Alai

Introducere

Concentrația critică a micelilor (CMC) este un parametru important al surfactanților cu aplicații largi. Valorile CMC ale agenților tensioactivi nu numai că se referă la structurile lor moleculare, dar sunt, de asemenea, sensibile la medii și se raportează la furnizori . Prin urmare, valorile CMC trebuie să fie măsurate în aplicațiile practice și în cercetare. Printre metodele actuale de determinare a CMC, metoda fluorescenței bazată pe schimbarea fluorescentă a sondelor organice atrage o mare atenție datorită sensibilității sale ridicate și răspunsului rapid . Cu toate acestea, modificările fluorescente sunt, de obicei, invizibile sau nu sunt clare în ceea ce privește CMC și, prin urmare, este necesar să se pregătească o serie de probe care să conțină diferite concentrații de agenți tensioactivi și o anumită cantitate de sondă și să fie măsurate cu ajutorul unui fluorospectrofotometru. Există două metode generale (metodele I și II) pentru pregătirea probelor. În cazul în care modificările de fluorescență sunt foarte clare și vizibile în jurul/la CMC, valorile CMC vor fi observate direct. În 2011 , am dezvoltat o reacție eficientă cu cinci componente pentru sinteza unei noi serii de tetrahidropirimidine (THP) C6-nesubstituite cu caracteristici puternice de emisie indusă de agregare (AIE), adică fără emisie în soluție, dar cu fluorescență puternică în agregate. Caracteristica AIE, descoperită și denumită de grupul lui Tang , rezolvă problema spinoasă a stingerii cauzate de agregare a fluoroforilor convenționali și a demonstrat mari avantaje în domenii largi, cum ar fi copolimerii care conțin AIEgene și aplicațiile acestora. Caracteristicile THP – absența completă a emisiei în miceliile de surfactanți, dar AIE puternică în soluții diluate de surfactanți – ne permit să le dezvoltăm ca sonde de fluorescență unică, sensibilă și vizibilă (care prezintă cea mai puternică fluorescență la CMC) pentru CMC (sondele CMC raportate pe baza modificării intensității fluorescenței prezintă o modificare a fluorescenței la CMC, adică prezintă cea mai slabă fluorescență la CMC). Recent, am descoperit că unul dintre THP ar putea fi utilizat ca indicator excelent pentru titrarea CMC și am realizat pentru prima dată o titrare CMC simplă, cu economie de probe și de timp pentru diferite tipuri de agenți tensioactivi .

În procesul de dezvoltare a sondelor de fluorescență-urn-on (THPs) foarte sensibile pentru determinarea CMC, am constatat că metodele I și II nu erau potrivite pentru THPs cu caracteristicile de emisie indusă de agregare (AIE) în soluții diluate de surfactanți și fără emisie în miceliile de surfactanți și am dezvoltat o nouă metodă (metoda III) . Metoda III nu numai că este adecvată pentru THP, dar are și avantajele unor proceduri de operare și erori mai puține, datorită faptului că nu este necesară adăugarea unei microcantități de colorant în fiecare probă. Ne-am întrebat dacă metoda III este potrivită și pentru alte sonde CMC fără caracteristici AIE. Având în vedere că pirenul este cea mai utilizată sondă fluorescentă pentru determinarea CMC , am pregătit probe prin metodele I-III și am studiat în detaliu factorii care influențează determinarea CMC folosind pirenul ca sondă. Determinarea CMC utilizând pirenul ca sondă se bazează pe relația liniară dintre concentrația agentului tensioactiv și raportul (IFIII/IFI) dintre intensitățile de fluorescență ale acestuia la vârfurile I și III. În mod neașteptat, am constatat că valoarea IFIII/IFI a pirenului în soluțiile de agenți tensioactivi este neobișnuit de sensibilă la condițiile de măsurare care modifică energia luminii excitante. În plus, am constatat că unii dintre agenții tensioactivi de la diferiți furnizori nu numai că au valori CMC diferite, dar au condus și la valori IFIII/IFI semnificativ diferite în soluții de agenți tensioactivi, ceea ce poate fi folosit ca o metodă foarte simplă și utilă pentru a distinge același agent tensioactiv cu valori CMC diferite.

Secțiune experimentală

2.1. Materiale și instrumente

Toate substanțele chimice utilizate în această lucrare au fost obținute de la furnizori comerciali și utilizate fără purificare suplimentară. Surfactantul CHAPS a fost achiziționat de la Energy Chemical; dodecil sulfatul de sodiu (SDS) a fost achiziționat de la Guangzhou Weijia Technology Co., Ltd, SERVA Electrophoresis GmbH și Shanghai Meryer Chemical Technology Co, Ltd; bromura de cetrimonium (CTAB) a fost achiziționată de la Tianjin Damao Chemical Reagent Factory și Aladdin; Triton X-100 a fost achiziționat de la Aladdin; iar BS-12 a fost achiziționat de la Shanghai Shengxuan Biology Chemical Co., Ltd. (pentru structurile moleculare ale acestor agenți tensioactivi, a se vedea materialul electronic suplimentar). Toate măsurătorile au fost efectuate la 25 ± 1°C. Apa a fost purificată prin deionizare și filtrată prin purificare Millipore până la o rezistivitate mai mare de 18 MΩ cm-1. Spectrele de excitație și de emisie au fost determinate cu spectrofluorofitometrul FluoroMax-4 (fără notă, emis la 373 nm și excitat la 334 nm, lățimi ale fantelor de excitație și de emisie: 2 și 2 nm sau 3 și 3 nm, iar probele au fost determinate imediat după preparare).

2.2. Prepararea soluției stoc de piren în etanol (0,5 mM)

Aproximativ 10,1 mg de piren (Mr = 202,3) și aproximativ 80 ml de etanol au fost adăugate într-un balon cotat de 100 ml, agitându-se bine pentru dizolvare, apoi umplând balonul până la semn cu etanol.

2.3. Prepararea probelor prin metoda I

Într-un balon cotat de 100 ml s-a adăugat o anumită cantitate de soluție stoc de agent tensioactiv și de soluție stoc de piren, agitându-se bine și păstrându-se cel puțin 30 de minute înainte de a umple balonul până la semn cu apă pentru a pregăti o soluție concentrată de agent tensioactiv (aproximativ 2CMC) cu o anumită concentrație de piren (0,2-1 µM). Apoi, diferite volume din soluția concentrată de agent tensioactiv au fost adăugate în diferite baloane volumetrice de 5 ml, umplând aceste baloane până la marcaj cu apă care conține aceeași concentrație de piren ca și cea din soluția concentrată de agent tensioactiv.

2.4. Pregătirea probelor prin metoda II

Diferite volume de soluții stoc de agent tensioactiv și 2 ml de soluție de apă saturată cu piren au fost adăugate în diferite baloane volumetrice de 5 ml, agitându-se bine și păstrându-se cel puțin 30 de minute înainte de a umple aceste baloane până la semn cu apă.

2.5. Prepararea probelor prin metoda III

Metoda III a fost raportată în lucrarea noastră anterioară . În general, o soluție concentrată de agent tensioactiv (aproximativ 2CMC) cu o anumită concentrație de piren (0,5-1,5 µM) a fost preparată mai întâi ca metoda I. Apoi, diferite volume din soluția concentrată de agent tensioactiv care conține o anumită cantitate de piren au fost adăugate în diferite baloane volumetrice de 5 ml, umplând aceste baloane până la semn cu apă.

Rezultate și discuții

3.1. Factori de influență asupra determinării concentrației critice de micelă a dodecil sulfatului de sodiu folosind pirenul ca sondă și metoda I de preparare a probelor

Pentru a studia factorii care influențează determinarea CMC folosind pirenul ca sondă, valoarea CMC a agentului tensioactiv anionic SDS utilizat în mod obișnuit a fost determinată în diferite condiții, iar probele au fost preparate prin metoda I utilizată în mod obișnuit, adică o soluție concentrată de SDS (10 mM) care conține o anumită cantitate de piren (0.5 µM) a fost diluată la diferite concentrații de soluții SDS cu apă care conținea 0,5 µM de piren. Pentru a studia influența timpului de păstrare a eșantioanelor, probele preparate au fost măsurate instantaneu, 0,5 și, respectiv, 24 de ore, cu ajutorul unui fluorospectrometru. Rezultatele experimentale indică faptul că timpul de păstrare a eșantioanelor nu are nicio influență asupra spectrelor de excitație și de emisie ale pirenului (figura 1a-c), iar valoarea medie a CMC determinată și abaterea standard a SDS este de 6,53 ± 0,12 mM. Abaterea standard este mult mai mică decât cea raportată de ±0,4 mM utilizând pirenul ca sondă . Există două intersecții în figura 1d. Prima intersecție, mai degrabă decât cea de-a doua, corespunde valorii CMC. Acest lucru se datorează faptului că, odată cu creșterea concentrației de SDS, sub CMC, SDS există în monomeri; la CMC, concentrația de SDS în monomeri atinge maximul și miclele încep să se formeze; în același timp, odată cu creșterea concentrației de SDS, sub CMC, valoarea IFIII/IFI crește ușor datorită influenței monomerilor SDS; de la CMC până la cea de-a doua intersecție, valoarea IFIII/IFI crește brusc datorită transferului rapid al pirenului din soluție în micelă; de la a doua intersecție, valoarea IFIII/IFI crește din nou ușor, deoarece concentrațiile de piren în fazele de soluție și, respectiv, de micelă SDS sunt în echilibru și, prin urmare, pirenul se transferă lent din soluție în micelă; de la o concentrație de SDS mai mare de 9 mM, valoarea IFIII/IFI rămâne aproape aceeași, deoarece concentrația de piren în soluție este foarte mică, iar cantitatea de piren care se transferă din soluție în micelă este prea mică pentru a determina modificarea valorii IFIII/IFI.

Din moment ce timpul de păstrare a probei nu prezintă nicio influență asupra determinării CMC, probele preparate prin metoda I au fost măsurate imediat pentru a studia alți factori care influențează determinarea CMC a SDS folosind pirenul ca sondă. Studiul privind influența concentrației (cpyr) de piren este prezentat în figura 2a și în materialul electronic suplimentar, figura S1. Rezultatele experimentale indică faptul că atunci când cpyr este de 0,2, 0,5 și 1,0 µM (limitată de solubilitatea în apă, nu s-a studiat o cpyr mai mare), valoarea medie și abaterea standard a acestor valori CMC determinate este de 6,66 ± 0,18 mM, abaterea fiind mai mică decât cea raportată (±0,4 mM) . Acest lucru dovedește că, în intervalul 0,2-1,0 µM, pirenul nu prezintă nicio influență asupra valorii CMC. Acest lucru a fost demonstrat în continuare de aproape aceleași valori CMC (7,15 și 7,21 mM) ale SDS în prezența și în absența pirenului (0,5 µM) determinate prin metoda conductivă (abaterea medie este de ±0,1 mM pentru valorile CMC ale SDS determinate prin metoda conductivă). (material electronic suplimentar, figura S2). Este demn de menționat faptul că, deși pirenul nu prezintă nicio influență asupra determinării CMC a SDS, valoarea CMC (6,64 mM, material electronic suplimentar, figura S2b) determinată prin metoda fluorometrică utilizând pirenul ca sondă este mai mică decât cea (7,15 mM, material electronic suplimentar, figura S2c) determinată prin metoda conductivă. Acest caz este același cu cel raportat .

Printre multele valori IFIII/IFI obținute, unele dintre ele sunt semnificativ mai mari decât valorile normale, ceea ce ne-a nedumerit. După eforturi considerabile de explorare a factorilor care cauzează modificarea anormală a IFIII/IFI, am constatat în cele din urmă că valoarea IFIII/IFI a pirenului a crescut semnificativ la mărirea lățimii fantelor fluorospectrometrului, dar valoarea CMC determinată se încadrează în intervalul de eroare de măsurare (figura 2b). Deoarece creșterea intensității fluorescenței cauzată de concentrația de piren aproape că nu a provocat modificarea valorii IFIII/IFI (figura 2a; material electronic suplimentar, figura S1), am dedus că sporirea energiei luminoase care excită pirenul a fost cea care a provocat creșterea valorii IFIII/IFI la mărirea lățimii fantelor fluorospectrometrului, iar dacă numărul (N) de măsurători ale spectrelor de fluorescență ale pirenului a crescut, ceea ce înseamnă creșterea energiei care excită pirenul, valoarea IFIII/IFI va crește și ea. Acest lucru a fost dovedit de rezultatele experimentale; valoarea IFIII/IFI a crescut de la 0,648 la 0,763 atunci când N a crescut de la 1 la 9 ori (figura 2c). Aceste rezultate explică foarte bine de ce unele dintre valorile IFIII/IFI obținute sunt anormal de mari.

Rezultatele de mai sus indică faptul că, într-o concentrație adecvată de piren (0,2-1,0 µM), valoarea medie a CMC și abaterea standard a tuturor valorilor SDS determinate în figurile 1d, 2a și 2b este de 6,60 ± 0,13 mM.

3.2. Determinarea concentrației critice a micelilor de dodecil sulfat de sodiu prin intermediul probelor preparate prin metoda II

În condițiile optimizate de mai sus pentru determinarea CMC folosind pirenul ca sondă, o serie de probe cu diferite concentrații de SDS și 2 ml de soluție de apă saturată cu piren au fost preparate prin metoda II și măsurate imediat cu ajutorul unui spectrometru de fluor. În mod neașteptat, valoarea CMC determinată din probele preparate prin metoda II (valoarea CMC determinată din probele păstrate 0 min în figura 2d) este mult mai mică (5,86 mM) decât cea (6,60 ± 0,13 mM) determinată din probele preparate prin metoda I. După ce am studiat factorii de influență asupra valorilor CMC, am constatat că, după ce diferite volume de soluție concentrată de agent tensioactiv și 2 ml de soluție de apă saturată de piren au fost adăugate în diferite flacoane volumetrice de 5 ml, amestecurile trebuie să fie bine agitate și păstrate cel puțin 30 de minute înainte de a umple aceste flacoane până la semn cu apă (figura 2d; material electronic suplimentar, figura S4). Valorile CMC determinate din probele păstrate timp de 30 și 120 de minute sunt aproape identice (6,22 și 6,30 mM), deși cea determinată din probele păstrate 60 de minute este semnificativ mai mare (6,81 mM). Aceste rezultate indică faptul că probele ar putea fi măsurate după păstrarea timp de 30 min și că valorile IFIII/IFI de la prima interacțiune la cea de-a doua interacțiune nu sunt foarte stabile și sunt ușor influențate de condițiile determinate. Valoarea medie a CMC și abaterea SDS determinată din probele preparate prin metoda II este de 6,44 ± 0,32 mM, cu o abatere standard mai mare decât cea determinată din probele preparate prin metoda I.

3.3. Determinarea concentrației critice de micelă a dodecil sulfatului de sodiu prin intermediul probelor preparate prin metoda III

Pentru a evalua dacă metoda III (diluarea soluției concentrate de tensioactivi care conține o anumită cantitate de sondă într-o serie de probe care conțin diferite concentrații de SDS și piren cu solvent pur) este adecvată pentru prepararea probelor care utilizează pirenul ca sondă CMC, au fost investigați în detaliu factorii care influențează determinarea CMC a SDS. Rezultatele experimentale obținute indică faptul că probele preparate prin metoda III pot fi determinate imediat (figura 3a), iar pirenul nu prezintă nicio influență atunci când cpyr este de 0,5-1,5 µM în soluția concentrată de SDS (figura 3b). Spectrele de excitație și emisie ale pirenului în aceste probe determinate sunt prezentate în materialul electronic suplimentar, figurile S5 și S6. Valoarea medie și abaterea standard a celor șase valori CMC determinate în figura 3 este de 6,70 ± 0,05 mM, cu o abatere mult mai mică decât cele măsurate din probele preparate prin metodele I și II (± 0,13 și 0,32 mM). Conform rezultatelor experimentale din figura 3b, se poate deduce că etanolul nu prezintă nicio influență asupra determinării CMC atunci când concentrația de etanol în soluția concentrată de SDS este mai mică de 0,3 %. Acest lucru se datorează faptului că creșterea cpyr de la 1 µM la 1,5 µM înseamnă creșterea concentrației de etanol de la 0,2% la 0,3%, dar valorile CMC determinate sunt aproape aceleași (figura 3b).

3.4. Determinarea concentrației critice de micelă a altor tipuri de agenți tensioactivi din probele preparate prin metoda I și III

Pentru a identifica în continuare dacă metoda III era adecvată pentru prepararea probelor folosind pirenul ca sondă CMC, valorile CMC ale agentului tensioactiv cationic CTAB, ale agentului tensioactiv zwitterionic CHAPS, ale agenților tensioactivi neionici Triton X-100 și BS-12 au fost determinate din probele preparate prin metoda I și III. Spectrele de excitație și de emisie ale pirenului din probele preparate prin metoda I/III sunt prezentate în materialul electronic suplimentar, figura S7 și S8/S9 și S10. Valorile CMC determinate ale diferitelor tipuri de agenți tensioactivi sunt prezentate în tabelul 1. Valorile CMC determinate din probele preparate prin metodele I și III sunt aproape identice, cu excepția SDS. Aceste rezultate dovedesc că metoda III este potrivită pentru prepararea probelor pentru determinarea CMC a diferitelor tipuri de agenți tensioactivi folosind pirenul ca sondă.

3.5. Influența diferitelor surse de sulfat de sodiu dodecil sulfat și bromură de cetrimonium asupra valorilor concentrației critice a micelilor acestora și a valorilor IFIII/IFI

În mod interesant, am constatat că SDS și CTAB de la diferiți furnizori nu numai că au valori diferite ale CMC (tabelul 1), dar conduc și la valori diferite ale IFIII/IFI (figura 4e și f), în special valorile IFIII/IFI la 4 mM SDS și 0,5 mM CTAB.5 mM CTAB, care pot fi utilizate ca o metodă simplă pentru a distinge tensioactivul cu valori CMC diferite. Valorile CMC diferite ale SDS sau CTAB ar putea fi cauzate de puritatea . În plus, contururile sau lungimile de undă ale vârfurilor I și III sunt, de asemenea, diferite (comparând vârfurile vârfului I din figura 4a și b, și lungimile de undă ale vârfurilor I și III din figura 4c și d). Determinarea CMC a SDS’ prin metoda conductivă și prin metoda fluorometrică utilizând pirenul ca sondă (probele au fost preparate prin metodele I-III) sunt prezentate în materialul electronic suplimentar, figura S11-14. Din spectrele de emisie ale pirenului din figura 4, se poate observa că, odată cu modificarea concentrației agentului tensioactiv, modificarea intensității de fluorescență a pirenului este neregulată în cazul probelor preparate prin metodele I și II, dar regulată în cazul probelor preparate prin metoda III. Acest lucru se datorează faptului că adăugarea unei microcantități de piren în fiecare probă, care este omisă în metoda III, dar necesară în metodele I și II, va cauza în mod inevitabil erori diferite în concentrația de piren și, prin urmare, va duce la o modificare neregulată a intensității fluorescenței pirenului.

Concluzie

Am investigat factorii care influențează determinarea CMC folosind pirenul ca sondă și am comparat metodele I-III de pregătire a probelor pentru determinarea CMC. Metodele I și II, două metode utilizate în mod obișnuit, sunt potrivite doar pentru sondele CMC fără caracteristici AIE, iar metoda III, dezvoltată de noi pentru sondele CMC cu caracteristici AIE, are avantajele unor proceduri de operare și erori mai puține datorită omiterii adăugării unei microcantități de sondă în fiecare probă. S-a constatat că: (i) Metoda III, care omite adăugarea unei microcantități de colorant CMC în fiecare probă și, prin urmare, reduce procedurile de operare și erorile, s-a dovedit nu numai adecvată pentru prepararea probelor care utilizează piren fără caracteristici AIE ca sondă CMC, ci și cea mai bună (cu cele mai simple proceduri și cea mai mică abatere standard). (ii) În procesul de preparare a probelor, amestecul de soluție concentrată de agent tensioactiv și piren trebuie păstrat timp de cel puțin 30 de minute înainte de a fi diluat. (iii) Valoarea IFIII/IFI a pirenului este neobișnuit de sensibilă la condițiile de măsurare referitoare la energia luminoasă care excită pirenul, cum ar fi lățimea fantelor și numărul de măsurători. (iv) SDS și CTAB de la furnizori diferiți nu numai că au avut valori CMC diferite, dar au dus și la faptul că valoarea IFIII/IFI a pirenului în soluții de 4 mM SDS și 0,5 mM CTAB este foarte semnificativă, prin care se poate distinge pur și simplu SDS sau CTAB de la furnizori diferiți.

Accesibilitatea datelor

Datele au fost încărcate ca parte a materialului electronic suplimentar.

Contribuțiile autorilor

H.L. a contribuit substanțial la achiziția, analiza și interpretarea datelor; D.H. a efectuat o parte din experimente și a participat la analiza și interpretarea datelor și la scrierea articolului; X.H. și F.L. au participat la achiziția, analiza și interpretarea datelor; Q.Z. a contribuit la conceperea, proiectarea, analiza și interpretarea datelor și la scrierea articolului.

Intereserente concurente

Declarăm că nu avem interese concurente.

Notele de subsol

Acest articol a fost editat de Royal Society of Chemistry, inclusiv comandarea, procesul de evaluare inter pares și aspectele editoriale până la punctul de acceptare.

†Acesti autori au contribuit la acest manuscris în mod egal.

Materialul electronic suplimentar este disponibil online la https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4862268.

.