nm ou 3 e 3 nm, e as amostras foram determinadas imediatamente após a preparação).

2,2. Preparação da solução de reserva de etanol de pireno (0,5 mM)

Sobre 10,1 mg de pireno (Mr = 202,3) e cerca de 80 ml de etanol foram adicionados em um balão volumétrico de 100 ml, agitando bem para dissolução, em seguida, enchendo o balão até a marca com etanol.

2,3. Preparação das amostras pelo método I

Uma certa quantidade de solução de reserva de surfactante e solução de reserva de pireno foram adicionadas em um frasco volumétrico de 100 ml, agitando bem e mantendo pelo menos por 30 minutos antes de encher o frasco até a marca com água para preparar uma solução concentrada de surfactante (cerca de 2CMC) com uma certa concentração de pireno (0,2-1 µM). Em seguida, foram adicionados diferentes volumes da solução tensoactivo concentrada em diferentes frascos volumétricos de 5 ml, enchendo estes frascos até à marca com água contendo a mesma concentração de pireno que na solução tensoactivo concentrada.

2.4. Preparação das amostras pelo método II

Diferentes volumes de solução de reserva de surfactante e 2 ml de solução de água saturada com pireno foram adicionados em diferentes balões volumétricos de 5 ml, agitando bem e mantendo durante pelo menos 30 min antes de encher estes balões até à marca com água.

2.5. Preparação das amostras pelo método III

Método III foi relatado em nosso trabalho anterior . Geralmente, uma solução concentrada de surfactante (cerca de 2CMC) com uma certa concentração de pireno (0,5-1,5 µM) foi preparada primeiramente como método I. Em seguida, diferentes volumes da solução concentrada de surfactante contendo certa quantidade de pireno foram adicionados em diferentes frascos volumétricos de 5 ml, enchendo estes frascos até a marca com água.

Resultados e discussão

3.1. Fatores de influência na determinação da concentração crítica de micela de sulfato de sódio usando o pireno como sonda e método I para preparação da amostra

Para estudar os fatores que influenciam a determinação da CMC usando o pireno como sonda, o valor de CMC do tensoativo aniônico SDS comumente usado foi determinado sob diferentes condições, e as amostras foram preparadas pelo método comumente usado I, ou seja, uma solução concentrada de SDS (10 mM) contendo uma certa quantidade de pireno (0.5 µM) foi diluído para diferentes concentrações de soluções de SDS com água contendo 0,5 µM de pireno. Para estudar a influência do tempo de retenção da amostra, as amostras preparadas foram medidas instantaneamente, 0,5 e 24 h, respectivamente, por um fluor-espectrometro. Os resultados experimentais indicam que o tempo de retenção da amostra não mostra influência sobre os espectros de excitação e emissão do pireno (figura 1a-c), e o valor médio CMC determinado e o desvio padrão da SDS é de 6,53 ± 0,12 mM. O desvio padrão é muito menor do que o ±0,4 mM reportado utilizando o pireno como sonda . Há duas interseções na figura 1d. A primeira intersecção em vez da segunda intersecção corresponde ao valor CMC. Isto porque, com o aumento da concentração de SDS, abaixo do CMC, o SDS existe em monômeros; no CMC, a concentração de SDS em monômeros atinge o máximo e as micelas começam a se formar; ao mesmo tempo, com o aumento da concentração de SDS, abaixo do CMC, o valor IFIII/IFI aumenta suavemente devido à influência dos monômeros SDS; do CMC para a segunda intersecção, o valor IFIII/IFI aumenta acentuadamente devido à rápida transferência do pireno da solução para as micelas; da segunda intersecção, o valor de IFIII/IFI aumenta suavemente novamente porque as concentrações de pireno na micela SDS e fases de solução, respectivamente, estão em equilíbrio e, portanto, o pireno se transfere lentamente da solução para as micelas; da concentração SDS maior que 9 mM, o valor de IFIII/IFI se mantém quase o mesmo porque a concentração de pireno na solução é muito baixa e a quantidade de pireno transferindo da solução para as micelas é muito pequena para causar a mudança no valor de IFIII/IFI.

Desde que o tempo de retenção da amostra não mostra influência na determinação da CMC, as amostras preparadas pelo método I foram medidas imediatamente para estudar outros factores que influenciam a determinação da CMC da SDS utilizando o pireno como sonda. O estudo sobre a influência da concentração (cpyr) de pireno é mostrado na figura 2a e material eletrônico suplementar, figura S1. Os resultados experimentais indicam que quando o cpyr é 0,2, 0,5 e 1,0 µM (limitado pela solubilidade em água, não foi estudado o cpyr superior), o valor médio e o desvio padrão destes valores CMC determinados é de 6,66 ± 0,18 mM, sendo o desvio menor que o relatado (±0,4 mM) . Isto prova que na faixa de 0,2-1,0 µM, o pireno não mostra influência no valor de CMC. Isto foi ainda demonstrado por quase os mesmos valores CMC (7,15 e 7,21 mM) de SDS na presença e ausência de pireno (0,5 µM) determinado pelo método condutivo (o desvio médio é de ±0,1 mM para os valores CMC de SDS determinados pelo método condutivo). (material electrónico suplementar, figura S2). Vale mencionar que, embora o pireno não mostre influência na determinação CMC da SDS, o valor CMC (6,64 mM, material eletrônico suplementar, figura S2b) determinado pelo método fluorométrico usando pireno como sonda é inferior ao (7,15 mM, material eletrônico suplementar, figura S2c) determinado pelo método condutivo. Este caso é o mesmo que o relatado .

Antes dos valores IFIII/IFI obtidos, alguns deles são significativamente superiores aos valores normais, o que nos intrigou. Após consideráveis esforços para explorar os fatores causadores da mudança anormal no IFIII/IFI, finalmente descobrimos que o valor de IFIII/IFI do pireno aumentou significativamente ao aumentar as larguras de fenda do fluorospectrômetro, mas o valor de CMC determinado está dentro da faixa de erro de medição (figura 2b). Como o aumento da intensidade de fluorescência causada pela concentração de pireno quase não causou a mudança no valor de IFIII/IFI (figura 2a; material eletrônico suplementar, figura S1), deduzimos que foi o aumento da energia luminosa excitante do pireno que causou o aumento do valor de IFIII/IFI ao aumentar as larguras de fenda do espectrômetro de flúor, e se o número (N) medindo os espectros de fluorescência do pireno aumentou, o que significa aumentar a energia excitante do pireno, o valor de IFIII/IFI também irá aumentar. Isto foi provado pelos resultados experimentais; o valor de IFIII/IFI aumentou de 0,648 para 0,763 quando N aumentou de 1 para 9 vezes (figura 2c). Estes resultados explicam bem porque alguns dos valores de IFIII/IFI obtidos são anormalmente altos.

Os resultados acima indicam que numa concentração adequada de pireno (0,2-1,0 µM), o valor médio de CMC e desvio padrão de todos os valores SDS determinados nas figuras 1d, 2a e 2b é 6,60 ± 0,13 mM.

3,2. Determinação da concentração crítica de micela de sulfato de sódio através de amostras preparadas pelo método II

Com as condições otimizadas acima para a determinação da CMC usando pireno como sonda, uma série de amostras com diferentes concentrações de SDS e 2 ml de solução de água saturada com pireno foram preparadas pelo método II e medidas imediatamente através de um fluorostrometro. Inesperadamente, o valor CMC determinado a partir das amostras preparadas pelo método II (o valor CMC determinado a partir de amostras mantidas 0 min na figura 2d) é muito mais baixo (5,86 mM) do que aquele (6,60 ± 0,13 mM) determinado a partir de amostras preparadas pelo método I. Após estudar os fatores de influência sobre os valores de CMC, descobrimos que após a adição de diferentes volumes da solução concentrada de surfactante e 2 ml de solução de água saturada em pirenaico em diferentes frascos volumétricos de 5 ml, as misturas devem ser agitadas bem e mantidas pelo menos 30 min antes de encher esses frascos com água (figura 2d; material eletrônico suplementar, figura S4). Os valores de CMC determinados a partir das amostras mantidas durante 30 e 120 min são quase os mesmos (6,22 e 6,30 mM), embora o determinado a partir das amostras mantidas durante 60 min seja significativamente superior (6,81 mM). Estes resultados indicam que as amostras podem ser medidas após a manutenção de 30 min e que os valores IFIII/IFI da primeira interacção até à segunda interacção não são muito estáveis e facilmente influenciados pelas condições determinadas. O valor médio do CMC e desvio do SDS determinado a partir das amostras preparadas pelo método II é 6,44 ± 0,32 mM, com desvio padrão maior do que o determinado a partir das amostras preparadas pelo método I.

3,3. Determinação da concentração crítica de micela de sulfato de sódio através de amostras preparadas pelo método III

Para avaliar se o método III (diluindo solução concentrada surfactante contendo uma certa quantidade de sonda em uma série de amostras contendo diferentes concentrações de SDS e pireno com solvente puro) é adequado para a preparação de amostras usando pireno como sonda CMC, os fatores que influenciam a determinação CMC de SDS foram investigados em detalhes. Os resultados experimentais obtidos indicam que as amostras preparadas pelo método III podem ser determinadas imediatamente (figura 3a) e o pireno não mostra influência quando o cpyr é 0,5-1,5 µM na solução concentrada de SDS (figura 3b). Os espectros de excitação e emissão de pireno nestas determinadas amostras são mostrados em material electrónico suplementar, figura S5 e S6. O valor médio e desvio padrão dos seis valores CMC determinados na figura 3 é 6,70 ± 0,05 mM, com desvio muito menor do que os medidos a partir das amostras preparadas pelos métodos I e II (±0,13 e 0,32 mM). De acordo com os resultados experimentais da figura 3b, pode-se deduzir que o etanol não apresenta influência na determinação do CMC quando a concentração de etanol em solução concentrada de SDS é inferior a 0,3%. Isto porque o aumento de cpyr de 1 µM para 1,5 µM significa o aumento da concentração de etanol de 0,2% para 0,3%, mas os valores de CMC determinados são quase os mesmos (figura 3b).

3.4. Determinação da concentração crítica de micelas de outros tipos de surfactantes a partir das amostras preparadas pelos métodos I e III

Para identificar melhor se o método III era adequado para preparar amostras usando o pireno como sonda CMC, os valores de CMC do surfactante catiônico CTAB, do surfactante zwitterionico CHAPS, dos surfactantes não-iônicos Triton X-100 e BS-12 foram determinados a partir de amostras preparadas pelos métodos I e III. Os espectros de excitação e emissão de pireno nas amostras preparadas pelo método I/III são mostrados em material eletrônico suplementar, figura S7 e S8/S9 e S10. Os valores determinados de CMC dos diferentes tipos de tensioactivos são mostrados na tabela 1. Os valores de CMC determinados a partir das amostras preparadas pelos métodos I e III são quase os mesmos exceto SDS. Estes resultados provam que o método III é adequado para preparar amostras para a determinação de CMC de diferentes tipos de tensioactivos utilizando o pireno como sonda.

3.5. Influência de diferentes fontes de sulfato de sódio e brometo de cetrimônio em seus valores críticos de concentração de micelas e os valores de IFIII/IFI

Interessantemente, descobrimos que SDS e CTAB de diferentes fornecedores não só têm diferentes valores CMC (tabela 1), mas também levam a diferentes valores IFIII/IFI (figuras 4e e f), especialmente os valores IFIII/IFI a 4 mM SDS e 0.5 mM CTAB, que pode ser usado como um método simples para distinguir o surfactante com diferentes valores CMC. Os diferentes valores CMC de SDS ou CTAB podem ser causados pela pureza . Além disso, os contornos ou comprimentos de onda dos picos I e III também são diferentes (comparando os topos do pico I nas figuras 4a e b, e os comprimentos de onda dos picos I e III nas figuras 4c e d). A determinação CMC da SDS’ por método condutivo e método fluorométrico usando pireno como sonda (as amostras foram preparadas pelos métodos I-III) são mostradas em material eletrônico suplementar, figura S11-14. Dos espectros de emissão do pireno na figura 4, pode-se notar que com a mudança na concentração do surfactante, a mudança na intensidade de fluorescência do pireno é irregular nas amostras preparadas pelos métodos I e II, mas regular nas amostras preparadas pelo método III. Isto porque a adição de micro quantidade de pireno em cada amostra, que é omitida no método III mas necessária nos métodos I e II, irá inevitavelmente causar diferentes erros na concentração de pireno e, portanto, levar a uma alteração irregular na intensidade de fluorescência do pireno.

Conclusão

Nós investigamos os fatores que influenciam na determinação de CMC usando pireno como sonda e comparamos os métodos I-III de preparação de amostras para determinação de CMC. Os métodos I e II, dois métodos comumente utilizados, são apenas sondas CMC adequadas sem características AIE, e o método III, desenvolvido por nós para sondas CMC com características AIE, tem vantagens de menos procedimentos de operação e erros devido à omissão da adição de micro quantidade de sonda em cada amostra. Foi encontrado como o seguinte: (i) O método III, omitindo a adição de micro quantidade de corante CMC em cada amostra e, portanto, diminuindo os procedimentos operacionais e erros, mostrou-se não só adequado para preparar amostras usando pireno sem características AIE como sonda CMC, mas também o melhor (com os procedimentos mais simples e o menor desvio padrão). (ii) No processo de preparação das amostras, a mistura de solução concentrada de surfactante e pireno deve ser mantida por pelo menos 30 min antes de ser diluída. (iii) O valor IFIII/IFI do pireno é anormalmente sensível às condições de medição relacionadas com a energia luminosa excitante do pireno, tais como larguras de fenda e número de medição. (iv) SDS e CTAB de diferentes fornecedores não só tinham valores CMC diferentes, mas também levaram ao valor IFIII/IFI do pireno em SDS de 4 mM e soluções CTAB de 0.5 mM sendo muito significativo, pelo qual se pode simplesmente distinguir SDS ou CTAB de diferentes fornecedores.

Acessibilidade dos dados

Dados foram carregados como parte do material eletrônico suplementar.

A Contribuições dos autores

H.L. deram contribuições substanciais à aquisição, análise e interpretação de dados; D.H. conduziu parte dos experimentos e participou da análise e interpretação dos dados e redação dos artigos; X.H. e F.L. participaram da aquisição, análise e interpretação dos dados; Q.Z. contribuiu para a concepção, projeto, análise e interpretação dos dados e redação dos artigos.

Interesses concorrentes

Nós declaramos que não temos interesses concorrentes.

Pés

Este artigo foi editado pela Royal Society of Chemistry, incluindo o comissionamento, processo de revisão por pares e aspectos editoriais até o ponto de aceitação.

†These autores contribuíram igualmente para este manuscrito.

Electronic supplementary material is available online at https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4862268.