表活剂胶束的形态及表征

1、油田化学品部2017年3月汇报汇报提纲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；核磁共振结语概概 述述胶束和分子有序组合体胶束和分子有序组合体熵增熵增所所支配支配胶束、反胶束、囊泡、液晶、微乳胶束、反胶束、囊泡、液晶、微乳概概 述述胶束胶束的定义的定义 表面活性剂表面活性剂溶于水中，当其浓度较低时呈单分子溶于水中，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，由于附时，表

2、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（一般表面活性剂分子（一般5050150150个）的疏水部分便相个）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。胶团或胶束。胶束的作用胶束的作用概概 述述去污去污增溶增溶表面或界面张力降低表面或界面张力降低催化剂催化剂药物载体药物载体概概 述述胶束的胶束的驱油驱油 胶束的形状可呈球状、层状

3、、棒状，其尺寸大小在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。组成部分。 胶束胶束的形态的形态概概 述述概概 述述囊囊泡、泡、液晶液晶30100nm左右左右也有大到也有大到10m理论上可能形成理论上可能形成18种种水体系中实际只有水体系中实际只有3种种概概 述述影响分子有序组合体大小和形状的因素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

4、质其它IsraelchviliIsraelchvili提出了提出了临界堆积参数临界堆积参数P P的概念，用的概念，用来说明分子形状对自组装体形状的影响。来说明分子形状对自组装体形状的影响。P P的计的计算公式如下：算公式如下： claVp0概概 述述结构对分子有序组合体形状的因素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：亲水基横截面积概概 述述胶束胶束的形态的形态概概 述述胶束胶束的形态的形态偏光显微镜偏光显微镜；负染色透射电子显微镜；负染色透射电子显微镜；低温透射电子显微镜（低温透射电子显微镜（CryoCryo-TEM-TEM）；）；冷冻刻蚀电子显微镜（

5、冷冻刻蚀电子显微镜（ FF-SEM FF-SEM 、FF-TEMFF-TEM）；直接直接表征表征方法方法间间接接各种波段的光各种波段的光；x x衍射；中子散射；荧光淬灭；衍射；中子散射；荧光淬灭；核磁共振核磁共振最直观的观察最直观的观察显微镜显微镜光学显微镜光学显微镜 偏光显微镜(POL); 微分干扰显微镜(DIC); 荧光显微镜; 电子显微镜电子显微镜 扫描、透射、冷冻、冷冻刻蚀原子力显微镜原子力显微镜 m nmSpheruliteStacked lamellar structure in a spheruliteCrystal structureFolded chains packed i

6、n a crystalline lamellae人眼光学显微镜透射电子显微镜扫描电子显微镜扫描探针显微镜0.2mm 200nm 1nm 0.2nm o.1nm 0.01nm显微镜观察范围显微镜观察范围 r 分辨率分辨率 与与成正比成正比 r小，分辨率越高 对可见光：取对可见光：取=600nm r=200nm 电子束：电子束： =0.03880.00087nm r=0.1nm)(sin61.0nmnr分辨率（分辨能力、分辨本领）：一个光学系统能分开两个分辨率（分辨能力、分辨本领）：一个光学系统能分开两个物点的能力，数值上是刚能（清楚地）分开两个物点间的最物点的能力，数值上是刚能（清楚地）分开两个

7、物点间的最小距离。小距离。 阿贝公式：阿贝公式：显微镜显微镜的分辨率的分辨率有偏光和无偏光过滤下的5 mmol/L甘露糖赤藓糖醇酯癸烷溶液的光学照片 Journal of Oleo Science，2012，61( 5) : 285-289DIC:differential interference contrast microscopePOL:Polarizing microscope光学显微镜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

8、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。扫描扫描透射透射电子显微镜电子显微镜冷冻透射电子显微镜 ( (CryoCryo-TEM)-TEM)冷冻扫描电子显微镜 ( (CryoCryo-SEM)-SEM)冷冻刻蚀电子显微镜 ( (FEE-TEM)FEE-TEM)Vitrobot M

9、ark IV超低温超低温快速冷冻，保持胶束的原始快速冷冻，保持胶束的原始形态和特征形态和特征冷冻冷冻电子显微镜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的处理方法，代替常规的化学处理。三、冷冻制样的核心技三、冷冻制样的核心技术：术：快速冷冻快速冷冻二、冷冻制样的内容二、冷冻制样的内容冷冻固定冷冻固定冷冻干燥冷冻干燥冷冻超薄切片冷冻超薄切片冷冻断裂、复型冷冻断裂、复型四、优点四、优点： 能保持原始能保持原始状态状态特征特征一、冷冻制样：一、冷冻制样：冷冻冷冻制样技术概述制样技术概述r冰可以多种物理状态存

10、在冰可以多种物理状态存在六角形冰六角形冰立方体冰立方体冰玻璃态冰玻璃态冰r玻璃态冰是一种无定形状态玻璃态冰是一种无定形状态保持生物分子的天然结构保持生物分子的天然结构提供生物分子所需的水分提供生物分子所需的水分r冰的物理状态与水的冷冻速率有关冰的物理状态与水的冷冻速率有关在极高的冷冻速率（在极高的冷冻速率（104 C/s)，水形成玻璃态的冰，水形成玻璃态的冰冰冰的物理状态的物理状态冷冻冷冻制样技术概述制样技术概述r将样品快速的冷冻在玻璃态的冰中将样品快速的冷冻在玻璃态的冰中r优点：优点：样品含水样品含水天然状态天然状态结构与在溶液中相同结构与在溶液中相同 真实结构真实结构分辨率高，分辨率高，0

11、.2 nm结构是高分辨的、保真的结构！结构是高分辨的、保真的结构！冷冻冷冻制样技术概述制样技术概述2、冷冻固定三要素：、冷冻固定三要素：冷冻速度、温度和细胞质浓度冷冻速度、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、概念：在制冷剂的作用下使样品快速冻结、硬化，从而，从而保持样品原有保持样品原有的超微结构和化学成分，改善的超微结构和化学成分，改善某些物理性质某些物理性质，便于后续处理或观察。，便于后续处理或观察。冷冻速度：大于冷冻速度：大于7800/秒，形成的冰晶小于秒，形成的冰晶小于20nm。温度：低于再结晶点（温度：低于再结晶点（ -160 ）细胞质的浓度细胞质的浓度：浓

12、度高则温差小，不易冻伤。浓度高则温差小，不易冻伤。冷冻固定冷冻固定冷冻冷冻制样技术概述制样技术概述新鲜新鲜样品样品戊二醛戊二醛 固定固定保护剂保护剂 处理处理冷冻冷冻固定固定 预冷预冷样品室样品室 冷冻干燥冷冻干燥 或切片或切片（1）液氮直接冷冻法）液氮直接冷冻法：（2）中间冷媒法：速率高）中间冷媒法：速率高小块样品用一滴保护剂粘在样品头上，小块样品用一滴保护剂粘在样品头上，迅速投入迅速投入液氮中冷冻固定。液氮中冷冻固定。液氮预冷金属杯液氮预冷金属杯杯内注入丙烷杯内注入丙烷样品投入丙烷中冷冻样品投入丙烷中冷冻1.冷冻固定的基本流程冷冻固定的基本流程：2.方法方法：液氮金属杯丙烷丙烷冷冻固定冷冻

13、固定冷冻冷冻制样技术概述制样技术概述ethaneliquid nitrogengridforcepsHelen Saibil冷冻固定冷冻固定冷冻冷冻制样技术概述制样技术概述1.新鲜样品直接冷冻干燥法：新鲜样品直接冷冻干燥法：鲜样粘鲜样粘在铜片在铜片冷冻冷冻固定固定 真空真空干燥器干燥器回回温温常规常规包埋包埋导电导电处理处理TEMSEM预冷却预冷却-80 2.有机溶剂取代的冷冻干燥法有机溶剂取代的冷冻干燥法：常规常规固定固定脱水脱水100%乙醚乙醚冷冷冻冻真空真空干燥干燥回回温温后续后续处理处理冷冻干燥的方法冷冻干燥的方法冷冻冷冻制样技术概述制样技术概述一、类型一、类型直接冷冻固定直接冷冻固定

14、：橡胶、塑料等弹性材料和高分子材料，橡胶、塑料等弹性材料和高分子材料， 生物材料进行生物材料进行X射线微区分析射线微区分析醛固定、冷冻保护：形态研究、细胞化学、免疫化学醛固定、冷冻保护：形态研究、细胞化学、免疫化学二、制作流程二、制作流程：取取材材醛类醛类固定固定保护保护处理处理冷冻冷冻固定固定超薄超薄切片切片染色染色镜检镜检五字五字原则原则pH值值/渗透压渗透压温度温度/时间时间持续持续-140 回温后回温后 进行进行冷冻冷冻超薄切片超薄切片冷冻冷冻制样技术概述制样技术概述冷冻断裂复型冷冻断裂复型技术技术冷冻蚀刻冷冻蚀刻透射电镜（透射电镜（EF-TEM）1.冷冻断裂复型技术冷冻断裂复型技术：

15、 新鲜新鲜样品通过冷冻断裂，将断面制成可以反映样品通过冷冻断裂，将断面制成可以反映样品形态样品形态的复的复型膜，以便在透射电镜下观察的制样技术型膜，以便在透射电镜下观察的制样技术。2.特点：特点：避免化学处理损伤，能更好地保存细胞生活状态；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；能显示细胞劈裂面的超微结构，分辨率较高；图像立体感强；图像立体感强；由铂由铂,碳制成的复型膜，耐受电子束轰击，易于长期保存；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（与超薄切片比较操作简单，样品制备周期短（与超薄切片比较）冷冻冷冻制样技术概述制样

16、技术概述预处理预处理/ /冷冻固定冷冻固定样品断裂样品断裂/ /暴露观察面暴露观察面离子蚀刻离子蚀刻/ /表面冰升华表面冰升华喷镀复型膜喷镀复型膜/ /碳、铂金碳、铂金分离复型膜分离复型膜/ /网捞网捞冷冻断裂复型技术图示冷冻断裂复型技术图示流程流程冷冻冷冻制样技术概述制样技术概述冷冻烛刻透射电镜观察（冷冻烛刻透射电镜观察（FF-TEM）制样过程制样过程 用用滴管吸取少量溶液滴在铜质样品台上形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。样品的刻蚀和态乙烷中，使样品冷冻玻璃化。样品的刻蚀和复型通过冷

17、冻蚀刻制样台（复型通过冷冻蚀刻制样台（EM BAF060，Leica，德国）完成。将样品转移到制样台的，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样品腔中，腔体温度通过液氮气流控制在-150，真空度达，真空度达310-7Pa。样品温度与腔体。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，先将节温度使样品表面冰层经过短暂烛刻后，先将以以Pt/C以以45o角喷射到样品表面对样品结构进角喷射到样品表面对样品结构进行复型，再将行复型，再将C以以90o角电喷溅到样品表面以承角电喷溅到样品表面以承

18、载和强化复型膜。将复型膜浸洗下来转移到裸载和强化复型膜。将复型膜浸洗下来转移到裸铜网上瞭干，通过铜网上瞭干，通过JEOL JEM-1400电镜观察。电镜观察。董人豪董人豪 山东大学山东大学博士博士论文论文 20130420低温低温透射电镜观察（透射电镜观察（cryo-TEM）制样过程制样过程董人豪董人豪 山东大学山东大学博士博士论文论文 20130420 样品样品制备是在环境可控的低温制样装置内制备是在环境可控的低温制样装置内Cryoplunge TM3内进行，环境温度控制内进行，环境温度控制在在 25 ，Cp3腔体内相对湿度腔体内相对湿度大于大于90%。制样过程如下：用镊子夹住微栅输送到。制

19、样过程如下：用镊子夹住微栅输送到Cp3腔体腔体中，用移液枪移取中，用移液枪移取1ul样品溶液粘到微栅上，通过样品溶液粘到微栅上，通过Cp3两侧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滤纸拍打样品，对微栅表面液滴进行减薄以获得极薄的的一一层层液膜。随后将样品快速插入到液氮冷却的液态乙烷中液膜。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。冷冻后的样品通过Gatan626样品杆转移到透样品杆转移到透射电镜样品腔中，进行观察。射电镜样品腔中，进行观察。低温低温透射电镜观察（透射电镜观察（cryo-TEM）液态乙烷和液态丙烷液态乙烷和液态丙烷丙烷丙烷熔点熔点(

20、)-187.6沸点沸点()-42.09饱和蒸气压饱和蒸气压(kPa)53.32闪点闪点()-104乙烷乙烷熔点熔点()-183.3沸点沸点()-88.6饱和蒸气压饱和蒸气压(kPa)53.32(-99.7)闪点闪点()-50a a L L3 3- -相（海绵相）相（海绵相）模型模型；b b 溶液溶液的的FF-TEMFF-TEM结果结果郝京诚等；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冷冻断裂复型技术的应用AFMAFM是在是在STMSTM的基础上发展起来的。所不同的是，它不是利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，而是用电子隧道效应，而是利用

21、原子之间的范德华力作用来呈利用原子之间的范德华力作用来呈现样品的表面特性现样品的表面特性。 吸引部分排斥部分F pair d原子原子排斥力原子原子吸引力原子力显微镜原子力显微镜基本原理基本原理仪器构成仪器构成力检测部分力检测部分位置检测部分位置检测部分反馈电子系统反馈电子系统压电扫描系统压电扫描系统 原子力显微镜的应用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(weight averaged molecular mass) ，均方根 旋 转 半 径 Rg（ r a d i u s o f g y r

22、 a t i o n ） 和 第 二 维 里 系 数B2(second osmotic virial coefficient)。该仪器可测粒子大小为几个nm至1m，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。光散射光散射1000110100110100纳米纳米微米微米0.1SievesElectron microscopySedimentationDisc centrifugeLaser diffractionElectrozone sensingAFM/STM etcDynamic light scatteringAcoustic spec

23、troscopyMicroscopy动态光散射动态光散射r上亿个粒子的统计学效果，使得对粒径及其分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布的测量更加准确r对微量存在的大颗粒极其敏感对微量存在的大颗粒极其敏感r在溶液状态下测量颗粒的尺寸在溶液状态下测量颗粒的尺寸r测试速度快，所需样品少测试速度快，所需样品少r需要溶液的粘度和折光指数等光学参数需要溶液的粘度和折光指数等光学参数r所得到的尺寸分布正比于不同种类颗粒对光强所得到的尺寸分布正比于不同种类颗粒对光强的贡献率的贡献率动态光散射动态光散射r动态光散射动态光散射Dynamic Light Scattering (DLS)Dyn

24、amic Light Scattering (DLS)，也称光，也称光子相关光谱子相关光谱Photon Correlation Spectroscopy (PCS)Photon Correlation Spectroscopy (PCS) ，准弹性光散射准弹性光散射quasi-elastic scatteringquasi-elastic scattering，测量光强的，测量光强的波动随时间的变化波动随时间的变化r粒子的粒子的布朗运动布朗运动Brownian motionBrownian motion导致光强的波动导致光强的波动r光子相关器光子相关器correlatorcorrelator将光强的波动转化为将光强的波动转化为相关方程相关方程r相关方程检测光强波动的的速度，从而我们得到粒子的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扩散速度信息和和粒子