（物理化学专业论文）表面活性剂囊泡形成的机理研究.pdf

摘要 摘要 囊泡是由两个双亲分子定向单层尾对尾地结合成封闭单分子双层所构成的外壳，和 壳内包藏的微水相构成。一般说来，具有大极性头基和双柔性链表面活性剂可以自发形 成囊泡。由于大多数表面活性剂的分子都不具有这样的分子结构，为了要使一般表面活 性剂能够自组装形成囊泡，则通常采用两种表面活性剂复配的方法，使两个头基结合在 一起( 如正、负离子头基相互吸引等) 以满足自发形成囊泡的分子结构要求。目前大多 数有关表面活性剂囊泡性质的研究都是采用两种表面活性剂复配的体系，并根据i s r a e l a c h v i l i 所提出的“聚集体临界堆积常数( p ) 公式和透射电镜来研究囊泡体系的性质。而 对于囊泡形成动力学以及囊泡形成的机理还研究很少。 g e m i n i 表面活性剂是由联接基以共价键将两个两亲分子单体联接而成的，它代表 了一类新型表面活性剂。大量的研究表明联接基的性质( 长度、柔韧性和化学结构) 最终决定了g e m i n i 表面活性剂在水溶液中的性质。因而在学术上以及工业上，都对它 产生浓厚的兴趣。本文所研究的g e m i n i 表面活性剂是以( c h 2 ) s 为联接基的季铵盐型 g e m i n i 表面活性剂。 本文利用停流装置研究，并结合动态光散射技术和电子透射显微镜等方法，研究普 通表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵( d t a b ) 以及等烷烃链长的季铵盐型g e m i n i 表面 活性剂与十二烷基硫酸钠( s d s ) 复配形成囊泡的过程，探索囊泡形成过程的机理，并 对单子单子表面活性剂复配体系与单子双子表面活性剂复配体系进行了比较。主要分 为以下三部分： 第一部分研究了s d s d t a b ( 十二烷基硫酸钠十二烷基三甲基溴化铵) 复配形成囊 泡的过程和囊泡破坏过程的动力学性质，并结合动态光散射技术和电子透射显微镜探索 囊泡形成和囊泡破坏过程的机理。动力学结果表明囊泡形成过程很长，但其活化能不是 很大，这意味着囊泡形成过程的控制步骤可能是表面活性剂分子的扩散所控制。而相对 于囊泡的形成，囊泡的破坏过程是十分迅速的。动态光散射技术的测量结果表明囊泡粒 径的增大过程是采用“单分散性( 分散度小) 一多分散性一单分散性( 分散度小) 一的 方式。此外，用电子透射显微镜已观测到在囊泡的形成过程中有胶团、柔性的长棒状聚 集体和球形的囊泡。因此，综合动力学、动态光散射技术和电子透射显微镜的研究结果， 推测囊泡的形成过程可能包括四个阶段：混合胶团一柔性的长棒状聚集体一“非平衡囊 泡”一平衡囊泡，而与其对应的粒度分散度则呈现“单分散性一多分散性的周期性变 摘要 化规律。 第二部分研究了s d s g e m i n i 表面活性剂( s d s 1 2 3 1 2 ，s d s 1 2 6 1 2 ) 复配体系的 囊泡形成机理。动力学结果表明囊泡形成过程是非常快，囊泡的形成更可能是采用阴、 阳离子表面活性剂胶团直接融并的方式形成囊泡。动态光散射技术的测量结果表明囊泡 粒径随时间的变化很小，其粒径分布对于s d s 1 2 3 1 2 体系是与s d s d t a b 体系类似， 呈现出“单分散性一多分散性”的周期性变化规律，但对s d s 1 2 6 - 1 2 体系则呈现出多 分散性。而用电子透射显微镜观测到的囊泡形状是非球形的，且随着联接基长度的增加， 囊泡形状呈现出“水滴 型的。因此，综合动力学、动态光散射技术和电子透射显微镜 的研究结果，推测囊泡的形成过程可能是：阴、阳离子表面活性剂胶团融并一囊泡一大 囊泡和多室囊泡一较小囊泡。 第三部分将单子单子表面活性剂复配体系与单子双子表面活性剂复配体系进行 比较，结果表明：( 1 ) s d s 1 2 3 1 2 和s d s 1 2 - 6 - 1 2 复配形成囊泡的速率比s d s d t a b 复配体系快很多，这意味着这两类复配体系的囊泡形成机理是不相同的。此外，g e m i n i 表面活性剂的联接基长度对囊泡的形成速率也有影响。( 2 ) 在s d s 1 2 3 1 2 体系和 s d s d t a b 体系中，囊泡粒径分散度随时间的变化是类似的，都呈现出“单分散性一多 分散性 的周期性变化规律，但对s d s 1 2 6 1 2 体系则观测不到这种变化规律。( 3 ) s d s d t a b 和s d s g e m i n i 表面活性剂复配体系所形成的囊泡形状是不相同的， s d s d t a b 复配体系所形成的囊泡是球形的，而s d s g e m i n i 表面活性剂复配体系所形 成的囊泡是非球形的，且联接基越长囊泡形状越靠近“水滴”型。 a b s t r a c t v e s i c l ei sc o m p o s e do fc r u s tw h i c hf o r m sf r o mc l o s e du n i m o l e c u l e - b i l a y e rt h a tc o m b i n e d 、析m m o n o l a y e r s o ft w o a m p h i p h i l i c m o l e c u l e si nt a i l - t o - t a i l o r i e n t a t i o n a l l y , a n d m i c r o h y d r o f a c i e st h a ti sc o n t a i n e dw i t h i n t h ec r u s t g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h es u r f a c t a u tw h i c h h a sb i gp o l a rh e a d - g r o u pa n dt w of l e x i b l ec h a i n sc a ns p o n t a n e o u s l yf o r mv e s i c l e s t h o u g h m o s to fs u r f a c t a n t sd o n th a v e s u c hm o l e c u l a rs t r u c t u r e ，v e s i c l e sc a l lb ef o r m e ds p o n t a n e o u s l y i n s u r f a c t a n ts y s t e m so fm i x i n gt w os u r f a c t a n t sb e c a u s ea p p r o p r i a t em o l e c u l a rs t r u c t u r e f o r m e dw h e nj o i nt w oh e a d g r o u pt o g e t h e r ( s u c ha sa t t r a c t i o no fc a t i o n i ca n da n i o n s u r f a c t a n t ) a tp r e s e n t , t h e o r yo f p a c k i n gp a r a m e t e r ( p ) ”a n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) a r ew i d e l yu s ei nm i x e ds u r f a c t a n ts y s t e m st os t u d yp r o p e r t i e so fv e s i c l e ， b u tt h e r ea r ef e ws t u d yi nk i n e t i c sa n dm e c h a n i s mo fv e s i c l ef o r m a t i o n g e m i n is u f f a c t a n t sa r em a d eu po ft w oa m p h i p h i l i cm o i e t i e sc o v a l e n t l yc o n n e c t e db ya s p a c e rg r o u p ，a n dr e p r e s e n tan e w c l a s so fs u r f a c t a n t s a c c o r d i n gt ol o t so fp a p e r s , t h en a t m e o ft h es p a c e rg r o u p ( 1 e n g t h , f l e x i b i l i t y , c h e m i c a ls t r u c t u r e ) h a sb e e ns h o w nt ob eo ft h eu t m o s t i m p o r t a n c ei nd e t e r m i n i n gt h es o l u t i o np r o p e r t i e so fa q u e o u sg e m i n is u r f a c t a n t s s ot h e ya r c a t t r a c t i n gc o n s i d e r a b l e i n t e r e s ti n t h ea c a d e m i ca n di n d u s t r i a lc o m m u n i t i e sw o r k i n go n s u r f a c t a n t s i nt h i sp a p e r , w es t u d yak i n do fg e m i n is u r f a c t a n t s - - - - q u a t e m a r ya m m o n i u m g e m i n ic o n n e c t e db yt h es p a c ec h a i no f ( c h 2 ) s ac o m b i n a t i o no f s t o p p e d f l o w , t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p ya n dd y n a m i c l i g h t - s c a t t e r i n gt e c h n i q u e sh a sb e e nu s e dt os t u d yt h ep r o c e s so fs d s d t a ba n ds d s g e m i n i m i x e ds u f f a c t a n ts y s t e m s ，a n dt h em e c h a n i s mo fv e s i c l ef o r m a t i o n , c o m p a r i s o nh a sa l s ob e e n t a k e nb e t w e e nt h e s et w od i f f e r e n tv e s i c l es y s t e m s t h e r ea r et h r e es e c t i o n si nt h i sa r t i c l e f i r s t l y , s t o p p e d - f l o wt e c h n i q u ec o m b i n e dw i t ht r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p ya n d d y n a m i cl i g h t - s c a t t e r i n gt e c h n i q u e sh a sb e e nu s e dt os t u d yt h ek i n e t i c so fv e s i c l ef o r m a t i o n a n db r e a k d o w na sw e l la st h em e c h a n i s mo fv e s i c l ef o r m a t i o na n db r e a k d o w ni ns d s d t a b a q u e o u ss o l u t i o n s t h ek i n e t i ca n a l y s i ss h o w st h a tt h ep r o c e s so fv e s i c l ef o r m a t i o nl a s t sf o ra l o n gt i m e h o w e v e r ，t h ea c t i v a t i o ne n e r g yo f v e s i c l ef o r m a t i o ni sn o tt o oh i g h , w h i c hi m p l i e s t h a tt h ec o n t r o lp r o c e d u r eo ft h ep r o c e s si si n d e p e n d e n to fa c t i v a t i o ne n e r g y i nc o n t r a s tt o t h ep r o c e s so fv e s i c l ef o r m a t i o n , v e s i c l eb r e a k u pt om i x e dm i c e l l e sa p p e a r st ob ear a p i d p r o c e s s t h er e s u l to fd y n a m i cl i g h t - s c a t t e r i n gt e c h n i q u es h o w st h a tt h ea c c r e t i o no f v e s i c l e s a p p e a r st ob cap e r i o d i c a lc h a n g eo f m o n o d i s p e r s i t y - - ) p o l y d i s p e r s i t y m o n o d i s p e r s i t y ”i n a d d i t i o n , m i c e l l e s 、f l e x i b l es t i c k s h a p e da g g r e g a t e sa n do r b i c u l a rv e s i c l e sh a v eb e e n o b s e r v e db yt e m i nc o n c l u s i o n , t h ep r o c e s so fv e s i c l ef o r m a t i o nc a nb em o d e l e da sa i i i s e q u e n c eo fd i s t i n c tp r o c e s s e s ：m i x e dm i c e l l e s f l e x i b l es t i c k - s h a p e da g g r e g a t e s - n o n - e q u i l i b r i u mv e s i c l e s e q u i l i b r i u mv e s i c l es y s t e m ，a n d t h ee v o l u t i o no fp a r t i c l e d i s p e r s i o nd e g r e ea p p e a r s t ob ea p e r i o d i c a lc h a n g eo f m o n o d i s p e r s i t y - , p o l y d i s p e r s i t y s e c o n d l y , t h em e c h a n i s mo fv e s i c l ef o r m a t i o ni ns d s g e m i n ia q u e o u ss o l u t i o n sh a sa l s o b e e ns t u d i e d 1 1 1 ek i n e t i ca n a l y s i ss h o w st h a tt h ep r o c e s so fv e s i c l ef o r m a t i o na p p e a r st ob ea r a p i dp r o c e s s ，i n d i c a t i n gt h a tc a t i o n i ca n da n i o n i cs u r f a c t a n t sm i c e l l e sd i r e c t l yf o r mv e s i c l e s b yi n o s c u l a t i o n ，n l er e s u l to fd y n a m i cl i g h t s c a t t e r i n gt e c h n i q u es h o w st h a tt h e s i z eo f v e s i c l e sc h a n g e sl i t t l ea st i m ep a s t t h ep a r t i c l ed i s p e r s i o no fs d s 1 2 - 3 1 2s y s t e mi ss i m i l a r t os d s d t a bs y s t e ma p p e a r st ob eap e r i o d i c a lc h a n g eo f m o n o d i s p e r s i t y p o l y d i s p e r s i t y ； w h e r e a s12 6 - 12 s d ss y s t e ma p p e a r so n l yp o l y d i s p e r s e n o n o r b i c u l a rv e s i c l e sh a v eb e e n o b s e r v e db yt e m ，a n da st h es p a c e rc h a i nl e n g t hi si n c r e a s e d ，t h ec o n f i g u r a t i o no fv e s i c l e s l o o k sl i k et h es h a p eo f b l o b ”i nc o n c l u s i o n , t h ep r o c e s so fv e s i c l ef o r m a t i o nw a ss p e c u l a t e d a sf o l l o w s ：c a t i o n i ca n da n i o n i cs u r f a c t a n t sm i c e l l e si n o s c u l a t e - - - v e s i c l e s - - d a r g ev e s i c l e sa n d m iv 斗s m a l lv e s i c l e s i v 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人： 年月日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子 版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校 图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有 权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用 本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：年 月日 日期：年月 日 第一章前言 第一章前言 1 1 囊泡的概述 双亲分子依靠其特殊的疏水缔合作用，在溶液中可以形成多种形式的分子有序结 构，其中一种表现为双分子层的形式。双分子层即层状胶团，其基本结构就像两把牙刷 毛对毛地合在一起，“毛一代表表面活性剂疏水型l j ( 如图1 1 - a ) 。当双分子层聚集结 构在水溶液中形成时，为避免双层边缘处成膜分子的碳氢基与水相接触，以便降低体系 的能量，双层有可能弯曲，边缘自行闭合，就形成了一种新的结构【2 】( 如图1 1 b ) 。如 果这些双亲分子是天然表面活性剂卵磷脂，则形成的结构就称为脂质体；若由合成表面 活性剂组成，则称之为囊泡p j 。 1irt t 丌丌t t l l rt t 丁tt tt r n l tt t l t n 卫且且且且| 上且且i u 且且且 ab 图1 1双分子层( a ) 与单室囊泡( b ) 如果只有一个封闭双层包裹着水相，称为单室囊泡。多室囊 泡则由多个双亲分子封闭双层成同心球式的排列，不仅中心部分 而且各个双层之间都包含水【4 】( 如图1 2 ) 。囊泡的形状多为大致 球形、椭球形或扁球形，也曾观察到管状囊澍5 1 。囊泡的大小一 般为3 0 n m n lum ，据报道，也有达到2 0 um 的巨形囊泡m 。 图1 2 多室囊泡 上世纪六十年代b a n g h a m 和h o m e 8 】率先进行了囊泡的研究工作，1 9 6 5 年b a n g h a m 等【9 】将干磷脂分散于水中制得了多室囊泡，这标志着人工制备囊泡研究的开始。1 9 7 7 年k u n i t a k e 等【1 0 l 首次以全人工合成表面活性剂双十二烷基二甲基溴化铵制得了囊 泡，带动了这一方面研究工作的迅速发展。 第一章前言 1 1 1 囊泡的性质 ( 1 ) 稳定性 囊泡分散液与胶团溶液不同，它不是均匀的平衡体系，而是表面活性剂的有序组合 体在水中的分散体系，其分散相的尺寸在胶体分散的范围。它只是具有暂时的稳定性， 有的可以稳定几周，甚至几个月。这是因为形成囊泡的物质在水中的溶解度很小，迁移 的速度很慢。而且，相对于层状结构，囊泡结构具有熵增加的优势。已经发现，多室囊 泡越大越稳定。有时也可以采用可聚合的表面活性剂，在形成囊泡后进行聚合，以增强 囊泡的稳定性【l l 】。近来发现，通过复配而自组装形成的囊泡一般是稳定体系。 ( 2 ) 包容性 囊泡的一个重要特性是能够包容多 种溶质。它可以按照溶质的极性把它们 包容在不同部位【1 2 】( 如图1 3 ) 。一般地， 较大的亲水溶质包容在它的中心部位。 小的亲水溶质包容在它的中心部位及极 性基层之间的区域，即各个“水室之 中。疏水溶质则在两亲分子双层的碳氢 链夹层之中。本身就具有两亲性的分子， 例如胆固醇、脂蛋白之类的化合物，可 插到定向的双层中形成混合双层。这种 包容作用是囊泡多种应用的基础，能使 囊泡具有同时运载水溶性和非水溶性药 物的能力。 1 1 2 囊泡的制备 - 五匝匝三：苎互缸；9 大增性极极性增大 图1 3 囊泡溶液的9 个区域 图下方标注各区域极性大小，区域5 的极性最小 制备囊泡的方法有多种，比较传统的有溶胀法、乙醚( 醇) 注射法和超声法。 ( 1 ) 溶胀法 溶胀澍1 3 1 是最简单的制备囊泡的方法，它是让双亲化合物在水中溶胀，自发形成囊 泡。例如，将磷脂溶液涂于锥形瓶内壁，待溶剂挥发后形成磷脂膜附着在瓶上。然后加 水于瓶中，磷脂膜便自发卷曲，形成囊泡进入溶液中。 ( 2 ) 乙醚注射法 乙醚注射法是将双亲化合物制成乙醚溶液，然后注射到水中，除去有机溶剂即可形 2 第一章前言 成囊泡。反过来，将水溶液引入磷脂的乙醚溶液中，再除去有机溶剂，能制备多室脂质 体囊泡。 ( 3 ) 超声法 有的双亲分子不能自发形成囊泡，但可以在超声条件下形成。这样制备的囊泡多为 大小不一的多室囊泡。将其压过孔径由大到小的系列聚碳酸酯膜，可以得到尺寸较小和 分散性较好的多室囊泡。另外，多室囊泡经凝胶过滤或经挤压小孔可得到单室囊泡【4 】。 1 1 3 囊泡的表征【3 1 囊泡的表征有很多方法，如透射电镜、光散射法、葡萄糖捕获法以及流变学方法等。 ( 1 ) 透射电镜 透射电镜是最直观的一种方法，利用这种方法可以直接得到各种囊泡的照片，其缺 点是费用高且操作复杂。 ( 2 ) 光散射法 光散射法的操作相对简单得多，它分为静态光散射和动态光散射，可以与透射电镜 相结合，在确认囊泡存在的前提下，准确地给出其半径，并可以跟踪监测其变化。在越 来越多的自发形成囊泡的报道情况下，光散射可以通过粒径的变化确认囊泡的存在。 ( 3 ) 葡萄糖捕获法 葡萄糖捕获法可以测定出囊泡的增溶量。 ( 4 ) 流变法 流变法可以通过胶束、囊泡和虫状胶束流变性质的差别反映其结构的变化。 1 1 4 囊泡的应用1 1 】 ( 1 ) 生物膜 也许可以说活体的最重要的特征都与生物膜有关。它在诸如离子迁移、免疫识别等 过程都起重要作用。它由三部分组成，主体是由磷脂和蛋白质组成的混合定向双层。双 层的外表面附有糖朊层，具有细胞的表面识别功能。双层的内表面则带有由蛋白质分子 交链而成的网。它锚接在混合双层的蛋白质分子上，给膜一定程度的刚性。 由此可见，囊泡是研究和模拟生物膜的最佳体系。对囊泡的研究有助于认识生物膜 的奥秘，也提供了通过仿生发展高新技术的途径。 ( 2 ) 药物载体【1 和1 7 1 脂质体分散液静脉注射后可在循环系统中周游人体，并优先为某些器官，例如肝和 脾所吸收。此种特性启发人们利用囊泡来设计药物输送体系。基本操作是：将水溶的和 第一章前言 不溶的药物包容在囊泡中，通过静脉注射把药物送到靶器官。此方法有下列优点【m 1 9 1 ： 形成囊泡的磷脂无毒，可以生物降解： 脂质体在循环系统中存留的时间比单纯的药物长效，脂质体慢慢降解释放出药物 使显效期延长； 在脂质体表面附加上特殊的化学基团，可以使药物导向特定器官，并且大大减少 用药的剂量： 药物被包裹在脂质体中可防止酶和免疫体系对它的破坏。 在许多方面，物理化学研究已为脂质体包裹药物作出贡献。例如应用可聚合两亲分 子形成脂质体以增加稳定性；在相转变温度以上，多室脂质体中药物扩散出来的速率比 在相转变温度以下时要快得多，以及各种制备脂质体的方法等。另外，包裹了药物的脂 质体还可以进行冷冻干燥，成为便于存放的固体粉末。使用时加入溶剂而方便地得到囊 泡分散液。这些都是当代药物科学与技术的前沿领域。可以预见，脂质体药学在医药科 学中将继续是一个非常活跃的领域。 ( 3 ) 反应微环鲥2 睨1 】 囊泡的9 个区域( 如图1 3 ) 能为对环境极性有不同要求的成分提供相应的微环境， 使得特殊反应可以顺利进行。例如一些在水中起作用的微生物的功能常常因存在有机溶 剂而受到抑制，而这些有机溶剂又为溶解烃类或其它不溶于水的反应成分所必须的。如 果用囊泡则可解此难题，亲水溶质包容在它的中心部位及极性基层之间的区域，疏水溶 质则在各个两亲分子双层的碳氢基夹层之中，这就使对环境极性有不同要求的成分各得 其所，而且有相互接触进行反应的机会。 1 2 囊泡的自发形成 之前介绍了一些传统的囊泡制备方法，但这些方法操作起来都非常麻烦，而且靠机 械作用形成的囊泡都是亚稳定的，机械力除去后，囊泡膜的曲率会丧失，导致囊泡的形 变。在8 0 年代，有关囊泡的报道非常多，但后来的一段时间里却出现了空白，主要就 是因为囊泡体系的不稳定性使人们失去了兴趣和信心。 后来，人们发现当向表面活性剂溶液中加入一种助表面活性剂如长链醇时，确实有 双层囊泡脂质体的形成。随后的研究表明，一种表面活性剂和另一种添加的双亲分子会 自发形成囊泡，甚至某些具有双链的双亲分子本身就会自发形成囊泡。这种自发形成的 囊泡与传统的外加功形成的囊泡相比，制备方法简单，稳定性好，特别是复配体系，其 4 第一章前言 尺寸、电荷密度和渗透性等可以通过改变两种表面活性剂的链长或相对量来调控，这使 得自发形成囊泡的研究引起人们的极大兴趣。 1 2 1 单组分体系 不需要复配，分子本身在水溶液中就可以自发形成囊泡的主要是某些具有双链结构 的表面活性剂。尽管在19 7 7 年k u n i t a k e t l 0 】的成果就表明具有双链结构的双亲分子可以 形成囊泡，随后有关这方面的许多研究也证实了这点，但是这些体系都需要对其进行超 声来形成囊泡，而且所形成的囊泡体系并不稳定。 直到1 9 8 3 年，t a l m o n 2 2 等在没有借助任何外加功的条件下，从d d a o h ( 双十二 烷基二甲基氢氧化铵) 中得到了自发形成的囊泡，之后有关这类单头基双尾链表面活性 剂自发形成囊泡的研究又取得了一些成果1 2 3 - 2 f 1 。 另一类有关这方面的研究热点就是偶联表面活性剂( g e m i n i ) ，也叫双子表面活性 剂。g e m i n i 是二聚表面活性剂，其分子中含有两个疏水链、两个亲水头基和一个柔性或 刚性的联接基，常见的联接基有聚亚甲基、聚氧乙烯基等柔性基及芳基等刚性基团或杂 原子等，可以是亲水性的，也可以是疏水性的( 如图1 4 ) 。已发现许多g e m i n i s 在一定 条件下均可自发形成囊泡【2 2 】。 此外，一些高分子聚合表面活性剂自发形成囊泡的体系也有报道【3 ”5 1 。 长碳链离子头基联接基 - 离子头基长碳链 图1 4g e m i n i 表面活性剂分子结构示意图 1 2 2 复配体系 迄今为止，已经从一些不同的复配体系中得到自发形成的囊泡，如阳离子与阳离子 表面活性洲3 7 】；两性表面活性剂与阴离子表面活性剂1 3 8 l ；离子表面活性剂与非离子表 面活性剂3 9 4 2 】；单链表面活性剂与全氟表面活性剂【4 3 1 以及阴、阳离子表面活性剂混合物 4 4 - 6 5 1 。其中研究最多的是阴、阳离子表面活性剂混合物。 1 9 8 9 年，k a l e r 等【5 3 】从阴阳离子表面活性剂复配体系中得到了自发形成的囊泡，带 5 第一章前言 动了相关研究的迅速开展。t o n d r e 和c a i l l e t 对这方面的研究作了详细的归纳【6 6 1 。国内在 这方面的研究也取得了一些成果6 7 7 5 】。由于阴、阳离子表面活性剂复配是由简单表面活 性剂制备囊泡的一条有效途径，因而成为研究自发形成囊泡的热门课题。 囊泡作为最理想的膜模拟体系，有着广阔的应用前景。特别是自发形成囊泡的出现， 使我们能够更自如地用合成表面活性剂形成所需要的囊泡，而且我们可以通过调节阴阳 离子表面活性剂的比例来控制囊泡表面的电荷，以适应不同的囊泡催化研究的要求；可 以用聚合物包裹的方法来进一步提高它的稳定性；可以用不同的表面活性剂形成各种囊 泡并对囊泡的性质进行研究；还可以将酶增溶进去来研究其寿命和超活性。总之，自发 形成的囊泡为胶体缔合结构的研究注入了新的活力1 3 1 。 6 第二章理论部分 第二章理论部分 2 1 堆积参数 堆积参数理论是研究表面活性剂在水溶液中形成各种有序组合体时最常用到的概 念，被广泛地应用在自发形成囊泡的理论解释中。 t a n f o r d 7 6 1 认为存在两种相反的力控制自组织过程或聚集过程：碳氢水相互作用促 进聚集过程和作用效果相反的端基一水相互作用。i s r a e l c h v i l e 7 刀和其他一些研究者将 t a n f o r d 的这个基础理论进行了量化，得到了表面活性剂缔合受表面活性剂分子平衡尺 寸控制的观点。简言之，对表面活性剂聚集的几何学处理使总自由能与三个关键的分子 几何特征相关联：表面活性剂或端基占据的最小面积a o ；疏水尾链的体积v ；在 “流体”环境下( 例如胶核) 伸直尾链的最大长度z 。 为了更直观地说明分子构型对自组装体形状的影响，i s r a e l c h v i l i 提出了临界堆积参 数p c 的概念： 2 毒 表2 1 由表面活性剂临界堆积参数只预示的聚集体特征 见表面活性剂类型分子形状预示的聚集结构 模拟的聚集体结构模型 具有相对小的端 1 3 基的简单表面活 性剂或者大量电 1 2 解质存在下的离 子型表面活性剂 球形或椭球形胶 柬 相对人的柱状或 棒状胶束 对 单 相 简 剂 及 的 性 链 基 活 单 端 面 有 的 表 具 大 乃g 第二章理论部分 一 口 平面迮续以 ，陬 n 什反相胶h 、 由表2 1 可以看出，分子形态不同，聚集体的特征就不同，则表面活性剂临界堆积 参数只也不同。囊泡是典型的自组装体，要形成囊泡，两亲分子的临界堆积参数在l 2 1 之间，分子结构应为大头双尾的平头锥形。此后一些小组【7 8 7 9 】，将这种经验公式推广 到多种表面活性剂的混合体系，提出有效堆积参数尸谚 = ( 与l c a o = 丽z l , ，i x i 其中a ，、v ，和x 分别是第i 组分的头基占据的最小面积、疏水尾链的体积和在混合 聚集体中的摩尔百分含量；，则是烷烃链最长组分的烷烃链长度。 根据这个公式我们就可以预测一些表面活性剂的混合体系的聚集形态。 m a s a n i k o 等【3 j 提出了一个很有意思的囊泡形成模型来说明表面活性剂分子的几何 形状对水溶液中聚集体形状的决定作用。双链分子双十二烷基双二甲基溴化铵简写 作：d d a b ，是圆柱状的，相应地形成层状双层，十二烷基硫酸钠( s d s ) 分子是圆锥状的， 因而形成球状胶束。进一步增加d d a b 极性头基的横截面积，如将d d a b 的反离子 换为o h 一，这时分子形状为平头锥形( 杯状) ，则自发形成囊泡。而将d d a b 与s d s 混合，办能自发形囊泡，其原因是在d d a b s d s 界面上存在着离子对，这意味着为准 第二章理论部分 三链表面活性剂，导致了杯状结构的形成，从而产生囊泡聚集体，如图2 1 。 由于大多数表面活性剂的分子都不具备o 5 p c 1 的分子结构，为了要使一般表 面活性剂能够自组装形成囊泡，则必须采用两种表面活性剂复配的方法，使两个头基结 合在一起( 如正、负离子头基相互吸引等) 以满足o 5 p c l 的分子结构要求。虽然 有的实验结果难以用此理论解释，但就大多数情况它还是具有较好的指导意义，已为很 多人所接受。 d d 衄 c l 】pl i k es t r u c t u r e 图2 1 表面活性剂的几何结构示意图 2 2 相行为 在阴阳离子表面活性剂混合溶液中，随着浓度的增大，相继出现各种形状和尺寸的 胶团、囊泡、双水相、液晶等多种分子有序聚集体，在某些区间也出现沉淀。这些复杂 的相行为与构成混合体系的阴阳离子表面活性剂分子结构有关。阴阳离子表面活性剂疏 水链长度是否对称对混合体系的相行为和微观结构有着重要的影响。 2 2 1 两种表面活性剂链长相等 k a t h l e e n 掣5 4 l 对较低浓度下d t a b s d s ( 十二烷基三甲基溴化铵十二烷基硫酸钠) 水溶液混合体系的相行为作了详细的研究，由相图( 如图2 2 ) 可以看出在所研究的浓 度范围内体系中存在着胶团、囊泡、双水相和沉淀区等。该体系中出现了多分散的多层 囊泡，但囊泡相区非常狭窄，在其它较大的区域内则出现表面活性剂的晶型沉淀。 m a r q u e s 等1 6 1 】研究了较低浓度下d d a b s d s ( s r 十二烷基双二甲基溴化铵十二烷 基硫酸钠) 水溶液混合体系的相行为( 如图2 3 ) ，该体系与d t a b s d s 体系的不同点在 9 第二章理论部分 于d d a b 是双链表面活性剂。比较两个相图，可以看到d d a b s d s 体系同样也存在胶 团、囊泡、沉淀及多相区，而且两个相图中不同相行为的区域划分大致相同，但d d a b s d s 体系的囊泡区相对更大一些。这可能是由于d d a b 的双链结构使它的疏水尾链的 体积，大于d t a b ，而头基占据的最小面积a o 和伸直尾链的最大长度，c 又是相同的， 导致其堆积参数p 更容易达到囊泡形成的范围，从而使该体系的囊泡相区有所扩大。 鳓臼讯鱼 图2 22 5 1 2 时s d s d t a b h 2 0 三相图【蚓 m ：m i c e l l e s ；v v e s i c l e s ；l ：l i q u i d ；s ：p r e c i p i t a t e 另外，类似的研究还有g e m i n i 表面活性剂六亚甲基口，双二甲基十二烷基 溴化铵( 简写为1 2 6 1 2 ) 与s d s 的混合体系【4 引，其中g e m i n i 表面活性剂1 2 6 1 2 是一 种双头基双尾链的表面活性剂，它就像是两个d t a b 分子通过碳氢链将两个头基连接起 来，因此1 2 辱1 2 的疏水尾链体积 ，和头基面积口0 都大于d t a b 。由于 ，、a o 对堆积参 数p 的影响作用正好是相反的，所以就这方面来看，1 2 6 - 1 2 s d s 体系与d t a b s d s 体 系的相行为应该区别不大，实验结果也证实了这点( 如图2 4 ) 。 1 0 第二章理论部分 图2 32 5 c 时s d s d d a b h 2 0 三相1 5 6 1 】 b l u ：b l u i s h ；t u r b ：t u r b i d ；s o l ：s o l u t i o n ；l a m ：l a m e l l a rp h a s e ；c r y s t ：c r y s t a l s 1 玉事 2 o a 4 o 屠 味暑 幻 s o s 1 5 2 43 0 c1 对1 2 6 - 1 2 s d s h 2 0 三相刚4 8 1 l + ：g e m i n i r i c hm i c e l l a rs o l u t i o n ；p p ：p r e c i p i t a t e ；m p ：m u l t i p h a s er e g i o n ( t h r e e - p h a s e ) ；c s ：c a t a n i o n i cs u r f a c t a n t ；l ：l i q u i dp h a s e ；v ：v e s i c l e s o l u t i o n ：l - ：s d s r i c hm i c e l l a rs o l u t i o n 第二章理论部分 2 2 2 两种表面活性剂链长不相等 当两种表面活性剂链长不相等时，存在平衡的囊泡相，这较层状液晶，晶型沉淀等 更稳定，且其囊泡相区较等链长的囊泡区更大，如y a t c i l l a 等【5 5 】研究的c t a b s o s ( 十 六烷基三甲基溴化铵辛基硫酸钠) 体系，从相图( 如图2 5 ) 可以清楚地看出这点，并 且由于不对称的链长不易形成晶格，所以沉淀相减少，只有在较高浓度或等摩尔比时出 现沉淀。关于该体系还有许多更为深入的研究【5 2 ，6 2 , 钏。 5 0铷408 0l 图2 52 5 c 时s o s c t a b h 2 0 三相图【5 5 1 v ：v e s i c l e s ；r ：r o d l i k em i c e l l e s ；m ：s o s r i c hm i c e l l e s ；i ：s o s r i c h m u l t i p h a s er e g i o n ；v + l r ：s o s - r i c hv e s i c l e sa n dl a m e l l a r p h a s e s 1 2 第二章理论部分 2 3 囊泡形成过程模型 迄今为止，虽然对于双分子层的迁移以及溶质的传送这两个动力学过程都已研究得 十分清楚，但是关于囊泡的自发形成却还处于探索阶段。这主要是因为胶团形成动力学 与囊泡形成动力学有着很大的不同，大部分胶团体系形成的时间都在1 s 以内，而平衡 囊泡体系的形成时间范围从几秒钟到几个月不等，因此囊泡形成过程是相对缓慢的，探 究这一缓慢的演化过程成为囊泡研究中的又一热门课题。 目前，囊泡的自发形成大多是通过阴阳离子表面活性剂复配而得到的，所以对于动 力学过程的研究也主要是针对这种复配体系。囊泡的形成过程会伴随着溶液浊度的交 化，一般溶液会由澄清变为蓝色浊光，囊泡浓度增大则浊度也会变大，同时，溶液中粒 子的粒径也会增大。因此，关于囊泡形成过程的研究方法主要包括光散射法、停流法和 透射电镜，其中最直观的方法就是用透射电镜即时观测。 o c o n n o r 等【删根据体系浊度变化并结合动态光散射技术研究了c t a b s o s ( 十六 烷基三甲基溴化铵辛基硫酸钠) 和d t a b s d s 体系，并提出了阴阳离子表面活性剂自 发形成囊泡过程的模型( 如图2 6 ) ，同时对其中几个基本步骤的时间范围作了大致的概 括，具体如下： c t a bm i c e l l e s + s o sm o n o m e r s - m i x e dm i c e l l e s ( i nl e s st h a n1m s ) m i x e dm i c e l l e s f l o p p yb i l a y e ra g g