1 引言
液液相分离体系因其独特的富集与分相特性, 不仅能够实现对污染物的高效富集分离, 而且与油水分离体系不同, 液液相分离体系采用全水相体系避免了有机溶剂的使用, 在污染物分离领域展现出显著优势[8-13]. Olson课题组[14]开发的基于聚硫辛酸酯的液液相分离体系, 展现出对水中高浓度典型污染物优异的分离去除效率和材料的可循环性, 尤其适用于水中中性富π电子化合物和多电荷阴离子芳香污染物的高效去除. 该凝聚相对塑料组分双酚A、药物残留缬沙坦和工业染料荧光素的分离去除效率均超过了98%, 而商业化活性炭在相同条件下对上述三种污染物的去除率仅分别为86%、22%和76%. Wang课题组[15]构筑的基于N,N'-双(十二烷基二甲基)-1,6-己烷溴化铵(12-6-12)/聚丙烯酰胺液液相分离体系, 实现了对甲基橙高效选择性分离. 经该凝聚相改性的石英砂和密胺泡沫不仅展现出对甲基橙优异的吸附性能, 并且通过简单的pH调节即可实现染料解吸和材料再生. 进一步研究发现, 将双子表面活性剂改性为包含亚胺键的动态共价表面活性剂后, 利用其pH响应特性, 成功实现了对刚果红等阴离子染料的可控捕获与释放, 同时赋予体系可重复利用性[16]. 基于表面活性剂的液液相分离体系, 能够通过静电、疏水、氢键以及π-阳离子等相互作用实现有机物的富集分离. 相较于高分子凝聚相, 表面活性剂凝聚相不仅对污染物增溶能力更强, 还具有分子结构简单、易于降解等优点[17-18]. 因此, 发展基于表面活性剂的液液相分离体系成为废水处理领域极具发展前景的新技术.
利用表面活性剂与带相反电荷的有机盐之间的相互作用构筑液液凝聚相, 是目前较为常用的一种策略, 该方法依赖于体系中多种相互作用力的精确调控与平衡. He课题组[19]研究了脂肪酸盐与带相反电荷的有机 盐多巴胺之间的相互作用, 揭示了通过调控分子排布来促进液液凝聚相形成的机制. 当多巴胺嵌入脂肪酸盐的疏水区域时, 由于静电和疏水相互作用, 诱导体系形成液液凝聚相; 而当多巴胺分布于脂肪酸盐疏水区域之外时, 体系则以静电作用和氢键作用为主, 导致体系形成结晶结构. 双子表面活性剂由于聚集能力强、作用位点多, 使其与小分子有机盐之间的相互作用和聚集行为更易于调控, 从而有利于在较低浓度下就可构筑得到液液凝聚相. Jendric课题组[20]发现胆酸盐可与阳离子双子表面活性剂12-6-12形成液液凝聚相, 而与单链表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)则无法实现相分离. 这是由于12-6-12与胆酸钠之间更强的协同作用拉近了胆酸钠之间的距离, 使得胆酸钠分子之间通过氢键相互作用形成二聚体, 该二聚体的形成促进了液液相分离的发生. Wang课题组[21]进一步研究了12-6-12与阴离子有机盐苯甲酸钠盐发生液液相分离的机制. 在该混合体系中, 苯甲酸盐通过与季铵盐头基之间的静电吸引以及与疏水尾链之间的疏水相互作用插入到12-6-12胶束的疏水微区, 促使表面活性剂球形胶束转变为蠕虫状胶束. 随着体系净电荷逐渐减少, 蠕虫状胶束相互缠结成网络状结构, 最终形成液液凝聚相. 此外, 该课题组还通过研究手性阳离子双子表面活性剂1,4-双(十二烷基-N,N-二甲基溴化铵)-2,3-丁二醇(12-4(OH)₂-12)与带相反电荷的手性扁桃酸盐的相互作用, 揭示了手性调控在液液凝聚相形成中的作用机制[22]. 研究发现仅通过调控表面活性剂的手性, 便可显著影响体系的相行为, 分别在外消旋体、对映异构体和内消旋体中组装形成蠕虫状胶束、液液凝聚相和水凝胶这三种不同的网络结构, 这主要归因于联结基团上两个手性羟基之间不同的分子间和分子内氢键相互作用. 尽管这三种聚集体具有相似的微观结构, 但固态水凝胶和液态蠕虫状胶束都表现出较低的水合能力且缺乏对溶质的包埋能力, 而液液凝聚相同时表现出对多种溶质优异的富集能力以及非常强的水合能力, 该研究结果也进一步凸显了液液凝聚相在物质富集包载等方面独特的优势. 目前, 基于该策略构筑的表面活性剂液液相分离体系已在化合物分离提纯、农药控释等领域展现出良好的应用前景, 通过分子设计进一步拓展体系功能是当前研究的重要方向. 环糊精因其特有的疏水空腔结构, 能够与多种客体分子形成复合物, 这一主客体相互作用有望与已有的静电、疏水等相互作用协同增强体系性能[23-26]. 若能够通过在有机盐结构中引入环糊精基团作为主客体作用位点, 有望赋予液液相分离体系特异性识别、选择性分离富集等更加丰富的功能, 为开发新一代智能分离材料和可控释放系统提供新思路.
磺丁基-β-环糊精钠盐(SBE-β-CD)是一种易于制备且用途广泛的环糊精衍生物. 其分子结构由环糊精骨架与两个四亚甲基磺酸钠基团连接而成, 具有优异的生物相容性, 已在FDA批准的13种注射剂和众多临床候选药物中使用(图1)[27-29]. 本研究将SBE-β-CD与系列阳离子双子表面活性剂12-s-12进行分子组装, 成功构筑得到了液液相分离体系. 系统考察了双子表面活性剂联接基团长度对液液凝聚相形成的影响规律, 并通过多种表征手段分析了混合体系中分子间相互作用, 从而进一步阐明了液液相分离的形成机制. 在此基础上, 探究了该体系对水中典型有机染料的富集与分离效果. 这不仅加深了对液液凝聚相形成机制的理解, 也为其环境治理和药物递送等领域的拓展应用奠定了重要基础.
2 结果与讨论
2.1 SBE-β-CD与阳离子双子表面活性剂形成液液凝聚相的条件
将SBE-β-CD溶液浓度分别固定在0.05, 0.25, 1.00和2.50 mmol•L−1, 逐渐向溶液中加入阳离子双子表面活性剂12-6-12, 研究了混合体系浊度值随12-6-12浓度的变化, 结果如图2所示.
图2 SBE-β-CD/12-6-12体系浊度随12-6-12浓度的变化曲线. SBE-β-CD浓度分别固定为0.05 mmol•L−1和0.25 mmol•L−1 (a), 1.00 mmol•L−1 (b)以及2.50 mmol•L−1 (c). (d)复合体系形成的白色乳状液显微镜照片Figure 2 Turbidity curves of SBE-β-CD/12-6-12 systems as a function of 12-6-12 concentration. The concentration of SBE-β-CD is fixed at 0.05 mmol•L−1 and 0.25 mmol•L−1 (a), 1.00 mmol•L−1 (b), and 2.50 mmol•L−1 (c), respectively. (d) A microscopic photograph of the white solution formed by the complex system |
在所研究的浓度范围内, SBE-β-CD水溶液均呈澄清透明状(见支持信息图S1(a)), 浊度值接近于0. 如图2(a)所示, 当SBE-β-CD浓度固定在0.05 mmol•L−1时, 随着12-6-12浓度的增加, 混合溶液的浊度先是维持较低值, 随后在达到某一临界浓度后迅速升高, 达到峰值后又快速下降, 最终再次进入低浊度平台区, 对应溶液重新变为澄清透明(图S1(f)). 当SBE-β-CD浓度由0.05 mmol•L−1增大至0.25 mmol•L−1后, 混合体系浊度曲线呈现相同的变化趋势, 但体系浊度增大后的浊度值更高. 浊度峰由0.05 mmol•L−1时的113增大至0.25 mmol•L−1时的897, 相应的溶液状态也由略显浑的半透明溶液变为白色的不透明乳状液(图S1(d)). 浊度升高提示可能发生了相变, 为了确认其是否为液液相分离, 采用光学显微镜进行表征, 结果可见图2(d), 该乳状液中形成了不溶于水的微米级液滴, 证实体系在此条件下成功形成了液液凝聚相. 值得注意的是, 当SBE-β-CD浓度为0.05和0.25 mmol•L−1时, 混合体系的浊度峰值分别出现在12-6-12浓度为0.10和0.50 mmol•L−1处, 对应的物质的量比为2∶1, 表明在该比例下12-6-12和SBE-β-C达到电中性点.
当SBE-β-CD浓度增大至1.00 mmol•L−1后, 混合体系浊度曲线在到达最高值后进入平台区(图2(b)), 此时混合溶液呈白色乳状液. 随着12-6-12浓度进一步增加到达临界浓度后, 浊度迅速下降并回到较低值平台区. 当SBE-β-CD浓度继续升高至2.50 mmol•L−1时, 混合体系浊度在到达最高值后进入平台区并保持稳定, 继续增大12-6-12浓度至18.00 mmol•L−1, 仍未出现浊度下降的趋势, 表现出更强的稳定性.
在进一步研究中, 将SBE-β-CD浓度固定在更多不同的浓度值, 考察了混合体系浊度值随12-6-12浓度以及另一种具有更短间隔的阳离子双子表面活性剂12-3-12浓度的变化趋势, 结果分别如图3(a)和(b)所示. 从图3可以看出, SBE-β-CD/12-6-12与SBE-β-CD/ 12-3-12混合体系浊度随阳离子双子表面活性剂浓度的变化趋势基本一致. 不同之处在于, 当SBE-β-CD固定在相同浓度时, SBE-β-CD/12-6-12体系的浊度曲线在达到峰值后平台区覆盖的12-6-12浓度范围显著宽于SBE-β-CD/12-3-12体系. 此外, 当SBE-β-CD浓度增大至2.50 mmol•L−1时, SBE-β-CD/12-3-12体系浊度在最大值平台区后仍会下降并重新回到较低值平台区, 而SBE-β-CD/12-6-12体系浊度则可在最大值平台区保持稳定, 未出现浊度下降趋势.
图3 固定SBE-β-CD浓度值, SBE-β-CD/12-6-12 (a)以及SBE-β-CD/ 12-3-12 (b)复合体系浊度随阳离子双子表面活性剂浓度的变化曲线. (c) SBE-β-CD/阳离子双子表面活性剂混合体系形成液液凝聚相的浓度区间Figure 3 Turbidity curves of SBE-β-CD/12-6-12 (a) and SBE-β-CD/ 12-3-12 (b) systems as a function of gemini surfactant concentrations, with fixed SBE-β-CD concentrations. (c) Concentration range for coacervate formation in SBE-β-CD/gemini surfactant mixed systems |
以浊度值达到400作为相边界判定标准, 分别确定了SBE-β-CD/12-6-12和SBE-β-CD/12-3-12混合体系形成液液凝聚相的相区间, 结果如图3(c)所示. 从该相图中可以看出, SBE-β-CD/12-6-12体系形成液液凝聚相的浓度范围比SBE-β-CD/12-3-12体系更大, 这表明SBE-β-CD与12-6-12复配更容易构筑液液凝聚相.
2.2 SBE-β-CD/12-6-12混合体系的聚集行为及分子间相互作用
以SBE-β-CD/12-6-12混合体系为代表, 固定SBE-β-CD溶液浓度为1.00 mmol•L−1, 通过浊度、ζ-电位和冷冻透射电镜(Cryo-TEM)等多种表征手段, 研究了混合体系在不同12-6-12浓度下的聚集行为.
如图4(a)所示, 根据复合体系浊度曲线, 可将体系中的分子聚集过程分为5个阶段, 且图4(b)中聚集体ζ-电位随12-6-12浓度变化规律恰好能够与之对应. 五个阶段的混合溶液状态照片如图S1(a~f)所示, 相邻阶段之间的边界浓度分别为0.65、0.89、4.76和6.36 mmol•L−1, 分别将上述四个浓度记为C1、C2、C3和C4. 当C12-6-12<C1时, 此时混合体系处于区间I, 溶液浊度维持很低的值, 体系中以SBE-β-CD为主导成分, 形成表面带负电的球形聚集体(图4(c)). 在该区间内, 12-6-12的加入促进了SBE-β-CD分子在聚集体中紧密排布, 从而使得聚集体表面负电荷密度增大, ζ-电位也相应变为绝对值更大的负值. 当C1<C12-6-12<C2时, 混合体系处于区间II, 体系中SBE-β-CD分子所带负电荷逐渐被12-6-12所带正电荷中和, 体系净电荷减少, 导致溶液浊度随C12-6-12增加而急剧上升. 通过图4(d)所示的Cryo-TEM结果可知, 体系中多个球形聚集体之间相互聚集并融合在一起, 形成更大尺寸的缠绕锁链状聚集体. 此时, 锁链状聚集体表面的分子排布密度相比区间I形成的球形聚集体更高, 聚集体表面的ζ-电位绝对值继续增大并达到最大值, 且大尺寸聚集体之间的静电斥力阻止了进一步的融合聚并, 使溶液依旧保持均相. 当C2<C12-6-12<C3时, 混合体系处于区间III, 体系中正负电荷相抵, 净电荷接近于0. 在该条件下, 大尺寸锁链状聚集体之间相互缠绕、融合, 形成大量不溶于水的凝聚相液滴, 使得混合体系溶液呈现白色乳液状态. 久置之后, 凝聚相液滴之间相互融合, 即可观察到宏观液液相分离现象. 当C3<C12-6-12<C4时, 混合体系处于区间IV, 此时体系中12-6-12占主导, 其所带正电荷逐渐累积, ζ-电位为较大的正值, 使得宏观液滴之间静电排斥力增强, 重新形成了缠绕锁链状聚集体(图4(e)). 当C12-6-12>C4时, 混合体系处于区间V, 此时混合体系中12-6-12过量更多, 聚集体之间的静电排斥力进一步增强, 促使锁链状聚集体重新转变为球形聚集体(图4(f)). 由于球形聚集体所含12-6-12增多, 表面分子间静电斥力增强, 导致分子排布密度相比锁链状聚集体要更小, 表面电荷密度降低, 因此该区间内聚集体ζ-电位值低于区间IV, 为较小的正值.
图4 固定SBE-β-CD浓度为1.00 mmol•L−1, SBE-β-CD/12-6-12体系的浊度(a)以及聚集体ζ-电位(b)随12-6-12浓度的变化曲线. 1.00 mmol•L−1 SBE-β-CD分别与以下浓度12-6-12混合后聚集体的Cryo-TEM照片: 0.25 mmol•L−1 (c); 0.70 mmol•L−1 (d); 5.00 mmol•L−1 (e); 7.50 mmol•L−1 (f)Figure 4 Turbidity (a) and ζ-potential (b) variation curves of the SBE-β-CD/12-6-12 system as a function of 12-6-12 concentration, with the SBE-β-CD concentration fixed at 1.00 mmol•L−1. Cryo-TEM images of the aggregates formed by mixing 1.00 mmol•L−1 SBE-β-CD with 12-6-12 at concentrations of 0.25 mmol•L−1 (c), 0.70 mmol•L−1 (d), 5.00 mmol•L−1 (e) and 7.50 mmol•L−1 (f) |
值得注意的是, 在区间I内, 混合体系的浊度始终处于平台区, 这意味着12-6-12和SBE-β-CD之间的结合以主客体相互作用为主导, 季铵盐与磺酸根头基之间的静电作用还未引起聚集体形貌转变, 这为确定主客体结合比提供了计算依据. 当固定SBE-β-CD浓度分别为0.05、0.25和1.00 mmol•L−1时, 对应浊度曲线中C1的值分别为0.035、0.163和0.65 mmol•L−1, 由此可知SBE-β-CD与12-6-12主客体结合物质的量比约为1∶0.65. 当体系中12-6-2的量超过该比例后, 其与SBE-β-CD之间通过更强的静电相互作用等促进了聚集体形貌的转变, 导致体系浊度显著上升.
通过1H NMR技术表征了SBE-β-CD/12-6-12混合体系在聚集过程中的质子位移变化, 以研究聚集体中分子之间的相互作用, 结果如图5所示. 当12-6-12浓度增大至0.80 mmol•L−1之后, SBE-β-CD分子中紧邻磺酸根基团的b'质子峰开始向高场位移, 同时12-6-12分子中紧邻季铵盐基团的e、f质子峰则开始向低场位移. 当12-6-12浓度由1.00 mmol•L−1增大至5.00 mmol•L−1后, 上述质子峰位移变化尤为明显. 另外, 与1.00 mmol•L−1纯12-6-12核磁谱图相比, 其与1.00 mmol•L−1 SBE-β-CD混合体系核磁谱图中的b和c质子峰强度减弱(见支持信息图S2(a)), 这表明SBE-β-CD将12-6-12的c质子和部分b质子包封结合进入其环糊精空腔中. 但当复合体系中12-6-12浓度增大至5.00 mmol•L−1后, 其核磁谱图中的质子峰型与纯12-6-12基本一致(图S2(b)), 表明过量的12-6-12分子未进入SBE-β-CD的环糊精空腔.
图5 (a) SBE-β-CD和12-6-12分子结构及质子归属; (b) SBE-β-CD浓度固定为1.00 mmol•L−1时, 混合体系在不同12-6-12浓度条件下的核磁谱图, 以及浓度均为1.00 mmol•L−1的纯SBE-β-CD和纯12-6-12的核磁谱图Figure 5 (a) Molecular structures and proton assignments of SBE-β-CD and 12-6-12; (b) NMR spectra of the mixed system at different 12-6-12 concentrations with the SBE-β-CD concentration fixed at 1.00 mmol•L−1, along with the NMR spectra of SBE-β-CD and 12-6-12 at a concentration of 1.00 mmol•L−1 |
基于上述分析, 提出了SBE-β-CD/12-6-12混合体系液液凝聚相的形成与解离机制. 如图6所示, 当在SBE-β-CD溶液中加入少量12-6-12时, 两种分子之间可通过磺酸根和季铵盐头基之间的静电吸引作用彼此靠近. 进一步在主客体作用驱动下, 12-6-12的两条疏水烷基链分别各自进入两个不同SBE-β-CD分子的环糊精空腔中, 形成如图6(a)所示的超分子复合物. 在疏水尾链之间的疏水相互作用推动下, 复合物与混合体系中游离的SBE-β-CD共聚集形成直径为15~30 nm左右的球形聚集体. 当12-6-12浓度增大至C1之后, 体系中12-6-12分子数目增多, 逐渐中和SBE-β-CD所带的负电荷, 导致混合体系的净电荷量逐渐降低. 同时, 12-6-12与SBE-β-CD之间的主客体结合比逐渐由1∶2转变为1∶1, 从而形成图6(b)所示的顺式和反式两种分子构型, 分别对应复合物中两条烷基尾链在环糊精空腔的同侧和异侧排布. 在此阶段, 复合物分子内环糊精空腔数目的减少, 以及分子间静电排斥力的降低, 均进一步推动分子之间的聚集, 使得球形聚集体尺寸增大. 此外, 聚集体表面以反式构象存在的复合物, 其分子中伸向聚集体外侧的烷基链能够起到桥梁作用, 促使多个大聚集体相互连接在一起, 形成锁链状聚集结构. 当12-6-12浓度继续增大至高于C2时, 体系净电荷进一步降低, 锁链状聚集体之间相互缠绕并融合, 最终形成液液凝聚相. 随着12-6-12浓度增大至C3以上, 混合体系中正电荷累积到一定程度, 增强的静电排斥使得凝聚相液滴瓦解, 重新形成锁链状聚集体. 当12-6-12浓度增大至C4以上, 分子之间的静电排斥进一步增强, 克服了聚集体之间的缔合作用, 使得锁链状聚集体转变为小尺寸球形聚集体.
图6 (a)当12-6-12浓度低于C1时, 其与SBE-β-CD形成的复合物示意图; (b)当12-6-12浓度高于C1时, 其与SBE-β-CD形成的复合物示意图; (c) SBE-β-CD/12-6-12混合体系聚集体转变过程示意图Figure 6 (a) Schematic illustration of the complexes formed between 12-6-12 and SBE-β-CD when the 12-6-12 concentration is below C1; (b) Schematic illustration of the complexes formed when the 12-6-12 concentration is above C1; (c) Schematic representation of the aggregation transition process in the SBE-β-CD/12-6-12 mixed system |
2.3 液液相分离体系对水中有机染料的富集分离效果
选取12-6-12浓度为4.00 mmol•L−1、SBE-β-CD浓度为2.00 mmol•L−1构筑得到液液相分离体系, 研究了该体系对刚果红、甲基橙、酸性蓝和亚甲基蓝四种染料的富集提取效果. 图7(a, b)结果表明, SBE-β-CD/ 12-6-12液液相分离体系对刚果红和甲基橙具有优异的富集提取效率. 水溶液中10~100 μmol•L−1浓度范围内的刚果红和甲基橙经富集提取处理后, 上层水相无色透明, 下层凝聚相中颜色较深. 相比之下, 该液液相分离体系对水中酸性蓝和亚甲基蓝的富集提取效果相对较差, 不同浓度的两种染料在经富集提取后, 上层水相仍然可以观察到较为明显的颜色(图7(c, d)).
图7 四种不同染料的分子结构及液液相分离体系对不同浓度特定染料的富集提取效果照片: (a)刚果红; (b)甲基橙; (c)酸性蓝; (d)亚甲基蓝. (e)随染料浓度变化, 液液相分离体系对染料的富集提取效率. (f)液液相分离体系对刚果红和亚甲基蓝混合溶液的选择性分离效果照片Figure 7 Molecular structures of different dyes and photographs showing the enrichment and extraction performance of the coacervate for the dyes: (a) Congo red, (b) Methyl orange, (c) Acid blue, (d) Methylene blue. (e) Enrichment and extraction efficiency of the coacervate for four dyes at different concentrations. (f) Photograph of the selective separation performance of the coacervate for a mixed solution of congo red and methylene blue |
取上层水样进行紫外-可见光谱测试, 计算得到4种染料的富集提取效率, 结果如图7(e)所示. 当水中染料浓度在10~100 μmol•L−1范围内时, 经液液相分离体系处理后, 水中刚果红和甲基橙的吸收信号均未检出, 表明二者已被完全富集提取至下层凝聚相中. 固定SBE-β-CD/12-6-12物质的量比为1∶2, 当体系中SBE-β-CD浓度降至0.25 mmol•L−1的低浓度时, 仍能够保持对刚果红和甲基橙的高效富集提取效率(见支持信息图S3). 相比之下, 体系对酸性蓝的富集提取效率为80%~82%, 对亚甲基蓝的富集提取效率仅为15.6%~41.6%. 该结果表明, SBE-β-CD/12-6-12液液相分离体系对不同结构和带电类型的染料富集提取效率存在明显选择性差异. 由于静电吸引和疏水相互作用, 体系对于带负电荷的染料具有强的富集作用, 显示出对不同浓度的染料均具有高的富集效率. 而随着亚甲基蓝浓度的增加, 体系对其富集效率呈下降趋势. 这主要是由于体系对亚甲基蓝的静电斥力和减弱的疏水相互作用导致体系只能结合很少部分的亚甲基蓝分子, 进一步增加其浓度, 导致多余的分子进入稀释相中, 进而体系对其富集效率降低. 基于此, 选用2.00 mmol•L−1 SBE-β-CD和4.00 mmol•L−1 12-6-12构建了液液相分离体系, 初步研究了其对水中刚果红和亚甲基蓝的选择性吸附分离效果. 结果显示, 该体系可将混合染料中的刚果红几乎完全富集提取至下层凝聚相, 而亚甲基蓝富集提取率仅为15%, 显示出显著的选择性分离提取能力(图7(f)). 这一特殊的选择性富集提取功能可能源于环糊精空腔对染料分子中偶氮苯基团的特异性主客体识别作用, 相关工作正在系统开展.
3 结论
在本工作中, 通过阴离子环糊精衍生物SBE-β-CD与阳离子双子表面活性剂12-s-12之间的多重协同作用, 包括主客体结合、静电、氢键以及疏水尾链之间的疏水相互作用等, 推动了球形聚集体向锁链状聚集体的转变, 并促进锁链状聚集体之间的相互缠绕与融合, 最终构筑得到液液相分离体系. 随着阳离子双子表面活性剂12-s-12中联接基团所含亚甲基数目由3增加至6, 其与SBE-β-CD形成液液凝聚相的能力显著增强. 该液液相分离体系在染料的高效富集提取方面表现出优异的应用效果, 可将水中10~100 μmol•L−1范围内的刚果红或甲基橙完全富集提取至凝聚相中. 相比之下, 该体系对于亚甲基蓝及酸性蓝等不含偶氮苯基团的染料分子富集提取效率较低, 显示出良好的选择性吸附特性, 进一步拓展了该体系在染料分子选择性分离领域的应用潜力.
4 实验部分
4.1 浊度滴定
SBE-β-CD/12-s-12混合体系的浊度采用哈希9100Q浊度计进行测定. 在滴定过程中, 向固定浓度的SBE-β-CD溶液中分别加入等体积的高浓度12-6-12溶液和高浓度SBE-β-CD溶液, 待示数稳定后, 记录体系的浊度值. 所加入的高浓度SBE-β-CD溶液是体相SBE-β-CD溶液浓度的2倍, 以确保在逐步增加12-6-12浓度的同时, 体相中SBE-β-CD浓度保持恒定, 实验重复测量三次. 以浊度值达到400作为相边界判定标准, 可以得到混合体系在不同表面活性剂浓度下的临界转变点所对应的SBE-β-CD浓度. 将表面活性剂浓度对相边界所对应的SBE-β-CD浓度作图, 即可得到混合体系的相图.
4.2 冷冻透射电镜(Cryo-TEM)实验
取5 μL混合体系样品滴加于新镀碳膜的多孔TEM铜网亲水面一侧. 静置60 s后, 用滤纸从铜网边缘吸除多余液体, 在样品上形成一层悬液薄膜. 随后, 将载有样品的铜网快速浸入液氮冷冻的液态乙烷中, 实现样品的快速冷冻固定. 冷冻后的样品在液氮环境下储存, 并转移至冷冻样品杆上. 这些样品使用FEI Tecnai 20电镜(LaB6)观察形貌, 电镜操作是在200 kV下的Low-dose模式下进行的, 以最小化电子束对样品的辐射损伤. 样品中聚集体形貌通过Nikon 9000以对应0.254 nm/像素的2000 dpi的扫描速度来进行图像采集.
4.3 ζ电位的测定
在25 ℃条件下, ζ-电位值采用配备632.8 nm氦氖激光器的Malven Zetasizer Nano-ZS型仪器, 在173o散射角度下进行测定. ζ-电位值反映了溶液中SBE-β-CD/ 12-6-12混合聚集体的表面电荷密度. 实验过程中, 混合溶液置于一次性毛细管样品池(DTS1060C)中. 通过Helmholtz-Smoluchowski方程的拟合, 可以由电泳光散射(ELS)实验得到的移动值来推导得到ζ电位值.
4.4 核磁共振(1H NMR)
核磁共振谱图实验是在Bruker AVANCE 400型核磁共振谱仪上, 于25±2 ℃条件下进行. SBE-β-CD/ 12-6-12混合溶液用纯度高于99.9%的氘代水配制, 氘代水中的HDO峰位移(δ 4.799)为参比峰. 实验过程中, 根据溶液浓度的不同调整扫描次数, 以达到适宜的信噪比, 确保谱图质量.
4.5 染料浓度测定实验
染料浓度采用紫外-可见分光光度仪进行定量测定. 首先配制系列浓度梯度的染料标准溶液, 测定其在特征吸收波长处的吸光度值, 以浓度为横坐标、吸光度为纵坐标绘制标准工作曲线. 随后, 将配制好的高浓度染料溶液, 取少量加入SBE-β-CD/12-6-12混合形成的液液相分离体系中, 静置分层后, 取上层水样测紫外吸收光谱, 记录染料分子特征吸收峰处的吸光度值, 实验重复三次. 最后依据工作曲线计算出对应该吸光度值的染料浓度, 从而评估其在体系中的富集提取效率.
(Cheng, B.)