一种新的Bola型表面活性剂及其临界胶束浓度的不同方法测定

田冬梅, 王洁莹, 袁 悦, 胡贝贝, 邱钰婷, 林 新

(1. 沈阳师范大学 化学化工学院, 沈阳 110034; 2. 沈阳药科大学 药学院, 沈阳 110016)



一种新的Bola型表面活性剂及其临界胶束浓度的不同方法测定

田冬梅1, 王洁莹1, 袁 悦2, 胡贝贝2, 邱钰婷1, 林 新1

(1. 沈阳师范大学 化学化工学院, 沈阳 110034; 2. 沈阳药科大学 药学院, 沈阳 110016)

成功合成了一种以苯丙氨酸为极性头基的新的Bola型表面活性剂----1,12-二苯丙氨酸十二烷(DADPhe),并依次用表面张力法、电导率法和芘荧光探针法测定了1,12-二苯丙氨酸十二烷的临界胶束浓度(CMC),测定结果分别为0.04 mmol·L-1、0.03 mmol·L-1和0.029 8 mmol·L-1。实验结果表明,此3种方法的测定值略有不同,其中电导率法和芘荧光探针法的数值相近,而表面张力法所得数值与其他2种方法有微小差异,推测与环境因素有关。进一步分析比较3种实验结果的差异性发现,芘荧光探针法测定的结果更为准确适宜。

Bola型表面活性剂; 临界胶束浓度(CMC); 表面张力法; 电导率法; 芘荧光探针法

0 引 言

Bola型表面活性剂[1](Bola amphiphile)是一种由2个亲水的极性头基和1根或多根疏水链键合而成的新型表面活性剂。按亲水基所带电荷性质不同,可将其分为离子和非离子2大类,还可按亲水基对称性的不同,分为对称和非对称2种。与传统单链表面活性剂相比,Bola型表面活性剂在水中具有较好的自组装能力,可在溶液中形成球形或棒状等多种形态的聚集体[2],在生物模拟和药物传递方面有潜在的优势。

表面活性剂的临界胶束浓度(critical micelle concentrations, CMC)是指表面活性剂分子在溶液中缔合形成胶束的最低浓度[3]。稀溶液中表面活性剂分子的亲水基朝向水内而疏水基朝向空气,覆盖在水的表面使水的表面张力降低。当表面吸附达到饱和时增加溶液浓度,表面活性剂分子会在溶液内部自聚形成胶束,刚开始形成胶束时的浓度称为表面活性剂的临界胶束浓度[4],简称CMC。CMC对研究表面活性剂的聚集形态有重要意义,当浓度超过CMC后,表面活性剂分子会自组装形成胶束、囊泡等多种有序结构[2],这些结构使其成为药物可控释放的理想的载体材料。

当表面活性剂溶液的浓度达到CMC值时,其理化性质如表面张力、电导率和渗透压等都会有明显变化[5],通常根据这一性质测定表面活性剂的CMC。测定CMC的常用方法有表面张力法[6]、电导率法[7]、芘荧光探针法[8]、光散射法、紫外分光光度法和染料吸附法[9]等。由于不同方法对表面活性剂总浓度的变化范围和灵敏度的影响不同,测得的CMC值也会略有不同。本文采用前3种方法测定Bola型表面活性剂的CMC,并分析比较不同方法测定结果的差异性和准确性。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(河南巩义英峪予华仪器厂),BZY-201型自动表面张力仪(上海方瑞仪器有限公司),DDS-11A数显电导率仪(上海雷兹新泾仪器有限公司),多功能酶标仪(美国Thermo Scientific公司)。

自制Bola型表面活性剂1,12-二苯丙氨酸十二烷(DADPhe),芘(w=99%)(美国Sigma公司)。

1.2 DADPhe的合成

参照文献实验步骤合成DADPhe[10-11],反应方程式如下:

图1 DADPhe合成路线图

称取1,12-二氨基十二烷0.200 4 g(1 mmol)溶于10 mL二氯甲烷,依次加入N,N-二异丙基乙胺(DIEA)0.43 mL和苯并三氮唑-1-基氧三(二甲氨基)磷鎓六氧磷酸盐(BOP)1.106 3 g(2.5 mmol)。BOC保护的苯丙氨酸(Boc-Phe-OH)0.609 0 g(2.5 mmol)溶于5 mL二氯甲烷,加入上述反应液中,室温下搅拌4 h。反应结束后,减压旋蒸除去二氯甲烷,加入10 mL乙酸乙酯溶解中间产物,分别用水、饱和碳酸氢钠、饱和氯化钠溶液萃取,有机层加无水硫酸钠干燥,静置过夜。

将反应液过滤,补加2 mL乙酸乙酯,搅拌下通入干燥的氯化氢气体,溶液中出现白色固体,待白色固体沉淀完毕后停止反应,将过滤后的固体溶于无水甲醇中继续通干燥氯化氢气体。BOC保护基脱去完全后停止反应,减压旋蒸除甲醇,重复多次,以除去气体副产物。最终得到目标产物为白色固体,收率(w)为87.63%。

1.3 临界胶束浓度(CMC)测定

1.3.1 表面张力法

配制一系列浓度在0.01～1 mmol·L-1之间的DADPhe溶液。在25 ℃下,用表面张力仪测定浓度从低到高的一系列DADPhe溶液的表面张力值并记录数据。

1.3.2 电导率法

配制一系列浓度在0.01～1 mmol·L-1之间的DADPhe溶液。在25 ℃下,按浓度从低到高的顺序,用电导率仪测定各溶液电导率值,待读数稳定后(约5分钟)记录数据。

1.3.3 芘荧光探针法

配制芘的水溶液,浓度约为7×10-5mol·L-1,测定芘在水中的发射光谱。称取芘31.41 mg,用乙醇定容于25 mL容量瓶中。分别移取上述溶液100 μL置于20个空瓶中后放入真空干燥箱中干燥,使乙醇挥发完全,再分别加入电导率法中配制的一系列浓度的样品溶液2 mL,超声4 h后40 ℃恒温24 h[11]。测定各溶液的荧光强度,激发波长为334 nm,发射波长分别为376 nm和385 nm。扫描速度100 nm/s,狭缝宽度12 nm。每个样品平行3组取平均值。

2 实验结果

2.1 表面张力法

吊环法测得的表面张力值P再乘以校正因子F即是溶液的实际表面张力,即γ=P·F。校正因子F的公式如下[12]:

图2 25 ℃时DADPhe的表面张力随浓度变化曲线Fig.2 Surface tension of DADPhe at 25 ℃

其中:P为显示读数值,mN/m;C、R分别为环的周长和半径,cm;D、d分别为液体和气体密度,g·ml-1;r为铂金丝半径,cm。

DADPhe溶液的表面张力测定结果如图2。开始时表面张力随着DADPhe浓度的增大急剧减小,达到一定浓度后则变化缓慢,此浓度为曲线上的转折点即CMC。由图可知,曲线在0.04mmol·L-1处出现小幅下降之后表面张力值逐渐趋于稳定,表明在此浓度下溶液开始形成胶束,同时对降低水的表面张力作用减弱,所以DADPhe的CMC值在0.04mmol·L-1左右。

2.2 电导率法

图3 25 ℃时DADPhe的电导率随浓度变化结果Fig.3 The conductivity of DADPhe at 25 ℃

25 ℃时DADPhe溶液的电导率测定结果如图3。由图可知,电导率随着DADPhe浓度的增加而近乎呈线性增加,当浓度达到CMC时,由于溶液中的一部分分子形成了胶束,且胶束的定向移动速率减缓,电导率的变化趋势会因此发生显著变化,所以曲线的转折点即为CMC值。折点处电导率值约为7.56Scm-1,即可测得室温(25 ℃)下DADPhe的CMC值为0.03 mmol·L-1。

2.3 芘荧光探针法

芘荧光探针法测定结果如图4和5。图4为芘的荧光发射光谱,芘单体的稳态荧光光谱有5个电子振动峰,分别在376 nm(I1)、380 nm(I2)、385 nm(I3)、390 nm(I4)和395 nm(I5)附近,其中芘分子所处环境的极性会影响I1和I3之比。浓度不同的表面活性剂溶液对芘的增溶能力不同,当溶液浓度超过CMC后,其增溶能力就会出现一个突变[13]。因此,在芘增溶于胶束后,所处环境的极性会产生变化从而引起I1/I3值的突变(胶束形成)[14],可应用此突变来确定其CMC。

图5为I1/I3随DADPhe浓度的变化曲线,曲线上急剧下降的点为CMC值。根据Sigmoid-Boltzmann公式(SBE)计算得到CMC值[15]:

式中:x为表面活性剂浓度;A1和A2分别为高、低表面活性剂浓度下的I1/I3;x0为曲线突变中点,即表面活性剂的CMC值;Δx是描述曲线突变程度的参数,在突变中点作曲线斜率,与A1、A2两条平行于横轴的直线相交,两交点水平距离的1/4就是Δx。由计算可得CMC值约为0.029 8 mmol·L-1。

图4 芘单体在水溶液中的荧光发射光谱

图5 I1/I3随DADPhe浓度变化的曲线

3 结 论

由实验结果可知:表面张力法测得的CMC约为0.04 mmol·L-1,电导率法为0.03 mmol·L-1,芘荧光探针法为0.029 8 mmol·L-1。3种方法测定值略有不同,其中电导率法和芘荧光探针法测得的数据相近,而表面张力法所得数据与其他2种方法有微小差距,这可能与测试方法和环境因素有关。

表面张力法的应用广泛且测量过程简便,对高低表面活性的表面活性剂都具有相似的灵敏度[16]。但在吊环法中,环的水平程度和容器的大小等都会影响结果的准确性[17]。如果在操作过程中没有掌握好将吊环拉离液面时的力度而使液面发生扰动,就会造成测量结果误差。

电导率法有用样少、操作简单、数据准确、误差小等优势,是测量CMC的经典方法[18]。但电导率法对离子型表面活性剂更为灵敏[19],对本实验合成的Bola型表面活性剂的转折点不是十分明显。同时电导率法还容易受到溶液中的酸碱离子(如OH-)的影响[20],与表面活性剂中的碱性亲水头基结合,使电导率降低,造成误差。

相比于前2种方法,芘荧光探针法虽然耗时较多,但其对体系无特殊要求而且干扰小,且受溶剂环境的影响也较小[21],测量结果更为精确。从分子结构上分析,Bola型表面活性剂形成胶束的形状不同于普通胶束,2个头基分别在碳链的两侧,且对称性排列,头基深度埋在2个大苯环基团内部,对表面张力影响较小,对电导率影响较小,造成突跃不大,判断不够灵敏。芘荧光探针法中,探针直接靠近极性基团中心进入分子团簇的内部,因此,荧光变化较大,更容易判断突跃发生位置。而且荧光法本身就具有较高的灵敏度,因此,通过比较分析上述结果知,芘荧光探针法是测定表面活性剂CMC的准确适宜的方法。

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A novel Bola amphiphile surfactant and its critical micelle contrentration determined by diferent methods

TIANDongmei1,WANGJieying1,YUANYue2,HUBeibei2,QIUYuting1,LINXin1

(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China; 2. College of pharmacy, Shenyang Pharmaceutical University, Shenyang 110016, China)

A novel bola amphiphile 1,12-phenylalanine dodecanediamine(DADPhe), employed phenylalanine as the pole head was synthesized. The CMC of DADPhe was determined by surface tension method, conductivity and pyrene fluorescence spectroscopy with the results 0.04 mmol·L-1, 0.03 mmol·L-1and 0.029 8 mmol·L-1respectively. The experimental results showed that conductivity and pyrene fluorescence spectroscopy have a similar value, and the value of surface tension method, however, has a minor different from them. It is possibly because of the environmental factors.The results with comparative analyses showed that the pyrene fluorescence spectroscopy method is the most accurate and suitable.

Bola amphiphile; critical micelle concentrations(CMC); surface tension; Conductivity; pyrenefluorescence spectroscopy

2016-09-19。

辽宁省科技厅社会发展公关计划资助项目(2010230002)。

田冬梅(1973-),女,辽宁沈阳人,沈阳师范大学副教授,博士。

1673-5862(2016)04-0397-05

O65

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.04.004