十二烷基磺酸钠在正丙醇/水混合溶液中囊泡的形成及性能

doi:10.7503/cjcu20250210

摘要/Abstract

摘要：

通过动态光散射(DLS)、透射电子显微镜(TEM)、小角X射线散射(SAXS)及傅里叶变换红外光谱(FTIR)等技术, 考察了十二烷基磺酸钠(SDS)在正丙醇(NPP)/水混合溶液中的自组装行为. 结果表明, NPP的引入显著提升了SDS的溶解度, 在50%(质量分数)NPP/水混合溶剂中SDS的溶解度达225.71 g/L, 较纯水体系(2.42 g/L)提升93倍. 研究发现, 在SDS/NPP/H₂O三元体系各向同性相中, 除了典型的胶束结构外, 还观察到了囊泡聚集体的形成. 随着NPP含量的逐步增加, 囊泡结构逐渐向胶束转变, 当NPP含量大于50%时, 体系中的聚集体主要以胶束形式存在. 通过FTIR光谱分析证实, SDS与NPP分子间形成的氢键(—S=O…H—O—)、 SDS分子间的“水桥”和“阳离子(Na⁺)桥”(—SO₃⁻ …Na⁺… —SO₃⁻ )发挥了重要作用, 有效抑制了阴离子头基间的静电排斥, 这对于SDS/NPP囊泡相的形成起着关键作用. 此外, SAXS与原子力显微镜(AFM)证实囊泡双层膜中存在烷基链交叉构型, 交叉度为28.57%, 这种高度交叉的烷基链结构也是SDS/NPP囊泡形成和稳定的内在原因. SDS/NPP囊泡在长期储存、高温处理以及冻融循环等条件下均表现出良好的稳定性, 同时对亲水性染料钙黄绿素具有一定的包覆能力. 另外, 囊泡膜对OH⁻具有一定的渗透性, 其跨膜渗透过程符合一级动力学模型.

关键词: 囊泡, 十二烷基磺酸钠, 正丙醇, 自组装

Abstract:

The self-assembly behavior of sodium dodecyl sulfonate（SDS） in n-propanol（NPP）/water mixed solutions was studied using methods such as dynamic light scattering（DLS）， transmission electron microscopy（TEM）， small-angle X-ray scattering（SAXS）， and Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR）. Experimental results demonstrated that the introduction of NPP significantly enhanced the solubility of SDS. In the 50%（mass ratio） NPP/water mixed solvent， the solubility of SDS reached 225.71 g/L， representing a 93-fold increase compared to the pure water system（2.42 g/L）. The study reveals that in the isotropic phase of the SDS/NPP/H₂O ternary system， besides the typical micellar structure， vesicle aggregates are also observed. As the NPP content progressively increased， the vesicular structures gradually transformed into micelles. When the NPP content exceeded 50%（mass ratio）， the aggregates within the system primarily existed as micelles. FTIR spectral analysis confirmed the formation of hydrogen bonds between SDS and NPP molecules（—S=O…H—O—）， the “water bridge” and “cation（Na⁺） bridge”（—SO₃⁻ …Na⁺…—SO₃⁻_{） between SDS molecules played crucial roles. These interactions effectively mitigated the electrostatic repulsion between the anionic headgroups， which is pivotal for the formation of the SDS/NPP vesicular phase. Furthermore， SAXS and atomic force microscopy（AFM） confirmed the presence of an interdigitated structure of alkyl chains between two leaflets configuration within the vesicle bilayer membranes， with an interdigitated degree of 28.57%. This highly interdigitated structure of alkyl chains between two leaflets is also an intrinsic factor contributing to the formation and stability of the SDS/NPP vesicles. The SDS/NPP vesicles exhibit excellent stability under various conditions， including long-term storage， high-temperature treatment， and freeze-thaw cycles. Furthermore， they exhibit a notable capacity for encapsulating hydrophilic dyes such as calcein. Additionally， the vesicle membrane demonstrates， permeability towards OH^- ions， and the transmembrane permeation process conforms to a first-order kinetic model. This study could deepen the understanding of the aggregation behavior of single-chain amphiphiles and provide valuable insights for the practical application of single-chain amphiphilic molecule vesicles.}

Key words: Vesicle, Sodium dodecyl sulfonate, n-Propanol, Self-assembly

中图分类号:

O647

TrendMD:

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图/表 7

Fig.1 Photographs showing the appearance of SDS aqueous solutions without NPP(A—C) and SDS/NPP/H₂O ternary systems(20%NPP, mass fraction)(A′—C′) at 25 ℃ and relative dielectric constant(εr) of the NPP/water binary mixture with the mass fraction of NPP at 25 ℃(D)（A， A′） cSDS=50 mmol/L，（B， B′） cSDS=100 mmol/L，（C， C′） cSDS=300 mmol/L.

Fig.2 Size distribution of the SDS/NPP/H₂O ternary system(cSDS=50 mmol/L)

Fig.3 NS⁃TEM(A—C) and FF⁃TEM(D) images of the SDS/NPP/H₂O ternary system(cSDS=50 mmol/L)Mass fraction of NPP：（A） 10%，（B， D） 20%，（C） 50%.

Fig.4 Laurdan(A, B), pyrene(C) and Nile red(D) in the SDS/NPP/H₂O ternary system（A） Fluorescence emission spectra（the asterisk denotes the emission intensity used for GP value calculation）；（B） GP values；（C） I₁/I₃ values of pyrene；（D） emission peak intensity at 636 nm of Nile Red.

Fig.5 Fluorescence emission spectra of Calcein encapsulated in 20%(mass fraction) NPP/water solution and SDS/NPP vesicles(20% NPP, mass fraction)(A), SAXS profiles of pure SDS and freeze⁃dried SDS/NPP vesicles(B) and AFM image(C) and section analyses(D) of SDS/NPP vesicles

Fig.6 Schematic illustration of SDS/NPP vesicle(A) and FTIR spectra of pure NPP, pure SDS and freeze⁃dried SDS/NPP vesicles(B)

Fig.7 Time⁃dependent change in emission intensity of riboflavin entrapped within SDS/NPP vesicle system(A) and fitting plot of first⁃order kinetic model for OH- permeation across SDS/NPP membranes(B)

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