基于酪氨酸的Bola型表面活性劑的合成及膠束化行為研究
蘇曉霞1，徐一夢2，蔡建光2，毛文正2，陳忠秀2*
（1．浙江工商大學(xué)浙江省食品安全重點實驗室，浙江杭州310035；2．浙江工商大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系，浙江杭州310035）
摘要：用L一酪氨酸和1，12-二氨基十二烷合成了Bola型表面活性劑1，12-二酪氨酸基十二烷基二胺鹽(DADT)，用1HNMR對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。通過電導(dǎo)率法和等溫滴定量熱法結(jié)合三維熒光光譜法考察了DADT在水溶液的自聚集行為。結(jié)果表明，其臨界膠束濃度(CMC)為0.16mmol/L左右，隨溫度升高，CMC值逐漸增大；隨離子強(qiáng)度增強(qiáng)，CMC值明顯降低。同時，DADT具有熒光信號，在濃度低于0.18mmol/L時，熒光強(qiáng)度隨濃度的增大而增大，當(dāng)濃度增大到0.18mmol/L時，由于發(fā)生自聚集導(dǎo)致熒光猝滅，從而熒光強(qiáng)度隨濃度的增大而減小。研究還發(fā)現(xiàn)，DADT分子自身熒光猝滅濃度與其臨界膠束濃度一致，為研究其膠束化行為提供了一種簡便方法。
關(guān)鍵詞：Bola型表面活性劑；1，12-二酪氨酸基十二烷基二胺鹽；自聚集；熒光
中圖分類號：TQ423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5214(2010)12-1176-05
Bola型表面活性劑是由兩個親水的極性基團(tuán)用一根或多根疏水鏈連接鍵合起來的新型表面活性劑[1]。近年來，Bola型表面活性劑已成為膠體科學(xué)與相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點[2～4]。這種新型表面活性劑與傳統(tǒng)的單頭基表面活性劑相比，在形態(tài)研究和生物模擬方面具有更為優(yōu)良的特性[5]，可以應(yīng)用于生物膜模型[6]、藥物運輸[7]、微相互作用[8]和納米粒子的穩(wěn)定劑[9]等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。國內(nèi)外關(guān)于這類表面活性劑的研究時間較短且研究相對較少，所以開發(fā)研究Bola型表面活性劑，是一項很有意義的課題[10]。
當(dāng)前，采用環(huán)境友好的表面活性劑來代替?zhèn)鹘y(tǒng)表面活性劑是一個必然趨勢。越來越多的小分子和具有特殊功能的分子被選擇作為親水基，例如氨基酸、脂肪酸、多羥基酸分子。其中，具有柔和性和生物級的表面活性劑是當(dāng)前的研究熱點[11]。氨基酸基表面活性劑是一種新型的綠色表面活性劑，除了具有普通表面活性劑的基本特性以外，還具有柔和性、低刺激性、低毒性、緩蝕防銹性、良好生物降解性和對人體較好的親和性等重要性能[12]。目前，組氨酸衍生的Bola型表面活性劑已報道能與其他表面活性劑混合形成囊泡，但有關(guān)其他氨基酸衍生的Bola型的表面活性劑鮮見報道。酪氨酸是組成蛋白質(zhì)的20種人體必需氨基酸之一，且具有天然發(fā)光性質(zhì)。本文合成出一種基于酪氨酸的Bola型表面活性劑，并研究了這種表面活性劑的膠束化行為。
1實驗部分
1.1主要試劑與儀器
L-酪氨酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)95％）和1，12-二氨基十二烷（質(zhì)量分?jǐn)?shù)98％）購于上海阿拉丁試劑公司，核磁試劑(D20)購于Sigma試劑公司，其余均為市售AR。
F7000型三維熒光光譜儀（日本Hitachi公司），Zetasizer Nano ZS型激光粒度儀（英國Malvern公司），等溫滴定量熱儀（美國Microcal公司），500AVANCEⅢ型核磁共振波譜儀（德國Bruker公司），本實驗用水均采用B0500891型去離子超純水（美國Millipore公司）。
1.2 DADT的合成
以酪氨酸為原料，與1，12-二氨基十二烷縮合反應(yīng)，合成一種新的兩性離子表面活性劑酪氨酸鹽( DADT) [13]。在100mL圓底燒瓶中，將L-酪氨酸(1.8119 g，10mmol)加入到50mL的1，12-二氨基十二烷(1.0018 g，5mmol)懸浮水溶液中，磁力攪拌反應(yīng)48h，超速離心，抽濾除去未反應(yīng)的原料。旋轉(zhuǎn)蒸餾除去水，濃縮的產(chǎn)物真空干燥后用無水乙醇溶解，再次過濾，把得到的固體真空干燥，最終產(chǎn)物為淡黃色粉末，產(chǎn)率為20.5％。合成路線如下：
產(chǎn)物結(jié)構(gòu)經(jīng)過1HNMR鑒定，結(jié)果如下：1HNMR(500MHz,D20),δ:7.016～6.999(4H,d,J=8.5Hz),6.702～6.685(4H,d,J=8.5 Hz),3.631(2H,m),2.976～2.937(2H,m),2.843～2.783(8H,m),1.516～1.471(4H,m),1.235～1.150(20H,m).
2結(jié)果與討論
2.1 DADT的膠束化過程研究
2.1.1 臨界膠束濃度(CMC)的測定
電導(dǎo)率隨表面活性劑的濃度變化曲線如圖1所示。
曲線在0.16mmol/L處出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)折點，由此可以判斷在此濃度下，表面活性劑分子發(fā)生了聚集，由原先的單個分子導(dǎo)電轉(zhuǎn)化為膠束聚集體導(dǎo)電，導(dǎo)電效率下降，此處對應(yīng)的濃度即為DADT的CMC(0.16mmol/L)。
圖2為2.0mmol/L DADT溶液滴入水中的等溫滴定量熱曲線。ITC滴定過程實際上是解膠束化的過程，通過研究解膠束化過程（即膠束形成的相反過程）能夠測量CMC。從圖2可知，體系在前一階段是放熱過程，放出熱的量隨著表面活性劑溶液濃度的增大逐漸減小，達(dá)到一定濃度后，熱譜曲線呈現(xiàn)一拐點，熱量變化趨于平衡，拐點濃度即為DADT的CMC(0.13mmol/L)。ITC法與電導(dǎo)率法相比測得的CMC值更小，郭榮[14]等人已經(jīng)報道的組氨酸衍生的Bola型表面活性劑，其用ITC的方法測得的CMC值也比電導(dǎo)率法測得的值小。由此，兩種方法測定的結(jié)果基本一致。
2.1.2溫度和離子強(qiáng)度對CMC的影響
圖3為DADT在25.0、32.5和40.0℃時的電導(dǎo)率隨濃度的變化曲線，3個溫度下的CMC分別為0.16、0.18和0.18mmol/L。隨溫度升高DADT的CMC值呈微弱上升趨勢，在32.5℃和40.0℃時沒有明顯區(qū)別。溫度對CMC的影響是表面活性劑親水基和疏水基受溫度影響的綜合結(jié)果。一方面是由于隨著溫度升高，表面活性劑分子運動速率增大，不利于表面活性劑分子聚集成為膠束，致使CMC上升；另一方面，溫度升高使憎水基周圍的水結(jié)構(gòu)破壞，妨礙膠束的形成，致使CMC上升，同時，溫度升高減弱親水基與水的親和作用，也不利于膠束的形成。所以，隨著溫度升高，DADT的CMC呈微弱上升趨勢，但從實驗結(jié)果來看，在32.5℃和40.0、℃時，溫度對DADT膠束形成影響不大。
離子型表面活性劑的CMC受離子強(qiáng)度影響較大。圖4為25℃時，DADT溶液在不同濃度NaCl溶液存在時的電導(dǎo)率變化曲線。結(jié)果表明，在1mmol/L和10mmol/L的NaCl存在時，DADT的CMC分別為0.09mmol/L和0.04mmol/L。NaCl溶液的加入顯著減小了DADT的CMC值，且濃度越大，CMC值越小。究其原因，一方面，無機(jī)鹽改變了溶劑性質(zhì)，使溶劑對表面活性劑疏水基產(chǎn)生“鹽析”作用，導(dǎo)致兩性表面活性劑CMC降低；另一方面，電解質(zhì)的加入，使更多的帶電離子與表面活性劑離子結(jié)合，降低了膠團(tuán)的表面電荷密度，削弱了表面活性劑離子間的排斥作用力，有利于膠團(tuán)的形成，從而降低了表面活性劑的CMC值。但當(dāng)無機(jī)鹽濃度較大時，才會對兩性表面活性劑的CMC產(chǎn)生影響。
2.2 Bola表面活性劑DADT溶液的Zeta(ζ)電位
DADT是一個兩性離子表面活性劑，為了探討在不同pH下膠束的帶電情況，作者利用散射儀的Potential-pH滴定法研究了pH對DADT膠束的Zeta(ζ)電位的影響，如圖5所示。
在中性水溶液中，膠束帶負(fù)電荷，隨著pH的降低，膠束所帶電荷逐漸由負(fù)值變化到正值，等電點在pH =5.10附近出現(xiàn)。Zeta(ζ)電位可反映膠體水溶液的穩(wěn)定性，膠束可隨介質(zhì)pH的變化而顯示不同的表面活性，一般情況下，兩性離子表面活性劑在等電點時，溶解度會降低。為了充分發(fā)揮表面活性劑的作用，必須在偏離等電點pH的水溶液中使用。
2.3 DADT水溶液的熒光光譜
2.3.1 DADT的三維熒光光譜
酪氨酸是天然氨基酸中重要的發(fā)光組分，因此，由酪氨酸合成的DADT分子也具有熒光性質(zhì)，圖6為DADT水溶液的三維熒光光譜，當(dāng)激發(fā)波長λEX=270 nm時，在發(fā)射波長λEX=300 nm附近有較強(qiáng)的熒光發(fā)射。
圖7為DADT水溶液熒光強(qiáng)度隨濃度的變化示意圖。
在0.02～1.5mmol/L內(nèi)，熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，表明DADT的水溶液存在熒光自猝滅現(xiàn)象。從熒光光譜可見，當(dāng)C( DADT)<0.18mmol/L時，熒光強(qiáng)度隨濃度的增大而增大，當(dāng)C( DADT)增大到0.18～0.3mmol/L時，熒光強(qiáng)度達(dá)到了一個平臺期，此時的表面活性劑濃度剛好超過CMC值。當(dāng)C(DADT)＞3mmol/L時，熒光強(qiáng)度隨濃度的增大而減小，發(fā)生了熒光自猝滅現(xiàn)象。DADT水溶液在低濃度時基本上以單體分子的形式存在，濃度與熒光強(qiáng)度之間呈良好的線性關(guān)系，當(dāng)濃度達(dá)到CMC值時，DADT分子聚合形成膠束，發(fā)光基團(tuán)彼此靠攏，使熒光可能被相鄰的基態(tài)基團(tuán)部分猝滅。當(dāng)C(DADT)=1.0mmol/L時，DADT膠束的熒光信號十分微弱，此時膠束聚集得更為緊密，基態(tài)分子與激發(fā)態(tài)分子可能發(fā)生聚集形成激基締合物。
2.3.2 Stern-Volmer方程
熒光自猝滅機(jī)制包括靜態(tài)和動態(tài)機(jī)制，可以用Stern -Volmer方程進(jìn)行描述：若熒光猝滅方程表示為濃度的多次方，則表明熒光體發(fā)生聚集，即存在靜態(tài)猝滅；若處于激發(fā)態(tài)的熒光體通過將其能量傳遞給猝滅劑的方式回到基態(tài)，則存在動態(tài)猝滅機(jī)制[15]。圖8為DADT水溶液在濃度0.18～1.5mmol/L熒光強(qiáng)度隨濃度變化的曲線，擬合得到熒光猝滅方程如式(1):
一方面，猝滅方程可以證明，DADT水溶液自猝滅的機(jī)制中包括了靜態(tài)猝滅。另一方面，從圖8可以看出，Stern-Volmer曲線是一條彎向Y軸的上升曲線，得出DADT水溶液自猝滅的機(jī)制中還包括動態(tài)猝滅[16]。究其原因，是因為DADT分子形成膠束以后，它們彼此靠攏，使熒光確實可能被相鄰的基態(tài)基團(tuán)部分猝滅。
3結(jié)論
電導(dǎo)率測量和等溫滴定量熱分析手段皆表明Bola型表面活性劑分子1，12-二酪氨酸基十二烷基二胺鹽( DADT)在水溶液中會形成膠束，其臨界膠束濃度為0.16mmol/L左右，溫度升高，CMC值微弱上升，離子強(qiáng)度對CMC的影響較明顯，離子濃度越大，CMC值越小。DADT具有天然熒光特性，在濃度低于0.18mmol/L時，熒光強(qiáng)度隨濃度的增大而增大，當(dāng)濃度增大到1.8mmol/L時，由于發(fā)生自聚集，熒光強(qiáng)度隨濃度的增大而減小，發(fā)生了熒光自猝滅現(xiàn)象。綜上所述，DADT分子自身熒光猝滅的濃度正好與其臨界膠束濃度一致，且體系簡單和穩(wěn)定，為研究其膠束化行為提供了一種簡便方法。
