籍疏水花菁染料的荧光突变测定非离子表面活性剂临界胶束浓度

前 言
浓度高于临界胶束浓度(CriticalMicelleConcentration，CMC)的表面活性剂常用于增加染料的溶解性和提高其光物理性质[1-3].在某些情况下，胶束体系也可用于反应动力学和反应机理的研究.因此，测定CMC对理论和实际理解表面活性剂的性质是非常重要的.关于CMC测定已有大量的文献报道[5-7].荧光分析是最方便快速的方法之一.理想的探针应该是一种对微环境变化敏感的、在胶束形成时能显著改变其荧光性质.
花菁染料一般具有大的摩尔吸光系数和高的荧光量子产率，同时也具有很好的环境敏感性.Patonay小组曾利用花菁染料作为探针，测定了蛋白质和疏水水溶液的疏水性，并利用其近红区两个吸收峰强度的比率建立了测定表面活性剂CMC的分光光度方法.
本文研究了疏水花菁染料I在几种表面活性剂溶液中的荧光行为，发现疏水花菁在非离子表面活性剂CMC前后，其荧光强度迅速达到最大并伴随显著的波长红移，对胶束的形成给予了直观的指示；单体与聚集体荧光强度之比的最大值所对应的表面活性剂浓度与文献报道的CMC值十分吻合，可据此建立一种测定非离子表面活性剂CMC值的快速、简单的荧光方法.
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
日立F-4500型荧光分光光度计(日本日立公司)，配置R3896红敏光电倍增管；pHS-3型酸度计.
表面活性剂TritonX-100，Brij-35，溴代十六烷基三甲基铵(CTAB)购自Aldrich化学试剂公司.十二烷基硫酸钠(SDS，99%)购自美国新泽西州AcrosOrganics公司.
近红区花菁I(结构见图1)根据文献合成并纯化，将其溶解于甲醇中配成8.6×10-4mol/L的储备液.pH7.3Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液由1/15mol/LNa2HPO4和1/15mol/LNaH2PO4混合配制而成.
1.2 实验方法
在10mL容量管中依次加入适量标准表面活性剂溶液，1.0mLpH7.3Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液，用水稀释至刻度.然后，加入40μl染料储备液，充分混匀.混合液在室温下放置10min后进行荧光测量.
2 结果与讨论
2.1 光谱特征
花菁在甲醇溶液中的激发和发射波长分别在765nm和800nm，如图2所示.在含有低浓度(低于临界胶束浓度，CMC)非离子表面活性剂TritonX-100的水溶液中，花菁在800nm处呈现很弱的荧光，并随Tri tonX-100浓度增加强度进一步减弱(图3，1-4)，一旦表面活性剂浓度达到CMC，荧光发射红移至818nm，并迅速增强到最大(图3，5-9).
花菁在甲醇溶液中，其吸收最大位于776nm，而在水溶液或低浓度(小于CMC)的TritonX-100溶液中，吸收蓝移至770nm；当TritonX-100浓度达到CMC时，吸收红移至792nm(光谱未给出).花菁的一种重要特性是它的聚集倾向，上述荧光猝灭和吸收蓝移表明花菁在水溶液中形成了H-聚集[13，14]；而表面活性剂浓度达到CMC时的吸收红移和荧光增强则表明表面活性剂TritonX-100胶束促使了花菁解聚，并通过抑止花菁的内转换等非辐射跃迁，大大增强了花菁的单体荧光发射.这种荧光波长以及强度的突然变化很好地指示了TritonX-100胶束的形成.
2.2 实验条件对CMC测定的影响
探针浓度的适当增加能提高花菁在CMC后的荧光强度，有利于获得准确的CMC值.但花菁浓度太高时，花菁I很难溶解在含有少量表面活性剂(低于CMC)的溶液中，而且当花菁浓度超过10-5mol/L时，荧光强度的增大并不显著.实验表明，探针浓度为3.4×10-6mol/L时，在TritonX-100浓度到达CMC时荧光突变敏锐，波长的红移也十分明显.因此，探针最终浓度选择了3.4×10-6mol/L.
花菁探针是疏水性染料，先用有机溶剂甲醇或乙醇溶解，有助于探针在水溶液中的分散.从实验结果来看，少量有机溶剂(<0.5%)对CMC测定没有明显的影响.因此本法采用加入40μl花菁储备液到10mL表面活性剂的溶液中.
实验也考察了pH和离子强度对CMC测定的影响.结果表明，在pH5-10和离子强度低于0.2mmol/L时，CMC前后荧光变化显著，测定结果准确.
2.3 一些CMC数据的估测
实验还考察了花菁I在其它几种表面活性剂溶液中的荧光行为.结果表明，对于离子型表面活性剂如溴代十六烷基三甲基铵(CTAB)和十二烷基硫酸钠(SDS)，随着表面活性剂的浓度增加荧光强度缓
慢增强，在CMC处没有明显的荧光突变；但花菁I对非离子表面活性剂体系微环境的变化很敏感，可用于非离子表面活性剂，如Brij-35的CMC值的测定(图4，B).
表1列出了利用本方法测定TritonX-100和Brij-35的CMC值，并与文献测定值进行了对照，结果基本相符.
3 结论
疏水花菁的荧光发射性质对外界微环境的变化极为敏感，在考察的两种非离子表面活性剂的CMC前后，荧光的波长和强度均发生了明显改变，直观地指示了胶束的形成，并能准确地给出其CMC值.进一步对花菁的结构进行研究和设计，有望使之适用于其它表面活性剂系统的相关研究.