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囊泡的结构与形成
来源:《日用化学工业》编辑部 时间:2016-05-29
    表面活性剂分子具有结构上的不对称性,同时具有亲水基和疏水基,即具有两亲性,在水和非极性溶剂中均有一定的溶解度。在水中,表面活性剂在疏水作用的驱动下自发形成疏水基朝内、亲水基朝外的有序结构,其中一种是双分子层结构,双层结构封闭起来即形成囊泡(vesicle)。
    许多天然和合成的表面活性剂以及在水中不能缔合成胶束的磷脂分子会自发形成囊泡,其中天然磷脂形成的囊泡也称为脂质体(liposome),因此脂质体是一类特殊的囊泡,也是人类最早发现的囊泡体系。囊泡具有独特的封闭双层的结构,内部含有一个或多个水室,非常类似生物膜,因此可以被用来进行生物细胞膜的模拟研究、药物的封装和输送等,广泛应用在改变反应微环境、制备纳米材料、药物运载等方面。笔者从囊泡的形成、结构、性质及其应用等方面进行简要阐述。
 
囊泡的结构
    囊泡是由封闭双分子层形成的球形或近球形结构,内部含有一个或多个水室。如下图所示,只含有一个水室的囊泡是单室囊泡;多室囊泡则是封闭双分子层形成同心球式的排列,中心及各个双层中间均为水室。双分子层内表面活性剂分子的疏水链“尾对尾”排列并可能发生交叉或倾斜。常见的囊泡的线性尺寸一般为30~100 nm,也有达到数微米的单室囊泡。多室囊泡一般比单室囊泡大一些,在微米数量级附近。除了球形、近球形囊泡外,还发现有管状的囊泡。
 
a  单室囊泡         b  多室囊泡
 
囊泡的形成
    不是所有的表面活性剂都可以形成囊泡,能否形成囊泡取决于其分子结构。囊泡是由曲率较小的双层结构形成,曲率则由分子结构来决定。根据表面活性剂的几何排列参数P(P=V/al),可以估计是否容易形成囊泡。一般认为,P=1/2~1内、接近1时容易形成囊泡。一些单头双尾的表面活性剂在水中可以自发形成囊泡,这类分子的疏水基体积相对较大;一些天然的磷脂分子也可以自发形成囊泡,如双棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC),其分子结构的特点是有2条疏水链和较大的亲水基。根据参数P的表达式也可以推断上述2类分子的确容易形成囊泡结构。事实上,双链型表面活性剂是最早发现可以形成囊泡的体系。1965年,人们将磷脂分散在水中首次人工制得囊泡;1977年,发现人工合成的表面活性剂双十二烷基二甲基溴化铵(DDAB)在水中自发形成囊泡。

    多年的研究结果表明能形成囊泡的体系不止于此。1989年,美国华盛顿大学的Kaler等在2种简单的单链正负表面活性剂复配体系中发现了囊泡的形成。这一研究成果引发了正负表面活性剂复配体系的研究热潮,各种复配体系囊泡的形成、调控与环境刺激响应性研究与日俱增。大量研究发现,这一现象在正负表面活性剂复配体系中普遍存在,C812的烷基硫酸盐、磺酸盐等阴离子表面活性剂与C812的烷基三甲基溴化铵等阳离子表面活性剂复配体系均能自发形成囊泡。例如,月桂酸钠(SL)与癸基三甲基溴化铵(DeTAB)在等摩尔复配,总浓度为2.1×10-2 mol·L-1时自发形成非常典型的单室囊泡。分析其形成机理,正负离子极性基间存在强烈的静电作用,这使得亲水基的有效占用面积明显减小;另外,2个带相反电荷的单链表面活性剂分子形成“离子对”后类似于1个双链两性表面活性剂分子,P值接近于1,易于形成双分子层结构进而自发形成囊泡。通过改变2种表面活性剂的复配比例和疏水链长,可以调节囊泡的尺寸、表面电荷密度和渗透性等。
    20世纪80年代以来,Bola型及Gemini型特殊表面活性剂体系自发形成囊泡的报道也相继出现。Bola型表面活性剂分子的两端为2个亲水基,它们通过疏水链连接在一起。2个亲水基可以相同,也可以不同;疏水链可以是单链,也可以是双链。Bola型表面活性剂分子在水中可以伸展形成亲水基朝外的单分子层膜,弯曲后形成封闭的囊泡结构。若2个亲水基不同,则形成不对称的单分子层囊泡,通常极性较大的亲水基处在囊泡的外表面,极性较小的亲水基位于内表面。Bola型表面活性剂在生物膜模拟方面有广阔的应用前景。Gemini型表面活性剂为双头双尾分子,2个头基通过连接基团连接。Gemini型分子类似于2个单头单尾的两亲分子通过化学键连接在一起。在一定条件下,Gemini型表面活性剂分子可以发生“尾对尾”的聚集,形成囊泡。能否形成囊泡与分子连接臂的长度、浓度等因素有关。

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