（化学专业论文）dna阳离子表面活性剂相互作用的量热学研究.pdf

浙扛大学硕士学位论文 摘要 本文合成了6 个不同碳链长度和不同亲水头基的季铵盐阳离子表面活性剂：十二烷 基羟乙基二甲基溴化铵、十二烷基二羟乙基甲基溴化铵、十四烷基羟乙基二甲基溴化铵、 十四烷基二羟乙基甲基溴化铵、十六烷基羟乙基二甲基溴化铵和十六烷基二羟乙基甲基 溴化铵，并用元素分析( e a ) 、红外光谱( m ) 、核磁共振( 卜m 吸) 等进行了结构表 征。 用等温滴定量热法( n ) 测定了在2 9 8 1 5 k - - 3 2 3 1 5 k 的温度范围内，十二烷基三 甲基溴化铵、十二烷基羟乙基二甲基溴化铵、十二烷基二羟乙基甲基溴化铵、十四烷基 羟乙基二甲基溴化铵、十四烷基二羟乙基甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷 基羟乙基二甲基溴化铵、十六烷基二羟乙基甲基溴化铵等8 种季铵盐阳离子表面活性剂 在纯水中的临界胶束浓度( c m c ) 和胶束化过程的焓交a 五毫。 实验结果表明：表面活性剂的c m c 随着碳氢链的增长而减小，随着温度的升高而 增大；对具有相同碳氢链和不同头基的阳离子表面活性剂而言，羟乙基数目越多，表面 活性剂的c m c 越小。根据测得的c m c 和硅，并结合相分离模型计算胶束化过程的 热力学参数：吉布斯自由能变g ：。和熵变蛾。结果表明，蛾和蠼。随着温度的 升高而减小，而g ：。基本保持不变，说明胶柬化过程随着温度的升高具有焓一熵补偿 效应。在本实验所研究的温度范围内，熵变对表面活性剂在纯水中的胶束化过程起主要 作用，是熵驱过程。 用等温滴定量热法研究了在3 0 3 1 5 k 和3 1 0 1 5 k 下，小牛胸腺d n a 和8 种不同的 季铵盐阳离子表面活性剂之间的相互作用。结果表明，d n a 与阳离子表面活性剂相互 作用过程中形成两个临界聚集浓度：c a c i 和c a c 2 ，并且c a c l 和a 蛇2 都在表面活性 剂正常临界胶束之前形成；d n a 与阳离子表面活性剂的相互作用由静电作用和疏水作 用共同驱动；当d n a 双螺旋结构被阳离子表面活性剂饱和，d n a 开始缩拢并且其构象 由线圈型向小球型转变。 关键词，等温滴定量热法；表面活性剂；临界胶束浓度；临界聚集浓度；d n a r 相互作 用。 渐江大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i x c a t i o n i cs u f f a c t a n t sw i t hd i f f 嗽- n t a l 】时l c h b j n sa n dh e a d g r o u p s , n - d o d e c y l - h y d r o x y e t h y l d i m e t h y l a m m o n i u m b r o m i d e ，n - d o d e c y l - d i h y d r o x y e h t y l - m e t h y l a m m o n i u m b r o m i d e ， n - t e t r a d e c y l - h y d r o x y e t h y l - d i m e t h y l a m m o n i u m b r o m i d e ， n - t e w a d e c y l - d 氇y d r o x y e t h y l - m e t h y l a m m o n i u m b r o m i d e ，n - c e t y l - h y & o x y e t h y l - d i m e t h y l a m m o n i u mb r o m i d ea n dn - c e t y l - d i h y d r o x y e t h y l - m e t h y la m m o n i u mb r o m i d e ，h a v eb e e n s y n t h e s i z e da n dc h 锄l c l e r i z e db yu s m gi r , n m ra n de l e m e n t a la n a l y s i s 正a ) t h ec r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t r a t i o n s ( c m c ) a n dt h ee n t h a l p i e so fn f i c e u i z a t i o n , a 日：。， f o rn - d o d e c y l - t r i m e t h y la m m o n i u mb r o m i d e ，n - c c t y l - t r i m e t h y la m m o n l mb r o m i d ea n d t h ea b o v es i xs u r f a c t a n t si np u r ew a t c th a v eb e e nm e a s u r e di nt h et e m p e r a t u r er a n g ef i o m 2 9 8 1 5k 幻3 2 3 1 5k b yu s i n gt h ei s o t h e r m a ld c a f i o nc a l o r i m e t r y ( i t c ) i th a sb e e nf o u n d t h a tt h ec i v i cv a l u ed e c r e a s e sw i t hm ei n c r e a s eo ft h ea l l 哆l 曲a i nl e n g t hi nt h e 岛圳陆嘶m t s 。 w h i l e ：b e c o m e sl a r g ew i t ht h ei n c r e a s eo f t h et e m p e r a t u r e f o rs u r f a c t a n t sw i t ht h es a m ea 埘l c h a i na n dd i f f 雠n th e a dg r o u p s , t h em o r eh y d r o x y e t h y l st h es t r f a c t a n th 峨t h es m a l l e rc m c i th a s t h eg i b b sf l e ee n e r g yc h a n g e ，a g ：。，a n dt h ee n t r o p yc h a n g e ，蠼。，f o rm i c e l l i z a f i o n 髓o b t a i n e du s i n gt h ep h a s e - s e p a r a t i o nm o d e lf r o mt h ec m ca n da h ：v a l u e s a m o n gt h e t h e r m o d y n a m i cf u l l c t i o n s ，t h ev a l u e so f 蛆：a n d 蛾, d e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h e t e m p e r a t u r e , w h e r e a s t h a t o f g 盏n e a r l yl 【c 印c o n s t a n t t h e e n t h a l p y - e n l i o p y c o m p e n s a t i o ne f f e c tc a nb eo b s e r v e df o rt h em i c e l l i z a t i o no ft h e s es u r f a c = t a n t s w i t h i nt h e i n v e s t i g a t e dt e m p e r a t u r er a n g e ，t h ee n 灯0 p yc h a n g e ，蛾c ，i sf o u n dt ob et h ed o m i n a n tf a c t o r r e s p o n s i b l ef o r t h em i c e l l i z a t i o n - t h em i c e l l ef o r m a t i o ni sa ne n t h a l p y - d r i v e np r o c e s s t h ei n t e r a c t i o n so ft h ee i g h tc a t i o n i cs u f f a c t a n t sw i t ht h ec a l ft h y m u sd n ah a v ea l s o b e e ns t u d i e dw i t ht h ei s o t h e r m a lf i w a f i o nc a l o r i m e t r ya t3 0 3 1 5ka n d3 1 0 1 5kt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e 鲫d h c t 如t si n t e r a c t e dw i t hd n a , f o r m i n gt w ot y p e so f c r t i c a la g g r e g a t ec o n c e n t r a t i o n , c a c ja n dc a c 2 。b e f o r et h ef o r m a t i o no f t h en o r m a im i c e l l e s t h es u r f a c t a n t - - d n ai n t e 仡c t i o ni sg o v e r n e db yb o t ho f t h ee l e c t z o s t a f i ca n dt h eh y d r o p h o b i c i n t e r a c t i o n s t h ed n ad o u b l eh e l i xg e t sc o n d e n s e da f t e rs a t u r a t i o nw i t hs u r f a c l a n t s ，a n dt h e t r a n s i t i o nf i o mt h ec o i lt ot h eg l o b eo f t h ed n ai si n d u c e d k e y w o r & ：i s o t h e r m a lt i t z a t i o nc a l o r i m e t r yo t c ) ；s u r f a e t a n t ；c r i t i c a lm i c e u ec o n c e n t r a l i o n ( c m c ) ；c r i t i c a la g g r e g a t ec o n c e n l j a t i o n ( c a c ) ；d n a ；i n t e r a c t i o n 嵌缸大学颈士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙婆太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名： 样嗍2 垆，d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文技查阅和借阅。本人授 权逝选太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 凝毒 f 导师签名： 弼艿 l 签字眺哆年f 月签字日期：。叩年夕月 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导 下完成的成果，该成果属于浙江大学理学院化学系，受国家知 识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或 申请专利，均需由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可， 本人不得以任何方式，以任何其它单位作全部和局部署名公布 学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 日期：。呻年 学位论文作者签名萄崤 浙江大学硕士学位论文 第一章文献综述 本章主要综述表面活性剂的临界胶束浓度( c m c ) 测定方法以及d n a 一阳离子表 面活性剂相互作用研究的国内外进展，其中重点介绍等温滴定量热法( i t c ) 。 i i 弓f 言 表面活性剂，是指能显著降低溶剂( 一般为水) 的表面张力( 或界面张力) 、改变 体系表面或界面状态，从而产生一系列独特的物理化学性质的化合物。表面活性剂具有 两亲分子结构，通常由非极性的亲油的碳链部分和极性的亲水基团共同组成，具有润湿 或反润湿、乳化或破乳、起泡或消泡、以及增溶等诸多作用，是洗涤剂、化妆品等日用 化学工业的重要原料，也可广泛运用于石油、煤炭、矿冶、机械、纺织、医药、环境等 工农业生产中。表面活性剂可分为离子型( 包括阴离子型、阳离子型、两性型) 和非离 子型两大类【”。 表面活性剂溶液开始形成胶束的浓度称为表面活性剂的临界胶束浓度( c r i t i c a l m i c e u ec o n c e n t r a t i o n ) ，简称c m c 这一概念早在上个世纪初即由m c b a i n 提出1 2 j 。由 于表面活性剂溶液的许多物理化学性质随着胶柬的形成而发生突变，所以c m c 是表面 活性剂溶液性质发生显著变化的一个“分水岭”，c m c 是表面活性剂的一个非常重要 的物理参数，也是表面活性剂溶液研究中的一个重要内容。 d n a 是生命得以延续的最基本的物质之一从化学的角度看，d n a 具有独特的双 螺旋结构，是一个带有负电荷的能溶于水的特殊生物聚电解质。在水溶液中，d n a 一 般以线型螺旋方式存在，但在活体细胞中，天然状态的d n a 通常都以密集堆积方式存 在【3 訇。活性细胞众多的遗传信息均通过d n a 链的碱基序列按一定的自身调节方式表达 出各种蛋白质 7 1 。d n a 与各种不同性质的组分，如蛋白质、类脂及无机离子等的相互识 别是影响d n a 构象及确保细胞处于生理活性状态的重要调节机制哺】。因而研究d n a 与 各种小分子、离子的相互作用，特别是d n a 与表面活性剂的相互作用( 细胞膜的结构 与表面活性剂的结构类似) ，对于活体细胞中的d n a 存在方式和行为方式( 如d n a 在体内转运、表达等) 的理解，以及癌症的预防与治疗，有着重要的理论意义和应用价 值。同时，表面活性剂对研究非水溶性抗癌药物与d n a 的作用机理起着媒介作用。 1 2 表面活性剂的c m c 的测定方法 由于表面活性剂溶液的一些物理性质如表面张力、摩尔电导率、渗透压、密度、 冰点下降、蒸汽压、光散射以及颜色变化等在临界胶柬浓度时都有显著的变化，所以通 过测定发生这些显著变化时的转变点，就可以得到c m c 用不同方法测得的临界胶柬 浓度虽有一些差异，但大体上是一致的 新江大学硕士学位论文 目前文献报道的测定表面活性剂c m c 的方法有很多，如表面张力法、电导法、分 光光度法、光散射法、量热法等等， 1 2 1 表面张力法 表面活性剂水溶液的表面张力随着溶液浓度的少量增加而急剧下降，到达一定浓度 ( 即c m c ) 后则变化缓慢或不再变化。因此，常用表面张力一浓度对数图来确定c m c ( 曲线上的转折点) 。比如，a j h i lr a n j md a s 等人用表面张力法测定了十六烷基氯化吡 啶( c p c ) 、十二烷基三甲基溴化铵( d 心) 、十四烷基三甲基溴化铵( t t a b ) 、十 六烷基三甲基溴化铵( c t a b ) 在水中的c m c 值，如图1 1 所示【9 1 。 圈1 1 阳离子表面活性剂在3 0 3k 时的表面张力( r ) 与l o 弘圈 f 嘻1 1s u r f a c et e n s i o u ( ，) v 删i o g cp l o bf o rp u r ee t t i o u l es u r f a e t a n t sa t3 0 3k 图中表面张力的转折点( 即突变点) 即是该表面活性剂的临界胶柬浓度，c i v i c 值。 表面张力法是一个方便的方法，可以同时求出表面活性剂的c i v i c 和表面吸附等温线， 而且无论对于高表面活性还是低表面活性，其c i v i c 的测定都具有相似的灵敏度。此法 不受无机盐存在的干扰，亦适用于非离子表面活性剂。只是在少量极性有机物存在时， 表面张力一浓度对数曲线上往往出现最低点，不易确定转折点和c m c 。最低点的出现 说明表面活性剂含有高表面活性杂质，是鉴定表面活性剂纯度的常用方法之一。 1 工2 电导法 对于离子型表面活性剂，当溶液浓度很稀时，电导的变化规律与一般强电解质相似。 表面活性剂分子完全解离为离子，随着浓度上升，电导率丘近乎线性上升；但当溶液浓 度达到临界胶束浓度时，随着胶柬的形成，胶柬定向移动速率减缓，上仍随着浓度增大 而上升，但变化幅度变小。摩尔电导率也急剧下降。求c m c 时可用电导率或摩尔电导 率对浓度( c 或c ) 作图，转折点的浓度即为c i v i c 。 比如，s i cm c h t a 等【1 0 1 用电导法测定了十二烷基二甲基乙基溴化铵( d d a b ) 水溶 液和十二烷基三甲基氯化铵( d t a c ) 水溶液在不同温度下的c m c 值，其电导率对浓 度图如图1 2 所示。 2 浙江大学硕士学位论文 i 警 m i m 一r 1 )m 归町) 图l o 不同温度下电导奉- 对质量摩尔浓度册图 f 喀1 2c o n d u e t i v i t yfv e r m u ) m o l a l i t y 麻a td i f f e r e n tt e m p e r a t u r 髓 图中电导率的转折点即为表面活性剂的临界胶束浓度，c i v i c 值。这是测定c m c 的 经典方法，但只限应用于离子型表面活性剂。该方法对于有较高活性的表面活性剂准确 性高，对于c i v i c 较大的表面活性剂灵敏度较差。过量的无机盐存在会大大降低测定灵 敏度。 1 2 3 綮外吸收分光光度法 紫外吸收分光光谱也是确定表面活性剂c m c 值的一种简单、准确的有效方法【l ”， 可测定多种表面活性剂，特别是混合表面活性剂体系的c i v i c 值。该方法的关键是寻找 一种理想的光度探针，其最大吸收波长( a m a x ) 对表面活性剂聚集体微环境下的性质 要很敏感，其敏感性越强，对c m c 的测定越可靠。 比如，董姝丽掣1 2 l 应用紫外吸收分光光谱( u v ) 法用n ，n 一二乙基苯胺( d e a ) 为探针，测定了不同类型表面活性剂的临界胶束浓度值。图1 3 是d e a 在水、正辛烷 和不同浓度的十六烷基三甲基溴化铵( c r a b ) 溶液中的紫外吸收光谱。 从图1 3 中可知，d e a 在正辛烷中 m a x 为2 5 9 0 n m ，接近于d e a 加入到表面活 性剂c t a b 浓度高于c m c 值时溶液的最大紫外线波长，这是由于d e a 增溶于表面活 性剂胶束核心，而处于与正辛烷相同的碳氢溶剂环境所致d e a 在水中的 i n 强为 2 4 8 4 n m ，与其处于c t a b 浓度低于c m c 值的溶液中的 i n a x 值一致。因此，测定不 同表面活性剂浓度下的 m a x ，绘制 m 旺与表面活性剂浓度c 的曲线，其曲线的转折 点即为临界胶束浓度，c m c 值。 3 浙江大学顼士学位论文 l ，咖 圈1 3d e a 在水、正辛烷和不同浓度c t a b 溶液中的u y 啜投光谱 1 d e ，h z o 2 d f , 2 0 x1 0 一o m o l 1 c r 卫溶液 3 d f - , 刖6 0 x 1 0 - 4 t o o l - l 1 c t a b 溶液 4 d e a 2 0 x 1 0 一k 0 1 l i c t a b 溶液 5 d e 正辛婉 f 培1 3u vs p e c t r ao fd e ai nw a t e r , f - o c t a r ea n dc t a b s o l u t i o n s 1 d e a h z o 2 d e a 2 0 1 0 一 r o o f l 1 c r a b r e l a t i o n 3 d e a 6 0 1 0 - 4 m o i l c t a bs o l u t i o n 4 d e a 2 0 1 0 一，m o h l 1 c r a bs o l u t i o n 5 d e a n - o c t a n e 1 2 4 量热法 表面活性剂在溶液中的胶柬形成过程，从热力学角度来看是放热过程，因此，我们 可以通过灏定其胶柬形成过程的热量变化曲线来确定其c m c 值。 应用量热法来研究表面活性剂的胶束形成过程是一种有效的方法【1 3 1 4 1 。然而，由于 早期量热法不是非常灵敏，而且实验非常耗时间，所有仅对一些体系适用。当热量补偿 型滴定量燕计运用予准等温模型对，滴定量热法变得很有吸引力1 1 5 1 。趣着灵敏度的不断 提高，完成一个温度下的滴定曲线的时间已经减少至大约2 个小时，比如等温滴定量热 法( n ) 【1 6 _ 堋。 等湿漓定量热法( i i ) 与其他方法相比，不仅具有灵敏度高、精确度高的优点。 而且一次实验能同时得到胶束焓( 埘二) 和c i v i c 值，这是其他方法所不具有的。 k r e s h e c k 和h e r g r a v e s 【1 9 】详细介绍了测定胶束焓( 埘m ) 和c m c 值的等温滴定方 法近期，p a u l a 等嗍也论证了滴定微量热法的高灵敏度，他们用滴定微量热法测定了 十二烷基硫酸钠、胆酸钠等四种表面活性剂的胶束解离焓( 址f 。) 和c m c 值，再从 得到的解离焓( 岔z 岫) 计算出胶束焓( 6 k ) 。如h n s o n 等昝瑜b 谊池珂盯等胆乜 用类似的微量热法研究自聚集作用体系。因此，在微量热方法的帮助下，重新评价胶柬 的形成过程是很有意义的。 m a j h i 等瞄i 用o m e g a - - i t c 微量热计研究了十二烷基硫酸钠( s d s ) 、磺基琥珀 酸二乙基己酯钠( a o t ) 、胆酸钠( n a c ) 、十六烷基三甲基溴化铵( c r a b ) 、十四 4 浙江大学硕士学位论文 烷基三甲基溴化铵( t t a b ) 、十二烷基三甲基溴化铵( d t a b ) 、十六烷基氯化吡啶 ( c p c ) 和叔辛基聚氧乙烯醚( l o o ) 在二次蒸馏水中的自聚集过程。比如t t a b 的 滴定曲线如图1 4 。 t - 帕竹o o 竹1 0 柚1 0 加一啪1 t 0 。a 一7 上b j 。- 一t 旷! f l 嘲，- i 圈1 4 ( a ) 量热曲线( 热量对时间曲线) ( 助过程焓变对t t a b 浓度图 ( c ) 曲线b 的一次徽分圈 f 咎i a ( a ) c a l o r i m e t r i ci b r a c e s ( b e a tf l o w a g a l u s tt i m 曲 ( b ) p r o c e s se u t h i l p yv c i i i i i t r a b i h 也e c e l l ( c ) f i r s td e r 萱n 吐v eo fl u f v 4 b , l c u l a t e df r o mt h ei n t e r p o l a t e d v a l u 嚣 图1 4 中，a 图为原始滴定曲线，如果对a 图中的每个吸热峰进行积分就得到b 图。 b 图中，纵坐标为过程焓变( 即溶液的稀释焓) ，横坐标为t i a b 溶液在样品池中的浓 度。从b 图中可以看到两个平台区：低浓度的平台区表示表面活性剂的胶束溶液滴入到 表面活性剂单体溶液的稀释焓，高浓度的平台区表示表面活性剂的胶束溶液滴入到胶束 溶液的稀释焓。因此，高浓度区的稀释焓减去低浓度区的稀释焓即为该表面活性剂溶液 的胶束焓王k ( b 图中箭头的长度即为胶束焓0 ) 。通过对b 图进行一次微分，并 对微分得到的数值通过内插可得如c 图的曲线，c 图中的最低点即为该表面活性剂的临 界胶束浓度。c m c 值。这里明显地体现出微量热法的优点：一次实验既能得到表面活 性剂的c m c 值，又能得到胶束焓蛆。；再辅助其他模型可以进一步计算胶柬形成的 吉布斯自由能g 0 和熵变瓴。等热力学函数 m a j h i 等田l 还对去氢胆酸钠( n a d h c ) 、氯化钠( n a c l ) 等非聚集体系用微量热方 法做了研究，通过与自聚集体系( 胶束形成) 作对比，发现该方法还可以鉴别体系是聚 集体系还是非聚集体系。如图1 5 是n a d h c 体系的量热曲线， 图1 4 与图1 5 相比较，有明显的区别，图1 4 ( 自聚集体系) 的稀释焓变过程是非 单调过程，而图i 5 ( ! i i e 聚集过程) 的稀释焓交过程是单调过程。 l王-量芒，g量5l萱|叠导蔓喜 浙扛大学硕士学位论文 圈1 5 ( a ) 量热曲线( 热量对时间曲线) r e ) 过程焓变对i q a d h c 浓度圈 f 嘻1 5 ( a ) c a l o r i m e t r i ct r a c e s ( h e a tf l o wa g a i n s t t i m 曲 p r o c e s se n t h a l p yv e 舢i n a d h c ii n t h ec e l l s l o d 曲i u 等剀用等温滴定量热法( m i c r o c a lv p - - i t c ) 研究了阳离子表面活性剂： 十二烷基三甲基溴化铵( d t a b ) 、十四烷基三甲基溴化铵( t t a b ) 、十六烷基三甲 基溴化铵( c 出) 在2 8 ，3 0 c 和3 5 下的胶束化热力学性质。测得的c m c 值和热 力学参数：吉布斯自由能变瓯、焓变砜、熵变丛二与用其他方法得到的实验数 据能较好地吻合。这些都说明用等温滴定量热法测表面活性剂的临界胶束浓度是一种非 常有效的方法。 胶柬形成的热力学参数：吉布斯自有能盘5 0 、焓变厶三乙、熵变s k 能从临界胶 束浓度与温度的关系得到，或者从微量热法直接测得焓变。测得不同温度下的这些参数 能够探讨胶束形成的内在机理。胶柬的形成伴有很大的、负的吉布斯自由能g 0 ，也 就是说胶束形成过程在热力学上是有利的和自发的。胶柬形成的主要驱动力是疏水作 用。常温下，由于胶束形成过程碳氢链相互靠拢、缔合使得单分子表面活性剂周围的水 分子被释放出来，即“冰山结构”被破坏，为熵增加过程。所以，常温下胶束形成过程 是“熵驱动”过程。然而随着温度升高，熵增加不能解释大的负吉布斯自由能变化，g 0 对很多琉水性化合物来说，s 二在比较高的温度时接近零，在高于1 3 0 c 时变为负值 在这种情况下，对6 0 的主要贡献来自于胡0 。换句话说，胶束形成在较高温度下为 “焓驱动”，在常温下为。熵驱动” 2 s - 2 3 1 。而更多的研究发现：在更宽的范围内胶束 形成为。熵一焓互补”过程1 2 s - 3 4 。 1 3 d n a 一阳离子表面活性剂的相互作用 处于水溶液中的链状大分子，当温度或溶剂性质改变时都会从空间舒展构象转变为 6 新江大学硕士学位论文 紧密堆积构象。这种构象转变在许多化学及生理现象( 如d n a 凝聚、蛋白质交叠及合 成大分子等在溶液中的行为) 中扮演着重要角色d n a 一般以多种构象形式存在，其 中四种( 称a 、b 、c 、d 型) 为右手螺旋，而z 型为左手螺旋，d n a 在溶液中的构象 强烈依赖于溶液环境，如离子强度、p h 等。在活体细胞中，天然状态的d n a 通常都以 紧密堆积方式存在。 d n a 由于每个核酸单元上都连有负的磷氧基而可视作高度负电性的聚合物。类似 的聚合物与表面活性剂在水溶液中的相互作用，由于其在科研和生产领域中的应用而被 广泛研究 3 5 - 4 0 1 。比如，d n a 与表面活性剂相互作用形成沉淀可用来分离、纯化d n a 。 1 9 6 7 年，首次提出了用季铵盐通过凝结和沉淀的方法来提取、分离d n a 的技术f 4 1 j ，直 到现在仍广泛使用。表面活性剂与d n a 形成的复合物在基因材料的控制传输上更具有 使用价值【4 2 】。d n a 与表面活性剂的相互作用还可以用来制备超分子膜材料1 4 3 1 。近年来， 分子生物学的飞速发展使得基因疗法成为一种很有希望的分子水平的治疗方法，基因治 疗的关键是基因d n a 能够在载体的携带下通过细胞膜进入细胞内部附蛔表面活性剂 与d n a 相互作用形成复合物作为非病毒基因载体受到广泛关注【47 4 9 1 。因此，对d n a 与表面活性剂相互作用的研究，一方面对于生理学中改进基因传输载体，提高转染效率 十分重要冈；另一方面，表面活性剂与d n a 之间相互作用的微观过程及其形成各种复 合物的精细结构的研究对了解表面活性剂与聚电解质相互作用的物理化学本质也是很 有帮助的。因此研究两者的相互作用对生物、化学及材料学等多个领域都有重要意义。 1 3 l 阳离子表面活性；f ! f 与d n a 分子的键合模式及构象转变 一般认为阳离子表面活性剂与d n a 的键合可分为两个阶段【5 1 - 5 5 1 。第一阶段，由于静 电吸引作用，表面活性剂与凝聚在d n a 分子链上的反离子交换，键合引起的熵损失由反 离子向体相的扩散补偿，高效毛细管电泳证实第一阶段d n a 链的净电荷基本不变。第二 阶段，在表面活性剂浓度达到一定值时，开始以协同方式与d n a 分子发生键合。s p i n k 等【5 5 j 认为第二阶段协同键合本质上是由表面活性剂非极性链之间的疏水缔合推动的。由 键合协同性所获得的稳定化能是疏水链之间“肩并肩”缔合的结果这种缔合方式使得 烷基链尽可能地靠拢在d n a 分子表面，形成聚集体，从而最大程度上避免了与水的接触 不过此时聚集体仍然只能部分地将水分子排除于缔合区之外。只有当复合物发生凝聚后 疏水烷基链才会象胶束和囊泡那样完全地包埋于复合物内部。因此可以认为，在第二阶 段的协同键合过程中，表面活性剂非极性链的疏水作用起着关键作用。关于第二阶段键 合的协同性已经被键合等温线证明冈。 目前各种文献中对d n a 与表面活性剂形成的聚集体有称作表面活性剂的胶束状聚 集体( m i c e l l e - - l i k ea g g r e g a t e s ) ，也有称作“混合胶束”( m i x e dm i c d l c ) 张剑掣5 7 】 认为后者较为合理，因为d n a 链上也存在着疏水区，所以最终形成的复合物很可能是 d n a 链上的疏水部分也参与了胶柬的形成。形成的聚集体可看作一个大的多价离子，它 7 新让大学硕士学位论文 可进一步导致d n a 构象缩拢，这与以前发现的精胺、亚精胺等简单高价离子可以诱导 d n a 构象变化类似【锕。结合聚电鳞质与带相反电荷的离子表面活性剂相互作用的知识， d n a 与阳离子表面活性剂的作用过程可能如图i 6 1 5 7 所示。 图1 6d n a 与阳离子表面活性荆相互作用过程示意圈 晦1 6s c h e m a t i cp r e s e n t a t i o no f t s ei n t e r a c t i o nb n w e e md n aa n dc a t i o n i cs u r f 瞳e m n t 另外有人认为，表面活性荆与d n a 的相互作用是一个。全或无”的过程，即只有当 表面活性剂将一个d n a 分子链完全饱和后，才会与另一个d n a 分子开始键合【绷。而n i k a s 掣删通过实验及理论证实，非离子聚合物与表面活性剂的相互作用，如p v p 与s d s ，在 c a c 时，链上仅有一个胶束，当所有链上都存在一个胶束后才会继续在聚合物链上形成 第二个胶柬，这说明聚电解质与非离子聚合物和表面活性剂相互作用存在着很大的区 别。一般认为表面活性剂与d n a 磷酸根摩尔比为1 ：1 时，复合物呈电中性，而b l e s s i n g 等【6 l 】在对阳离子表面活性剂与d n a 形成的复合物进行电位测定时，发现在表面活性剂与 d n a 浓度比达1 5 时，复合物的电位仍在- 4 5 m v - 4 0 m v 之间b l e s s i n g 等 6 1 】认为该现象 是由于表面活性剂的疏水链倾向于包埋于复合物内部而使得部分d n a 负电荷暴露于复 合物与水的界面从而使电位呈较高的负值。 m e l i l i k o v 等嘲利用荧光显微镜对单个d n a 分子的构象变化观察发现，d n a 分子在 阳离子表面活性剂c t a b 的诱导下会发生由线圈向小球的构象转变，即d n a 分子发生凝 聚( 如图1 7 ) 。通过对荧光照片中d n a 分子的长轴长度( 荧光照片中一个d n a 分子轮 廓图的最长直径) 的测量可以表征d n a 的构象变化，结果表明：c t a b 浓度小于9 4 x 1 0 6 m 0 1 l - 1 时，d n a 都以线圈态存在( 图1 7 a ) ：而当c t a b 浓度为2 0 1 0 m o i l 1 时。 d n a 全部以小球状态存在( 图1 7 c ) ；在两个浓度区间内线圈与小球态共存( 图1 7 b ) 在共存区线圈态的d n a 被认为处于亚稳态，放置一段时间后会自动向小球态转变。 中间两种状态共存区及亚稳态的存在进一步说明了d n a 与表面活性剂相互作用为 一“全或无”的不连续过程表面活性剂与各个d n a 分子相互键合的不连续导致d n a 分子构象变化的不连续。从动力学角度来说共存区只能在一定时间内存在，可看作类似 于溶液的过冷或过饱和状态另外m e l n i k o v 等同还通过在载玻片上滴一滴较浓c t a b 溶液利用其在载玻片上形成浓度梯度，对其与d n a 的键合过程利用荧光显微镜观察，证 实每一个凝聚态复合物仅包含一个d n a 分子。 3 浙江大学硕士学位论文 图1 7c r a b 诱导d n a i 扫线圈向小球构象转变的荧光照片 f i g 1 7m i c r o g r a p hf o rt h ee o n f o r m a t i o n a lt r a n s i t i o no f d n af r o mc o l lt og l o b u l ei n d u c e db yc t a b 1 3 2d n a 一阳离子表面活性剂相互作用的研究方法 聚合物和表面活性剂相互作用的研究可分为两大类，即低浓度聚合物和高浓度聚合 物与表面活性剂相互作用的研究，并依据两组分的电荷分类研列6 2 1 。低浓度下聚合物与 表面活性剂的相互作用，主要研究表面活性剂对单个大分子构象的影响，称其为分子水 平研究；高浓度下聚合物与表面活性剂之间的相互作用如沉淀、絮凝等相分离现象，多 研究多分子间的相互作用，故称之为宏观水平研究。通常，两者发生相互作用的强度与 阳离子表面活性剂的分子结构，聚电解质的分子结构、电荷密度，体系各组分的浓度、 p h 值、离子强度以及温度等因素有关。研究过程中结合体系的特点而采用不同的研究方 法。 ( 1 ) 相图法 在较高浓度的阳离子表面活性剂与d n a 发生相互作用的体系中，生成的复合物一般 都要发生相分离。借助相图，通过其它技术手段可以研究不同p h 时表面活性剂溶液中 d n a 分子的构象状态。 图1 8d n a c t a b y g 体系三元相图 f 喀1 8p s e u d o t e r n a r yp h a s ed m g m mf o rd n a c t a b w a t e rs y s t e m d i a s 等k t 】利用拟三元相图对不同链长的烷基三甲基溴化物同系物( c t a b 、t f a b 、 d t a b ) 与d n a 在水溶液中的相行为进行了研究，考察了疏水作用对d n a 与表面活性剂 相行为的影响，如d n a d t a b 水体系得到图1 8 的三元相图。 9 浙江大学硕士学位论文 研究发现，d n a 与阳离子表面活性剂是以缔合方式发生相分离的，沉淀现象说明二 者作用非常强烈，阳离子表面活性剂中和了d n a 链上磷酸根的负电荷，使得各d n a 链 间斥力减小，最终导致其聚沉；沉淀并不因为加入过量的表面活性剂而溶解，这与其它 种类聚电解质与表面活性剂之间的相互作用不瓦j 6 2 , 6 4 , 6 5 ；沉淀在极低表面活性剂浓度下 产生，远低于它们的临界胶束浓度( c m c ) ，说明d n a 的加入有利于表面活性剂缔合 并与d n a 形成聚集体1 6 q ；随着阳离子表面活性7 f 【i 的链长增加，沉淀所需要的表面活性剂 量减小，即表面活性剂与d n a 之_ 间的相互作用加强，说明疏水作用有利于表面活性剂与 d n a 复合物的形成。d i a s 等【6 3 j 又以沉淀量对d t a b 和d n a 的摩尔比作图，在d n a 与 d t a b 摩尔比为1 ：1 即等电点附近，沉淀量增长出现一个平台，随后仅有少量的增长。 上层清液中水含量也在该点附近达到最大，随后水量变化为一直线，且与初始态水占整 个体系的质量分数相对应的直线平行。d i a s 等据此认为，在等点电以后继续加入的d t a b 都存在于上清液中而不参与复合物的生成，等电点后沉淀量的增加归因于残存在沉淀中 的上清液，因在处理沉淀时很难将上清液完全除尽，其中残存的表面活住剂导致了沉淀 量的少量增加。图中直线交叉点对应c d t a b c d n a = i 3 ，说明等电点后d t a b 在沉淀物上 仍可能有少量疏水聚集，从而导致等电点后沉淀量有小幅增加。显然，d n a 与表面活性 剂相互作用以静电作用为主导，但疏水作用也对缔合过程起着重要的辅助作用，即先以 亲水头基与d n a 链上的负电荷相互作用，再以疏水链的疏水作用将其它表面活性剂引入 该区域，即发生协同效应。 ( 2 ) 光散射法 z h u 等【6 7 】用光散射法研究了在磷酸二氢钠一磷酸氢二钠缓冲液( p b s ) 中d n a 和阳 离子表面活性剂：十六烷基氯化吡啶( c p c ) 、十二烷基苄基二甲基氯化铵( b a k l 2 ) 及十六烷基三甲基氯化铵( c t a c ) 形成的复合物的颗粒大小变化( 图1 9 ) c p c 和 图1 9d n a 一表面活性剂复合物在p b s 中的颗粒大小 f i g 1 9p a r t i c l es i z eo f t h ed n a - s u r f a c t a n tc o m p l e x i np b s c n 蛇的颗粒大小变化曲线比较相近，当浓度在5 1 0 一t 0 0 1 u 1 时，表面活性剂与d n a 形成聚集体，颗粒迅速增大到3 0 0n m ，此后保持不变。当浓度增大到2 5 1 0 2 t o o l l - 1 时，表面活性剂与d n a 形成更大的聚集体，颗粒又迅速增大。据此认为，这两个颗粒大 i o 浙江大学硕士学位论文 小突变点为d 1 、a c p c 、d n a c 1 a c 相互作用的l l 每界聚集浓度a 屹，在c a c 以下没有 相互作用 ( 3 ) 介电谱法 介电谱( d i e l e c t r i cs p e c t r o s c o p y ，d s ) 是一种通过对电介质进行介电测量的技术，常 用于研究蛋白质、核酸、细胞膜等生物分子在水溶液中表现出的典型的弛豫过程i 鲫。 d n a 在水溶液中，由于溶剂中反离子沿着聚合物表面的振荡而在一定频率范围内产生介 电弛豫，因此在介电谱中特定波频率范围产生两个明确的极化弛豫现象渺一7 1 1 。 b o n i n c o n l a o 等嗍用介电谱研究了十六烷基三甲基溴化铵( c t a b ) 和d n a 的相互作 j 1 壬王 i i - l t ll l - -_ 0 80 3“凹1 2 r 圈1 1 0 ( - ) 弛豫频率广和( b ) 介电变化af 与 c r a b i p 0 4 1 的摩尔比，的函数图 f i g 1 1 0 ( _ ) t h er e l a x a t i o nf r e q u e n c y , 广, a n d ( b ) t h ed i e l e c t r i ci n c r e m e n t , af ，