Alai

Introduktion

Kritisk micellkoncentration (CMC) är en viktig parameter för tensider med breda tillämpningar. CMC-värdena för ytaktiva ämnen är inte bara relaterade till deras molekylära strukturer utan är också känsliga för miljöer och relaterade till leverantörer . Därför måste CMC-värdena mätas i praktiska tillämpningar och forskning. Bland de nuvarande metoderna för CMC-bestämning väcker fluorescensmetoden, som bygger på organiska probers fluorescerande förändring, stor uppmärksamhet på grund av dess höga känslighet och snabba respons . De fluorescerande förändringarna är dock vanligtvis osynliga eller oskarpa när det gäller CMC, och därför måste en serie prover som innehåller olika koncentrationer av ytaktiva ämnen och en viss mängd sonder förberedas och mätas med en fluorspektrofotometer. Det finns två allmänna metoder (metoderna I och II) för att förbereda proverna. Om fluorescensförändringarna är mycket skarpa och synliga vid CMC kommer CMC-värdena att observeras direkt. Under 2011 utvecklade vi en effektiv femkomponentsreaktion för syntesen av en ny serie C6-unsubstituerade tetrahydropyrimidiner (THP) med stark aggregeringsinducerad emission (AIE), dvs. ingen emission i lösning men stark fluorescens i aggregat. AIE-egenskaperna, som upptäcktes och benämndes av Tangs grupp, löser det svåra problemet med aggregeringsorsakad släckning hos konventionella fluoroforer och har visat sig ha stora fördelar på många områden, t.ex. AIEgen-innehållande sampolymerer och deras tillämpningar. THP:s egenskaper – helt utan emission i tensidmikeller men med stark AIE i utspädda tensidlösningar – gör att vi kan utveckla dem som unika känsliga och synliga fluorescenssonder (som visar den starkaste fluorescensen vid CMC) för CMC (de rapporterade CMC-sonderna som är baserade på fluorescensintensitetsförändring visar en fluorescenssändning som avbryts vid CMC, det vill säga den svagaste fluorescensen vid CMC) . Nyligen fann vi att en av THP:erna kunde användas som en utmärkt indikator för CMC-titrering och realiserade för första gången enkel, prov- och tidsbesparande CMC-titrering för olika typer av ytaktiva ämnen .

I samband med utvecklingen av högkänsliga fluorescens-turn-on-prober (THP) för CMC-bestämning fann vi att metoderna I och II inte var lämpliga för THP med egenskaperna aggregeringsinducerad emission (AIE) i utspädda tensidlösningar och ingen emission i tensidmiceller, och vi utvecklade en ny metod (metod III) . Metod III är inte bara lämplig för THP utan har också fördelen att den innebär färre operativa förfaranden och färre fel eftersom man inte behöver tillsätta en mikromängd färgämne i varje prov. Vi undrade om metod III också var lämplig för andra CMC-sonder utan AIE-egenskaper. Med tanke på att pyren är den mest använda fluorescerande sonden för CMC-bestämning har vi förberett prover med metoderna I-III och studerat de faktorer som påverkar CMC-bestämningen med pyren som sond i detalj. CMC-bestämningen med pyren som sond bygger på det linjära sambandet mellan koncentrationen av tensiden och förhållandet (IFIII/IFI) mellan dess fluorescensintensitet vid topparna I och III. Oväntat nog fann vi att IFIII/IFI-värdet för pyren i ytaktiva lösningar är ovanligt känsligt för mätningsförhållanden som förändrar den spännande ljusenergin. Dessutom fann vi att vissa av de ytaktiva ämnena från olika leverantörer inte bara hade olika CMC-värden utan också ledde till signifikant olika IFIII/IFI-värden i ytaktiva lösningar, vilket kan användas som en mycket enkel och användbar metod för att särskilja samma ytaktiva ämne med olika CMC-värden.

Experimentellt avsnitt

2.1. Material och instrument

Alla kemikalier som används i denna uppsats har erhållits från kommersiella leverantörer och använts utan ytterligare rening. Tensiden CHAPS köptes från Energy Chemical; natriumdodecylsulfat (SDS) köptes från Guangzhou Weijia Technology Co, Ltd, SERVA Electrophoresis GmbH och Shanghai Meryer Chemical Technology Co, Ltd; cetrimoniumbromid (CTAB) köptes från Tianjin Damao Chemical Reagent Factory och Aladdin; Triton X-100 köptes från Aladdin; och BS-12 köptes från Shanghai Shengxuan Biology Chemical Co., Ltd (molekylstrukturer för dessa ytaktiva ämnen finns i det elektroniska tilläggsmaterialet). Alla mätningar utfördes vid 25 ± 1 °C. Vatten renades genom avjonisering och filtrerades genom Millipore rening till en resistivitet högre än 18 MΩ cm-1. Excitations- och emissionsspektra bestämdes med FluoroMax-4 spektrofluorofotometer (oanmält, emitterad vid 373 nm och exciterad vid 334 nm, spaltbredder för excitation och emission: 2 och 2 nm eller 3 och 3 nm, och proverna bestämdes omedelbart efter beredning).

2.2. Beredning av pyren etanol-stocklösning (0,5 mM)

Omkring 10,1 mg pyren (Mr = 202,3) och cirka 80 ml etanol tillsattes i en 100 ml mätkolv, som skakades väl för att lösas upp, varefter kolven fylldes till märket med etanol.

2.3. Beredning av prover enligt metod I

En viss mängd av en stamlösning av tensid och en stamlösning av pyren tillsattes i en 100 ml mätkolv, skakades väl och förvarades i minst 30 minuter innan kolven fylldes till märket med vatten för att bereda en koncentrerad lösning av tensid (ca 2CMC) med en viss koncentration av pyren (0,2-1 µM). Därefter tillsattes olika volymer av den koncentrerade ytaktiva lösningen i olika 5 ml mätkolvar och dessa kolvar fylldes till märket med vatten som innehöll samma koncentration av pyren som i den koncentrerade ytaktiva lösningen.

2.4. Beredning av prover enligt metod II

Differenta volymer av stamlösningar av ytaktiva ämnen och 2 ml pyrenmättad vattenlösning tillsattes i olika 5 ml mätkolvar, skakades väl och förvarades i minst 30 minuter innan kolvarna fylldes med vatten till märket.

2.5. Beredning av prover med metod III

Metod III rapporterades i vårt tidigare arbete . Generellt sett framställdes först en koncentrerad ytaktiv lösning (ca 2CMC) med en viss koncentration av pyren (0,5-1,5 µM) enligt metod I. Sedan tillsattes olika volymer av den koncentrerade ytaktiva lösningen med en viss mängd pyren i olika 5 ml mätkolvar, som fylldes till märket med vatten.

Resultat och diskussion

3.1. Influensfaktorer på bestämning av kritisk micellkoncentration av natriumdodecylsulfat med pyren som sond och metod I för provberedning

För att studera de faktorer som påverkar CMC-bestämningen med pyren som sond bestämdes CMC-värdet för den vanligen använda anjoniska ytaktiva substansen SDS under olika förhållanden, och proverna förbereddes med den vanligen använda metod I, det vill säga en koncentrerad SDS-lösning (10 mM) som innehåller en viss mängd pyren (0.5 µM) späddes till olika koncentrationer av SDS-lösningar med vatten som innehöll 0,5 µM pyren. För att studera inflytandet av provförvaringstiden mättes de preparerade proverna omedelbart, 0,5 respektive 24 timmar med en fluorspektrometer. De experimentella resultaten visar att provets förvaringstid inte har någon inverkan på pyrens excitations- och emissionsspektrum (figur 1a-c), och det fastställda CMC-genomsnittsvärdet och standardavvikelsen för SDS är 6,53 ± 0,12 mM. Standardavvikelsen är mycket mindre än den rapporterade ±0,4 mM med pyren som sond. Det finns två skärningspunkter i figur 1d. Den första skärningen snarare än den andra skärningen motsvarar CMC-värdet. Detta beror på att SDS finns i monomerer när koncentrationen av SDS ökar under CMC; vid CMC når koncentrationen av SDS i monomerer sitt maximum och micellerna börjar bildas; samtidigt ökar IFIII/IFI-värdet jämnt när koncentrationen av SDS ökar under CMC på grund av påverkan från SDS-monomerer; från CMC till den andra skärningspunkten ökar IFIII/IFI-värdet kraftigt på grund av den snabba överföringen av pyren från lösningen till micellerna; Från den andra skärningspunkten ökar IFIII/IFI-värdet jämnt igen eftersom pyrenkoncentrationerna i SDS-micellerna respektive lösningsfasen befinner sig i jämvikt och pyren därför långsamt överförs från lösningen till micellerna. Från SDS-koncentrationen som är högre än 9 mM är IFIII/IFI-värdet nästan oförändrat eftersom pyrenkoncentrationen i lösningen är mycket låg och mängden pyren som överförs från lösningen till micellerna är för liten för att orsaka en förändring i IFIII/IFI-värdet.

Då provförvaringstiden inte visar någon påverkan på CMC-bestämningen, mättes de prover som beretts med metod I omedelbart för att studera andra faktorer som påverkar CMC-bestämningen av SDS med pyren som sond. Undersökningen av hur koncentrationen (cpyr) av pyren påverkar visas i figur 2a och i det elektroniska tilläggsmaterialet, figur S1. De experimentella resultaten visar att när cpyr är 0,2, 0,5 och 1,0 µM (begränsat av lösligheten i vatten, högre cpyr undersöktes inte) är medelvärdet och standardavvikelsen för dessa bestämda CMC-värden 6,66 ± 0,18 mM, med en avvikelse som är mindre än den rapporterade (±0,4 mM) . Detta visar att pyren i intervallet 0,2-1,0 µM inte har någon inverkan på CMC-värdet. Detta visades vidare av nästan samma CMC-värden (7,15 och 7,21 mM) för SDS i närvaro och frånvaro av pyren (0,5 µM) som bestämdes med konduktiv metod (den genomsnittliga avvikelsen är ±0,1 mM för CMC-värdena för SDS som bestämdes med konduktiv metod). (elektroniskt tilläggsmaterial, figur S2). Det är värt att nämna att även om pyren inte visar något inflytande på CMC-bestämningen av SDS är CMC-värdet (6,64 mM, elektroniskt tilläggsmaterial, figur S2b) som bestämts med den fluorometriska metoden med pyren som sond lägre än det (7,15 mM, elektroniskt tilläggsmaterial, figur S2c) som bestämts med den konduktiva metoden. Detta fall är detsamma som det som rapporterats .

Av många av de erhållna IFIII/IFI-värdena är några av dem betydligt högre än normala värden, vilket förbryllade oss. Efter avsevärda ansträngningar för att utforska de faktorer som orsakar den onormala förändringen i IFIII/IFI fann vi slutligen att IFIII/IFI-värdet för pyren ökade avsevärt när man förstorade fluorspektrometerns spaltbredd, men det fastställda CMC-värdet ligger inom mätfelområdet (figur 2b). Eftersom ökningen av fluorescensintensiteten orsakad av pyrenkoncentrationen nästan inte orsakade någon förändring av IFIII/IFI-värdet (figur 2a; elektroniskt tilläggsmaterial, figur S1), drog vi slutsatsen att det var ökningen av ljusenergin som exciterar pyren som orsakade ökningen av IFIII/IFI-värdet när man förstorade spaltbredden på fluorspektrometern, och att om antalet (N) mätningar av fluorescensspektrat av pyren ökade, vilket innebär att energin som exciterar pyren ökade, så skulle också IFIII/IFI-värdet öka. Detta bevisades av de experimentella resultaten; IFIII/IFI-värdet ökade från 0,648 till 0,763 när N ökade från 1 till 9 gånger (figur 2c). Dessa resultat förklarar väl varför vissa av de erhållna IFIII/IFI-värdena är onormalt höga.

Ovanstående resultat visar att i en lämplig koncentration av pyren (0,2-1,0 µM) är CMC-genomsnittsvärdet och standardavvikelsen för alla bestämda SDS-värden i figurerna 1d, 2a och 2b 6,60 ± 0,13 mM.

3.2. Bestämning av kritisk micellkoncentration av natriumdodecylsulfat via prover som framställts med metod II

Med ovanstående optimerade villkor för CMC-bestämning med pyren som sond framställdes en serie prover med olika koncentrationer av SDS och 2 ml pyrenmättad vattenlösning med metod II och mättes omedelbart med en fluorspektrometer. Oväntat nog är det CMC-värde som bestämts från de prover som framställts med metod II (CMC-värdet som bestämts från prover som hållits 0 min i figur 2d) mycket lägre (5,86 mM) än det (6,60 ± 0,13 mM) som bestämts från prover som framställts med metod I. Efter att ha studerat påverkansfaktorerna på CMC-värdena fann vi att efter att olika volymer av den koncentrerade ytaktiva lösningen och 2 ml pyrenmättad vattenlösning hade tillsatts i olika 5 ml-mätkolvar bör blandningarna skakas väl och förvaras i minst 30 minuter innan kolvarna fylls till märket med vatten (figur 2d; elektroniskt tilläggsmaterial, figur S4). CMC-värdena från proverna som hållits i 30 och 120 minuter är nästan desamma (6,22 och 6,30 mM), men CMC-värdet från proverna som hållits i 60 minuter är betydligt högre (6,81 mM). Dessa resultat visar att proverna kan mätas efter 30 minuters förvaring och att IFIII/IFI-värdena från den första interaktionen till den andra interaktionen inte är särskilt stabila och lätt påverkas av bestämda förhållanden. Det genomsnittliga CMC-värdet och SDS-avvikelsen som bestämts från de prover som beretts med metod II är 6,44 ± 0,32 mM, med större standardavvikelse än det som bestämts från de prover som beretts med metod I.

3.3. Bestämning av kritisk micellkoncentration av natriumdodecylsulfat via prover som framställts med metod III

För att utvärdera om metod III (utspädning av koncentrerad tensidlösning som innehåller en viss mängd sond i en serie prover som innehåller olika koncentrationer av SDS och pyren med rent lösningsmedel) är lämplig för framställning av prover som använder pyren som CMC-sond, undersöktes de faktorer som påverkar CMC-bestämningen av SDS i detalj. De erhållna experimentella resultaten visar att de prover som framställts med metod III kan bestämmas omedelbart (figur 3a) och att pyren inte visar någon påverkan när cpyr är 0,5-1,5 µM i den koncentrerade SDS-lösningen (figur 3b). Excitations- och emissionsspektra av pyren i dessa bestämda prover visas i det elektroniska tilläggsmaterialet, figurerna S5 och S6. Medelvärdet och standardavvikelsen för de sex bestämda CMC-värdena i figur 3 är 6,70 ± 0,05 mM, med mycket mindre avvikelse än de som uppmätts från proverna som framställts med metoderna I och II (± 0,13 och 0,32 mM). Enligt de experimentella resultaten i figur 3b kan man dra slutsatsen att etanol inte har någon inverkan på CMC-bestämningen när koncentrationen av etanol i koncentrerad SDS-lösning är lägre än 0,3 %. Detta beror på att ökningen av cpyr från 1 µM till 1,5 µM innebär en ökning av etanolkoncentrationen från 0,2 % till 0,3 %, men de bestämda CMC-värdena är nästan desamma (figur 3b).

3.4. Bestämning av kritisk micellkoncentration av andra typer av tensider från prover som framställts med metod I och III

För att ytterligare identifiera om metod III var lämplig för att framställa prover med pyren som CMC-sond, bestämdes CMC-värdena för den katjoniska tensiden CTAB, den zwitterjoniska tensiden CHAPS, de icke-joniska tensiderna Triton X-100 och BS-12 från prover som framställts med metod I och III. Pyrens excitations- och emissionsspektrum i proverna som framställts med metod I/III visas i det elektroniska tilläggsmaterialet, figur S7 och S8/S9 och S10. De bestämda CMC-värdena för olika typer av ytaktiva ämnen visas i tabell 1. De CMC-värden som bestämts för de prover som framställts med metod I och III är nästan identiska med undantag för SDS. Dessa resultat visar att metod III är lämplig för framställning av prover för CMC-bestämning av olika typer av ytaktiva ämnen med pyren som sond.

3.5. Inverkan av olika källor till natriumdodecylsulfat och cetrimoniumbromid på deras kritiska micellkoncentrationsvärden och IFIII/IFI-värden

Interessant nog fann vi att SDS och CTAB från olika leverantörer inte bara har olika CMC-värden (tabell 1) utan också leder till olika IFIII/IFI-värden (figur 4e och f), särskilt IFIII/IFI-värdena vid 4 mM SDS och 0.5 mM CTAB, vilket kan användas som en enkel metod för att särskilja tensider med olika CMC-värden. De olika CMC-värdena för SDS och CTAB kan bero på renhet . Dessutom är konturerna eller våglängderna för topp I och III också olika (jämför topparna för topp I i figur 4a och b och våglängderna för topparna I och III i figur 4c och d). CMC-bestämningen av SDS’ med konduktiv metod och fluorometrisk metod med pyren som sond (proverna framställdes enligt metoderna I-III) visas i det elektroniska tilläggsmaterialet, figur S11-14. Utifrån pyrens emissionsspektrum i figur 4 kan man notera att förändringen av fluorescensintensiteten för pyren är oregelbunden i proverna som framställts med metoderna I och II men regelbunden i proverna som framställts med metod III när koncentrationen av ytaktiva ämnen förändras. Detta beror på att tillsättningen av en mikromängd pyren i varje prov, som utelämnas i metod III men behövs i metoderna I och II, oundvikligen kommer att orsaka olika fel i pyrenkoncentrationen och därmed leda till en oregelbunden förändring av pyrens fluorescensintensitet.

Slutsats

Vi undersökte de faktorer som påverkar CMC-bestämningen med pyren som sond och jämförde metoderna I-III för att bereda prover för CMC-bestämning. Metoderna I och II, två vanligt förekommande metoder, är endast lämpliga för CMC-sonder utan AIE-egenskaper, och metod III, som vi har utvecklat för CMC-sonder med AIE-egenskaper, har fördelarna av färre operativa förfaranden och fel på grund av att man inte behöver tillsätta en mikromängd sond i varje prov. Följande resultat konstaterades: (i) Metod III, som innebär att man inte tillsätter en mikromängd CMC-färgämne i varje prov och därmed minskar förfarandena och felen, visade sig inte bara vara lämplig för att förbereda prover där pyren utan AIE-egenskaper används som CMC-sond, utan också vara den bästa (med de enklaste förfarandena och den minsta standardavvikelsen). (ii) Vid beredningen av proverna måste blandningen av koncentrerad tensidlösning och pyren förvaras i minst 30 minuter innan den späds ut. (iii) IFIII/IFI-värdet för pyren är ovanligt känsligt för de mätförhållanden som rör den ljusenergi som exciterar pyren, t.ex. spaltbredd och mätantal. (iv) SDS och CTAB från olika leverantörer hade inte bara olika CMC-värden utan ledde också till att IFIII/IFI-värdet för pyren i 4 mM SDS och 0,5 mM CTAB-lösningar var mycket signifikant, vilket gör att man enkelt kan särskilja SDS eller CTAB från olika leverantörer.

Datatillgänglighet

Data har laddats upp som en del av det elektroniska tilläggsmaterialet.

Aktörernas bidrag

H.L. gav väsentliga bidrag till insamling, analys och tolkning av data; D.H. utförde en del av experimenten och deltog i analys och tolkning av data och artikelskrivande; X.H. och F.L. deltog i insamling, analys och tolkning av data; Q.Z. bidrog till utformning, design, analys och tolkning av data samt artikelskrivande.

Kompletterande intressen

Vi förklarar att vi inte har några konkurrerande intressen.

Fotnoter

Denna artikel har redigerats av Royal Society of Chemistry, inklusive beställning, peer review-process och redaktionella aspekter fram till godkännande.

†Dessa författare bidrog till detta manuskript lika mycket.

Elektroniskt kompletterande material finns online på https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.4862268.