表活剂胶束的形态及表征.ppt

表面活性剂胶束的形态及表征 油田化学品部2017年3月 汇报提纲 概述胶束的形态表征方法动态光散射 电子显微镜 原子力显微镜 核磁共振结语 概述 胶束和分子有序组合体 熵增所支配 胶束 反胶束 囊泡 液晶 微乳 概述 胶束的定义 表面活性剂溶于水中 当其浓度较低时呈单分子分散或被吸附在溶液的表面上而降低表面张力 当表面活性剂的浓度增加至溶液表面已经饱和而不能再吸附时 表面活性剂的分子即开始转入溶液内部 由于表面活性剂分子的疏水部分与水的亲和力较小 而疏水部分之间的吸引力较大 当达到一定浓度时 许多表面活性剂分子 一般50 150个 的疏水部分便相互吸引 缔合在一起 形成缔合体 这种缔合体称为胶团或胶束 胶束的作用 概述 去污增溶 表面或界面张力降低催化剂药物载体 概述 胶束的驱油 胶束的形状可呈球状 层状 棒状 其尺寸大小在1nm 1000nm之间 这样的系统是均相的 热力学稳定系统 把它称为缔合胶束溶液或称为胶束电解质溶液 是胶体分散系统的重要组成部分 胶束的形态 概述 概述 囊泡 液晶 30 100nm左右也有大到10 m 理论上可能形成18种水体系中实际只有3种 概述 影响分子有序组合体大小和形状的因素 表面活性剂结构浓度温度无机电解质其它 Israelchvili提出了临界堆积参数P的概念 用来说明分子形状对自组装体形状的影响 P的计算公式如下 概述 结构对分子有序组合体形状的因素 V 表面活性剂疏水链体积l 疏水基最大伸展长度 亲水基横截面积 概述 胶束的形态 概述 胶束的形态 偏光显微镜 负染色透射电子显微镜 低温透射电子显微镜 Cryo TEM 冷冻刻蚀电子显微镜 FF SEM FF TEM 直接 表征方法 间接 各种波段的光 x衍射 中子散射 荧光淬灭 核磁共振 最直观的观察 显微镜 光学显微镜偏光显微镜 POL 微分干扰显微镜 DIC 荧光显微镜 电子显微镜扫描 透射 冷冻 冷冻刻蚀原子力显微镜 m nm Spherulite 0 2mm200nm1nm0 2nmo 1nm0 01nm 显微镜观察范围 r 分辨率与 成正比r小 分辨率越高对可见光 取 600nmr 200nm电子束 0 0388 0 00087nmr 0 1nm 显微镜的分辨率 有偏光和无偏光过滤下的5mmol L甘露糖赤藓糖醇酯癸烷溶液的光学照片 JournalofOleoScience 2012 61 5 285 289 DIC differentialinterferencecontrastmicroscopePOL Polarizingmicroscope 光学显微镜 共聚焦荧光显微镜图像 Langmuir 2010 26 19 15210 15218 荧光显微镜图像 光学显微镜 主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态 即用极狭窄的电子束去扫描样品 通过电子束与样品的相互作用产生各种效应 其中主要是样品的二次电子发射 二次电子能够产生样品表面放大的形貌像 把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上 电子与样品中的原子碰撞而改变方向 从而产生立体角散射 散射角的大小与样品的密度 厚度相关 因此可以形成明暗不同的影像 影像将在放大 聚焦后在成像器件 如荧光屏 胶片 以及感光耦合组件 上显示出来 扫描 透射 电子显微镜 冷冻透射电子显微镜 Cryo TEM 冷冻扫描电子显微镜 Cryo SEM 冷冻刻蚀电子显微镜 FEE TEM Vitrobot MarkIV 超低温快速冷冻 保持胶束的原始形态和特征 冷冻电子显微镜 冷冻制样技术是一种物理制样技术 用超低温快速冷冻的处理方法 代替常规的化学处理 三 冷冻制样的核心技术 快速冷冻 二 冷冻制样的内容 冷冻固定冷冻干燥冷冻超薄切片冷冻断裂 复型 四 优点 能保持原始状态特征 一 冷冻制样 冷冻制样技术概述 冰可以多种物理状态存在六角形冰立方体冰玻璃态冰玻璃态冰是一种无定形状态保持生物分子的天然结构提供生物分子所需的水分冰的物理状态与水的冷冻速率有关在极高的冷冻速率 104 C s 水形成玻璃态的冰 冰的物理状态 冷冻制样技术概述 将样品快速的冷冻在玻璃态的冰中优点 样品含水天然状态结构与在溶液中相同真实结构分辨率高 0 2nm结构是高分辨的 保真的结构 冷冻制样技术概述 2 冷冻固定三要素 冷冻速度 温度和细胞质浓度 1 概念 在制冷剂的作用下使样品快速冻结 硬化 从而保持样品原有的超微结构和化学成分 改善某些物理性质 便于后续处理或观察 冷冻速度 大于7800 秒 形成的冰晶小于20nm 温度 低于再结晶点 160 细胞质的浓度 浓度高则温差小 不易冻伤 冷冻固定 冷冻制样技术概述 1 液氮直接冷冻法 2 中间冷媒法 速率高 小块样品用一滴保护剂粘在样品头上 迅速投入液氮中冷冻固定 液氮预冷金属杯杯内注入丙烷样品投入丙烷中冷冻 1 冷冻固定的基本流程 2 方法 冷冻固定 冷冻制样技术概述 HelenSaibil 冷冻固定 冷冻制样技术概述 1 新鲜样品直接冷冻干燥法 2 有机溶剂取代的冷冻干燥法 冷冻干燥的方法 冷冻制样技术概述 二 制作流程 冷冻超薄切片 冷冻制样技术概述 冷冻断裂复型技术 冷冻蚀刻透射电镜 EF TEM 1 冷冻断裂复型技术 新鲜样品通过冷冻断裂 将断面制成可以反映样品形态的复型膜 以便在透射电镜下观察的制样技术 2 特点 避免化学处理损伤 能更好地保存细胞生活状态 能显示细胞劈裂面的超微结构 分辨率较高 图像立体感强 由铂 碳制成的复型膜 耐受电子束轰击 易于长期保存 操作简单 样品制备周期短 与超薄切片比较 冷冻制样技术概述 冷冻断裂复型技术图示流程 冷冻制样技术概述 冷冻烛刻透射电镜观察 FF TEM 制样过程 用滴管吸取少量溶液滴在铜质样品台上形成鼓包 然后将样品迅速插入到液氮冷却的液态乙烷中 使样品冷冻玻璃化 样品的刻蚀和复型通过冷冻蚀刻制样台 EMBAF060 Leica 德国 完成 将样品转移到制样台的样品腔中 腔体温度通过液氮气流控制在 150 真空度达3 10 7Pa 样品温度与腔体温度平衡后 通过硬金属刀断裂样品鼓包 调节温度使样品表面冰层经过短暂烛刻后 先将以Pt C以45o角喷射到样品表面对样品结构进行复型 再将C以90o角电喷溅到样品表面以承载和强化复型膜 将复型膜浸洗下来转移到裸铜网上瞭干 通过JEOLJEM 1400电镜观察 董人豪山东大学博士论文20130420 低温透射电镜观察 cryo TEM 制样过程 董人豪山东大学博士论文20130420 样品制备是在环境可控的低温制样装置内CryoplungeTM3内进行 环境温度控制在25 Cp3腔体内相对湿度大于90 制样过程如下 用镊子夹住微栅输送到Cp3腔体中 用移液枪移取1ul样品溶液粘到微栅上 通过Cp3两侧的滤纸拍打样品 对微栅表面液滴进行减薄以获得极薄的一层液膜 随后将样品快速插入到液氮冷却的液态乙烷中 165 冷冻后的样品通过Gatan626样品杆转移到透射电镜样品腔中 进行观察 低温透射电镜观察 cryo TEM 液态乙烷和液态丙烷 aL3 相 海绵相 模型 b溶液的FF TEM结果 郝京诚等 中国科学 B辑 2003年8月第33卷第4期p276 冷冻断裂复型技术的应用 AFM是在STM的基础上发展起来的 所不同的是 它不是利用电子隧道效应 而是利用原子之间的范德华力作用来呈现样品的表面特性 原子力显微镜 基本原理 仪器构成 力检测部分 位置检测部分 反馈电子系统 压电扫描系统 原子力显微镜的应用 通过动态光散射的方法可以测量大分子和胶体粒子的流体力学半径分布情况 通过静态光散射的方法可测量高聚物的重均分子量MW weightaveragedmolecularmass 均方根旋转半径Rg radiusofgyration 和第二维里系数B2 secondosmoticvirialcoefficient 该仪器可测粒子大小为几个nm至1 m 并具有不破坏体系原有状态的特征 因此在高分子与胶体化学 材料科学 生命科学等方面都得到广泛应用 光散射 动态光散射 上亿个粒子的统计学效果 使得对粒径及其分布的测量更加准确对微量存在的大颗粒极其敏感在溶液状态下测量颗粒的尺寸测试速度快 所需样品少需要溶液的粘度和折光指数等光学参数所得到的尺寸分布正比于不同种类颗粒对光强的贡献率 动态光散射 动态光散射DynamicLightScattering DLS 也称光子相关光谱PhotonCorrelationSpectroscopy PCS 准弹性光散射quasi elasticscattering 测量光强的波动随时间的变化粒子的布朗运动Brownianmotion导致光强的波动光子相关器correlator将光强的波动转化为相关方程相关方程检测光强波动的的速度 从而我们得到粒子的扩散速度信息和粒子的粒径d h 从相关方程我们还可以得到尺寸的分布信息 MalvernZetasizerNano系列 42 动态光散射的应用 核磁共振 h 化学位移耦合常数弛豫时间磁化强度 磁性核 I 0 静磁场与原子核能级裂分匹配的射频 CMC测定随浓度变化的突变指示聚集数测定化学位移形态 大小 微观结构NOESY COSY 弛豫时间测量胶束动力学研究弛豫方法 动态核磁共振法 DNMR 核磁共振 核磁共振的脉冲序列 几种常见NOESY序列 46 核磁共振应用举例 双子 常规表面活性剂混合胶束大小的NMR研究 结语 Micelleshavenowbeenstudiedwithalmosteverytechniquedevisedbymodernscience includingX raydiffraction XRD nuclearmagneticresonance