表活剂胶束的形态及表征课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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,30100nm,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,Stacked lamellar structure in a spherulite,Crystal structure,Folded 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,r,分辨率 与,成正比,r,小，分辨率越高,对可见光：取,=600nm r=200nm,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。,阿贝公式：,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):285-289,DIC:differential interference contrast microscope,POL:Polarizing microscope,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 Mark IV,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（,10,4,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，,0.2 nm,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,新鲜,样品,戊二醛,固定,保护剂,处理,冷冻,固定,预冷,样品室,冷冻干燥,或切片,（,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,：,液氮,金属杯,丙烷,冷冻固定,冷冻制样技术概述,ethane,liquid nitrogen,grid,forceps,Helen Saibil,冷冻固定,冷冻制样技术概述,1.,新鲜样品直接冷冻干燥法：,鲜样粘,在铜片,冷冻,固定,真空,干燥器,回温,常规,包埋,导电,处理,TEM,SEM,预冷却,-80,2.,有机溶剂取代的冷冻干燥法,：,常规,固定,脱水,100%,乙醚,冷,冻,真空,干燥,回,温,后续处理,冷冻干燥的方法,冷冻制样技术概述,一、类型,直接冷冻固定,：,橡胶、塑料等弹性材料和高分子材料，,生物材料进行,X,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,二、制作流程,：,取材,醛类,固定,保护,处理,冷冻,固定,超薄,切片,染色,镜检,五字,原则,pH,值,/,渗透压,温度,/,时间,持续,-140,回温后,进行,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,预处理,/,冷冻固定,样品断裂,/,暴露观察面,离子蚀刻,/,表面冰升华,喷镀复型膜,/,碳、铂金,分离复型膜,/,网捞,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（,EM BAF060,，,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,-7,Pa,。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,45,o,角喷射到样品表面对样品结构进行复型，再将,C,以,90,o,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,JEOL JEM-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,Cryoplunge TM3,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,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,(,),-50,a L,3,-,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,。,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,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(weight averaged molecular mass),，均方根旋转半径,R,g,（,radius of gyration,）和第二维里系数,B,2,(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,1000,1,10,100,1,10,100,纳米,微米,0.1,Sieves,Electron microscopy,Sedimentation,Disc centrifuge,Laser diffraction,Electrozone sensing,AFM/STM etc,Dynamic light scattering,Acoustic spectroscopy,Microscopy,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,Dynamic Light Scattering(DLS),，也称光子相关光谱,Photon Correlation Spectroscopy(PCS),，准弹性光散射,quasi-elastic scattering,，测量光强的波动随时间的变化,粒子的,布朗运动,Brownian motion,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,Malvern Zetasizer Nano,系列,动态光散射的应用,42,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,BPP-LED,EXSY,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,46,结 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！,48,