HFIP介导的阴阳离子表面活性剂复配体系的自组装行为机理及凝聚层萃取应用

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基于阴阳离子表面活性剂凝聚体系发展起来的凝聚层萃取技术是一种操作简便、环境友好、生物相容性好的液-液萃取技术。但是,目前报道的阴阳离子表面活性剂凝聚体系由于其液液两相区域狭窄而在实际应用上受到很大的限制。六氟异丙醇(Hexafluoroisopropanol, HFIP)的引入改变了现状,它不仅可以诱导阴阳离子表面活性剂复配体系产生此复配体系中很少出现的聚集体结构---凝聚层,而且可以极大的拓宽液液两相区域的范围。由于HFIP诱导的阴阳离子表面活性剂凝聚体系是一种新型的液液两相体系,因而无论是从基础理论还是从实际应用方面来研究该体系都十分必要。本论文选择十二烷基硫酸钠(Sodium dodecyl sulfate, SDS)和十二烷基三甲基溴化铵(Dodecyltrimethylammonium bromide, DTAB)两种常用的离子表面活性剂组成复配体系,主要从HFIP诱导阴阳离子表面活性剂凝聚层形成及液液相分离机理和凝聚层萃取的实际应用两方面进行研究。1、采用稳态荧光法测定HFIP对单一离子表面活性剂及阴阳离子表面活性剂复配体系胶束化的影响。HFIP对单一表面活性剂CMC的影响结果表明,在添加0%-10%v/v HFIP范围内,随HFIP添加量增加,SDS的CMC先减小后增大,DTAB的CMC值先减小后保持不变,并且HFIP对DTAB的CMC的影响程度远大于SDS,表明HFIP与DTAB的相互作用远强于与SDS的相互作用;CMC测定结果得到NMR实验结果的证实。HFIP对SDS/DTAB复配体系CMC的影响结果表明,随着HFIP加入量的增加(0%~10%v/v),所有不同摩尔比复配体系的CMC均增大,根据CMC测定结果,按正规溶液理论计算得到的用于评价阴、阳离子表面活性剂之间相互作用的参数p为负值,并且其数值随HFIP加入量增加(0%-10%v/v)而逐渐减小,说明HFIP减弱了混合胶束中阴、阳离子表面活性剂之间的相互吸引作用;此外,HFIP也改变了胶束内阴、阳离子表面活性剂的组成。2、通过相图制备、动态光散射、透射电子显微镜、偏振光显微镜,核磁共振等实验技术研究了HFIP对不同摩尔比SDS/DTAB(总浓度2CMC)混合水溶液自组装行为的影响。随着HFIP添加量的增加(0%-10%v/v),液-液两相区域由等摩尔比SDS/DTAB复配体系向两侧(DTAB过量侧,SDS过量侧)拓宽,并且DTAB过量的体系更易于被HFIP诱导发生凝聚和液-液相分离,但两相区域的表面活性剂总浓度范围与HFIP添加量的关系不大。由于HFIP分子可以与表面活性剂分子发生特殊的相互作用,其可以附着在聚集体内表面活性剂的头部及栅栏层中。随着HFIP加入量的增加,非等摩尔比SDS/DTAB(3:7,7:3)水溶液中聚集体的曲率逐渐降低,粒径逐渐增大,结构也由单分子层的胶束转变为双分子层的囊泡,并进一步形成曲率为零的层状结构。当HFIP的含量较高(≥5%v/v)时,HFIP分子进入聚集体的栅栏层,使得层状结构双层膜中的分子排列变得松散,曲率略微降低变为负值,此时凝聚层形成,相分离产生。等摩尔比复配体系则是由层状结构的沉淀直接被HFIP诱导形成凝聚层。3、以等摩尔比SDS/DTAB复配体系为代表,采用分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模拟方法,研究并系统比较了HFIP(10%,v/v)和异丙醇(Isopropanol, IPA,10%, v/v)介导的SDS/DTAB复配体系在水溶液中的自组装行为,以及两种醇分子与表面活性剂分子间的相互作用。MD模拟结果表明,IPA对SDS/DTAB (1:1mol/mol)体系自组装过程的影响甚微,不足以诱导等比例沉淀体系发生凝聚和两相分离。HFIP则不同,它参与表面活性剂的自组装过程并改变了聚集体的微观结构,最终诱导等比例SDS/DTAB沉淀体系发生凝聚并转化为澄清透明的液液两相。HFIP与IPA相比因结构不同而被赋予一些特殊的性质如弱酸性、强氢键供体、疏水性等,而这些特殊性质又决定了HFIP可与阴、阳离子表面活性剂产生特殊相互作用:HFIP可与SDS头部基团能形成强的氢键作用,与DTAB头部基团产生强的静电作用和疏水作用,与SDS和DTAB的烷基链发生疏水作用、且与DTAB烷基链(特别是离头部较近的区域)间的相互作用较强,而IPA与SDS、DTAB间相应的相互作用很弱。HFIP分子与SDS、DTAB分子间高强度的氢键、静电、疏水等相互作用是HFIP诱导SDS/DTAB/H2O复配体系形成凝聚层、产生相分离的主要分子机理。4、建立HFIP介导的SDS/DTAB凝聚层萃取---HPLC联用分析方法,用于检测多种餐具(纸杯、纸碗、塑料杯、奶瓶)中的五种邻苯二甲酸酯类(Phthalates, PAEs)增塑剂。通过考察各种因素对PAEs萃取富集效果的影响,确立了最佳萃取条件:表面活性剂总浓度20mmol/L, SDS/DTAB比例3:7mol/mol, HFIP加入量6%v/v,静置时间1h。在最佳萃取条件下,加标水样中BBP、DBP、DPP、 DCHP、DEHP五种PAEs的富集倍数分别为102.4±1.4%、92.6±1.4%、82.4±1.4%、89.0±1%、106.2±1.1%,富集效果良好。该凝聚层萃取与HPLC联用检测PAEs的定量线性关系良好(相关系数均大于0.998),测定低(30-50ng/mL)、中(250~300ng/mL)、高(1000-1500ng/mL)三种浓度的加标水样,所得日内、日间RSD均≤8.7%,回收率为82.4-123.6%。五种PAEs的检测限均小于2.59ng/mL。用此方法对市售不同种类的一次性餐具、奶瓶进行了检测,均检出含有不同种类的PAEs。5、通过选择合适的反萃取方法和反萃取溶剂,建立了HFIP介导的SDS/DTAB凝聚层萃取-反萃取-GC联用分析方法,并用于检测矿泉水中PAEs。通过考察各种因素对PAEs萃取富集效果的影响,确定了最佳萃取-反萃取条件:凝聚层常温真空挥干后醋酸乙酯反萃取,反萃取溶剂体积与凝聚层体积之比0.8,反萃取超声时间5min,表面活性剂总浓度20mmol/L, SDS/DTAB比例7:3mol/mol, HFIP加入量8%v/v。在最佳萃取-反萃取条件下,凝聚层中表面活性剂的去除率为97.53%(RSD=0.16%, n=3),反萃液中残留的少量表面活性剂不干扰五种PAEs (DMP, DPP, DBP, DCHP, DEHP)的检测。该联用方法检测五种PAEs的定量线性关系良好,相关系数均大于0.9917(0.03~3μg/mL),重复性(RSD≤8.55%,n=6)和低(0.1μg/mL)、中(0.5μg/mL)、高(1.0μg/mL)浓度加标水样的回收率(89.38-115.4%)均令人满意,五种PAEs的检测限均小于6.86ng/mL。部分市售矿泉水中检出DBP。
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