表活剂胶束的形态及表征.ppt

表面活性剂胶束表面活性剂胶束的形态及表征的形态及表征油田化学品部2017年3月汇报提纲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所支配熵增所支配胶束、反胶束、囊泡、液晶、微乳胶束、反胶束、囊泡、液晶、微乳概概 述述胶束的定义胶束的定义 表表面面活活性性剂剂溶溶于于水水中中，当当其其浓浓度度较较低低时时呈呈单单分分子子分分散散或或被被吸吸附附在在溶溶液液的的表表面面上上而而降降低低表表面面张张力力。当当表表面面活活性性剂剂的的浓浓度度增增加加至至溶溶液液表表面面已已经经饱饱和和而而不不能能再再吸吸附附时时，表表面面活活性性剂剂的的分分子子即即开开始始转转入入溶溶液液内内部部，由由于于表表面面活活性性剂剂分分子子的的疏疏水水部部分分与与水水的的亲亲和和力力较较小小，而而疏疏水水部部分分之之间间的的吸吸引引力力较较大大，当当达达到到一一定定浓浓度度时时，许许多多表表面面活活性性剂剂分分子子（一一般般5050150150个个）的的疏疏水水部部分分便便相相互互吸吸引引，缔缔合合在在一一起起，形形成成缔缔合合体体，这这种种缔缔合合体体称称为为胶团或胶束。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 述述胶束的驱油胶束的驱油 胶束的形状可呈球状、层状、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，把它称为之间，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。成部分。胶束的形态胶束的形态概概 述述概概 述述囊泡、液晶囊泡、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：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 述述胶束的形态胶束的形态概概 述述胶束的形态胶束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（Cryo-TEMCryo-TEM）；）；冷冻刻蚀电子显微镜（冷冻刻蚀电子显微镜（FF-SEM FF-SEM、FF-TEMFF-TEM）；）；直接直接表征方法表征方法间接间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 in 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）分开两个物点间物点的能力，数值上是刚能（清楚地）分开两个物点间的最小距离。的最小距离。阿贝公式：阿贝公式：显微镜的分辨率显微镜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 (Cryo-TEM)(Cryo-TEM)冷冻扫描电子显微镜 (Cryo-SEM)Cryo-SEM)冷冻刻蚀电子显微镜 (FEE-TEM)FEE-TEM)Vitrobot Mark IV超低温快速冷冻，保持胶束的原始超低温快速冷冻，保持胶束的原始形态和特征形态和特征冷冻电子显微镜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：能保持原始状态特征能保持原始状态特征一、冷冻制样：一、冷冻制样：冷冻制样技术概述冷冻制样技术概述r冰可以多种物理状态存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的物理状态冰的物理状态冷冻制样技术概述冷冻制样技术概述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，0.2 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！冷冻制样技术概述冷冻制样技术概述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，从而保持样品原有、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。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制样技术概述冷冻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固定冷冻制样技术概述冷冻制样技术概述ethaneliquid nitrogengridforcepsHelen Saibil冷冻固定冷冻固定冷冻制样技术概述冷冻制样技术概述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制样技术概述冷冻制样技术概述一、类型一、类型直接冷冻固定直接冷冻固定：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 进行进行冷冻超薄切片冷冻超薄切片冷冻制样技术概述冷冻制样技术概述冷冻断裂复型技术冷冻断裂复型技术冷冻蚀刻透射电镜（冷冻蚀刻透射电镜（EF-TEM）1.冷冻断裂复型技术冷冻断裂复型技术：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）冷冻制样技术概述冷冻制样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流程冷冻断裂复型技术图示流程冷冻制样技术概述冷冻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 用用滴滴管管吸吸取取少少量量溶溶液液滴滴在在铜铜质质样样品品台台上上形形成成鼓鼓包包，然然后后将将样样品品迅迅速速插插入入到到液液氮氮冷冷却却的的液液态态乙乙烷烷中中，使使样样品品冷冷冻冻玻玻璃璃化化。样样品品的的刻刻蚀蚀和和复复型型通通过过冷冷冻冻蚀蚀刻刻制制样样台台（EM BAF060，Leica，德德国国）完完成成。将将样样品品转转移移到到制制样样台台的的样样品品腔腔中中，腔腔体体温温度度通通过过液液氮氮气气流流控控制制在在-150，真真空空度度达达310-7Pa。样样品品温温度度与与腔腔体体温温度度平平衡衡后后，通通过过硬硬金金属属刀刀断断裂裂样样品品鼓鼓包包，调调节节温温度度使使样样品品表表面面冰冰层层经经过过短短暂暂烛烛刻刻后后，先先将将以以Pt/C以以45o角角喷喷射射到到样样品品表表面面对对样样品品结结构构进进行行复复型型，再再将将C以以90o角角电电喷喷溅溅到到样样品品表表面面以以承承载载和和强强化化复复型型膜膜。将将复复型型膜膜浸浸洗洗下下来来转转移移到到裸裸铜网上瞭干，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 山东大学博士论文山东大学博士论文 20130420低温透射电镜观察（低温透射电镜观察（cryo-TEM）制样过程制样过程董人豪董人豪 山东大学博士论文山东大学博士论文 20130420 样样品品制制备备是是在在环环境境可可控控的的低低温温制制样样装装置置内内Cryoplunge TM3内内进进行行，环环境境温温度度控控制制在在 25 ，Cp3腔腔体体内内相相对对湿湿度度大大于于90%。制制样样过过程程如如下下：用用镊镊子子夹夹住住微微栅栅输输送送到到Cp3腔腔体体中中，用用移移液液枪枪移移取取1ul样样品品溶溶液液粘粘到到微微栅栅上上，通通过过Cp3两两侧侧的的滤滤纸纸拍拍打打样样品品，对对微微栅栅表表面面液液滴滴进进行行减减薄薄以以获获得得极极薄薄的的一一层层液液膜膜。随随后后将将样样品品快快速速插插入入到到液液氮氮冷冷却却的的液液态态乙乙烷烷中中（-165）。冷冷冻冻后后的的样样品品通通过过Gatan626样样品品杆杆转转移移到到透透射射电镜样品腔中，进行观察。电镜样品腔中，进行观察。低温透射电镜观察（低温透射电镜观察（cryo-TEM）液态乙烷和液态丙烷液态乙烷和液态丙烷丙烷熔点()-187.6沸点()-42.09饱和蒸气压(kPa)53.32闪点()-104乙烷熔点()-183.3沸点()-88.6饱和蒸气压(kPa)53.32(-99.7)闪点()-50a La L3 3-相（海绵相）模型相（海绵相）模型；b b 溶液的溶液的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（radius of gyration）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 spectroscopyMicroscopy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)Dynamic Light Scattering(DLS)，也称光子，也称光子相关光谱相关光谱Photon Correlation Spectroscopy(PCS)Photon Correlation Spectroscopy(PCS)，准，准弹性光散射弹性光散射quasi-elastic scatteringquasi-elastic scattering，测量光强的波动，测量光强的波动随时间的变化随时间的变化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扩散速度信息散速度信息和和粒子的粒径粒子的粒径d(h)d(h)r从相关方程我们还可以得到从相关方程我们还可以得到尺寸的分布尺寸的分布信息信息Malvern Zetasizer Nano系列系列动态光散射的应用动态光散射的应用42核磁共振核磁共振h化学位移耦合常数弛豫时间 磁化强度磁性核（磁性核（I I 0 0）静磁场静磁场与原子核能级裂分匹配的射频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随浓度变化的突变指示聚集数测定 化学位移化学位移形态、大小、微观结构 NOESY NOESY、COSYCOSY、弛豫时间测量、弛豫时间测量胶束动力学研究 弛豫方法、动态核磁共振法（弛豫方法、动态核磁共振法（DNMR)DNMR)核磁共振核磁共振核磁共振的脉冲序列核磁共振的脉冲序列几种常见几种常见NOESY序列序列BPP-LEDEXSY核磁共振应用举例核磁共振应用举例双子双子/常规表面活性剂混合胶束大小的常规表面活性剂混合胶束大小的NMR研究研究46结结 语语Micelles have now been studied with almost every technique devised by modern science,including X-ray diffraction(XRD),nuclear magnetic resonance(NMR),electron spin resonance(ESR),small-angle neutron scattering(SANS),light scattering,fluorescence,calorimetry,and many other solution and spectroscopic techniques.Surfactant Science and Technology Third Edition Drew Myers 2006 谢谢！谢谢！48此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！