Tenzidek kritikus micellaképződési koncentrációjának és aggregációs számának meghatározása fluoreszcens spektroszkópiával

Átírás

1 monomer miella konentráió Tenzidek kritikus miellaképződési konentráiójának és aggregáiós számának meghatározása fluoreszens spektroszkópiával A felületaktív anyagoknak nagy jelentősége van az alkalmazott kémia területén, például festék diszperziók stabilizálásában, mosó és tisztító szerek előállításában, illetve a gyógyszeriparban, hidrofób molekulák szolubilizálásában. Ezért kulsfontosságú megismerni a felületaktív molekulákat tartalmazó rendszer jellemző paramétereit. Felületaktív anyagoknak nevezzük az olyan anyagokat, melyek azon túl, hogy sökkentik a közeg felületi feszültségét, egy, az anyagi rendszerre jellemző konentráiónál önszerveződő miellákat kezdenek kialakítani (Ismételni: mi a felületi feszültség? Mik a kapilláraktív anyagok és hogyan sökkentik a felületi feszültséget? Mik a miellák?). Ezt a konentráiót többféle módon meg lehet határozni, mivel a felületaktív anyag oldat adott tulajdonságának értéke (vezetőképesség, felületi feszültség, viszkozitás, spektrofotometriai tulajdonságok) a konentráió függvényében törést mutat. Ezt a konentráiót nevezzük a kritikus miellaképződési konentráiónak (m). A konentráió növelésével a szabad molekulák konentráiója nem változik (lényegesen), a további felületaktív molekulák a miella konentráiót növelik. A mért tulajdonságokban látható törés a m környékén ezzel a viselkedéssel magyarázható. Ismételni: miellaképződési elméletek monomer m miella konentráió A teljes konentráió: Tömeghatás-modell m db molekula (T) asszoiáiós egyensúlyban: m T T mi m tömeghatás-törvény: [ T] m[mi] [T] mk[t] [T] egy kritikus konentráiót elérve közelítőleg állandóvá válik. [mi] K [mi] K[T] [T] m m m Pszeudo-fázisszeparáiós modell Fázisszeparáión alapuló közelítés. mely szerint a miellák külön fázist alkotnak és a m a oldhatóságának tekinthető. A m alatt az összes monomer formában van jelen, míg a m fölött a fölös ( m) mennyiség a miellákat fogja alkotni. m : monomer mi 0 m : monomer m mi m A miellák mennyiségüktől függetlenül, mindig ugyanolyan (monomer) konentráiójú oldattal vannak egyensúlyban. 1

2 A felületaktív anyagok másik fontos jellemzője a mielláris aggregáiós szám, α, vagyis hogy átlagosan hány molekula alkot egy miellát. Ennek kísérleti meghatározása fluoreszenia mérés segítségével lehetséges. Fluoreszenia Fényelnyelés hatására megváltozik a molekulák elektroneloszlása, ennek következtében pedig a sav-bázis erősségük, oxidáiós vagy redukiós tulajdonságaik is módosulnak. A Perrin-Jablonski diagram szemléletes módon ismerteti egy molekula fény hatására bekövetkező lehetséges fotofizikai folyamatait. Szobahőmérsékleten a molekulák alapállapotban (S 0 ) vannak. Foton elnyelésével, abszorpióval (A) a molekulák különböző, magasabb energiájú, azonos multipliitású gerjesztési állapotokba kerülhetnek (S 0, S 1, S 2 szingulett állapotok). A gerjesztett szingulett állapotban a molekulák átlagos tartózkodási ideje 10-8 s. Innen különböző folyamatok útján kerülhetnek vissza az alapállapotba. Azonos multipliitású állapotok között foton kibosátás, fluoreszenia (F), illetve sugárzásmentes átmenet, belső konverzió (IC) mehet végbe. A fluoreszens fénykibosátás igen gyors, ez a kedvezményezett folyamat, besugárzást követően ns alatt végbe megy. Ha alap és gerjesztett állapotban a rezgési szintek közötti energiakülönbségek megegyeznek, akkor a fluoreszenia színkép az első elnyelési sáv tükörképe. Különböző multipliitású állapotok között is történhet átmenet. Ha ez fénykibosátással jár, foszforeszeniának (P) nevezzük. Mivel ez egy tiltott átmenet, sokkal kisebb valószínűséggel megy végbe, a foszforeszeniás intenzitás jóval kisebb, mint a fluoreszeniás és a végbemeneteléhez is hosszabb idő szükséges (10-10 s). A foszforeszeniát mindig megelőzi a spinváltó átmenet (ISC). A m és α meghatározásának egy elterjedt és könnyen alkalmazható módszere a fluoreszens indikátor módszer. A módszer lényege, hogy egyes anyagok fluoreszeniás intenzitása és a spektrumuk finomszerkezete függ az őket körülvevő közeg polaritásától. Az egyik gyakran alkalmazott indikátor anyag a pirén. 2

3 I / a.u. Pirén fluoreszens spektrum Pirén / nm A pirén egy hidrofób molekula, melynek vízben igen kisi az oldhatósága (6, M). Az emissziós spektrumában öt súsot különböztethetünk meg a különböző rezgési átmeneteknek megfelelően. A. számú sús relatív intenzitása (mely egy 0 2 rezgési átmenetnek felel meg) nagymértékben függ a közeg polaritásától, ami az elektronikus és a rezgési állapotok összekapsolódásának az eredménye. I (8 nm) jelentősen megnő, ha a molekula apoláros környezetben van jelen. Ugyanakkor az 1. számú sús intenzitása (mely egy 0 0 rezgési átmenetnek felel meg) hidrofil környezetben lesz domináns. Az I 1 (7 nm) és I (8 nm) súsintenzitások hányadosa felhasználható a közeg polaritásának meghatározására. Az I 1 /I érték hidrofil közegben 1,6 1,9 körüli értéknek adódik, míg hidrofób közegben lesökken 0,8 1, körüli értékre. Az intenzitás arányt különböző konentráiójú oldatokban mérve azt tapasztaljuk, hogy egy adott konentráiónál az I 1 /I érték meredeken esni kezd, majd beáll egy alasonyabb értékre. Ez a konentráió a m, hiszen ekkor kezdenek megjelenni a miellák az oldatban, melyek szolubilizálják a hidrofób pirént. Az indikátorunk így a miella belsejében lévő hidrofób környezetbe jut, melyet a spektrum változásából látunk. A konentráió függvényében ábrázolva az I 1 /I arányt, a görbe inflexiójából meghatározhatjuk a m értéket. Amennyiben az oldatban az indikátor mellett kioltó (kvenselő) anyag is jelen van, lehetőség nyílik az aggregáiós szám meghatározására. A kvenselő anyagoknak nevezzük az olyan anyagokat, melyek kapsolatba lépnek a gerjesztett fluorofór anyaggal, átveszik a gerjesztési energiájukat és az elektronszerkezetükből adódóan képesek azt foton kibosátás nélkül disszipálni (pl. hő formájában). Kvenselő anyag jelenlétében a fluoreszeniás intenzitás sökkenését tapasztaljuk. α a következő összefüggésben van a molekulák összkonentráiójával, a m-vel és a miellák konentráiójával: S tot m mi (5)

4 A miella konentráió a kvenselő anyag mennyiségének függvényében mért fluoreszenia intenzitásból az alábbi összefüggés szerint határozható meg: I ln I 0 Qmi Q mi I 0 és I Q a kvenselő nélkül, illetve jelenlétében mért intenzitás adott hullámhosszon. [Q mi ] a kvenselő anyag miellabeli konentráiója és [mi] a miella konentráió. A kvenselő miellabeli konentráiójára két feltevésünk lehet. Hidrofób kvenselők esetében, pl. 1,-diián-benzol (DCB) várható, hogy teljesen szolubilizálódik, vagyis a miellabeli konentráiója megegyezik a bemérési konentráióval. Sok esetben azonban a kvenselő anyag maga is felületaktív (alkilpiridínium kvenselők). Ekkor, ha a és a kvenselő hasonlít egymásra (C-lánhossz, fejsoport polaritása), feltételezhető, hogy a m értékük hasonló lesz. Ez azt jelenti, hogy keverék miellát alkotva, a megoszlási hányados a miella és az oldat között a két anyagra ugyanaz. Ekkor b korrekiós faktort felhasználva: m b (7) [S ] tot Q (1 b) (8) mi Q tot (6) Igy a m-jének ismeretében, a 8 és 6 összefüggést alkalmazva, a miella konentráió, ebből pedig az aggregáiós szám meghatározható. Az aggregáiós szám az alábbi molekuláris adatok és összefüggések szerint számítható is. A felületaktív anyagok helyigénye a kritikus illeszkedési paraméterrel (ritial paking parameter, CPP) jellemezhető: v CPP, a l ahol v a hidrofób molekularész térfogata, l a hossza, a a fejsoport effektív területigénye. α meghatározása különböző meggondolások alapján lehetséges. Az egyik egyszerűbb modell, ha nem vesszük figyelembe a fejsoport helyigényét, és sak a szénlán térigényével számolunk. További egyszerűsítő feltételezés, hogy a miellát gömbszerűnek vesszük, melynek sugara megegyezik l-lel. Ekkor a lán térfogata számítható: v v ( v (1) CH n 1) CH 2 szobahőmérsékleten: v CH = 54,1 Å és v CH = 26,9 Å 2 A szénlán hossza: l 1,50 1,26n (2) 4

5 Ekkor V mi 4l () V mi (4) v Az így számítható α értékek, bár sok esetben elég jó egyezést mutatnak a kísérleti adatokkal, legtöbbször sak közelítő értékként kezelhetőek, mivel nem vettük figyelembe a fejsoport méretét. Feladat 1. Cm meghatározás A kiadott pirénnel telített törzsoldatból és pirénes vízből készítsük el a megadott konentráió sorozatot! A mérés megkezdése előtt az oldatokat hagyjuk állni legalább fél órát, néha gyengéden keverjük meg! A legkisebb és legnagyobb konentráiójú oldatról vegyünk fel teljes spektrumot! Ehhez indítsuk el a San programot! A beállításoknál adjuk meg a mérés paramétereit! Gerjesztési hullámhossz: 20 nm gerjesztési résnyílás: 5 nm Emissziós hullámhossz: nm emissziós résnyílás: 2,5 nm Szkennelési sebesség: 150 nm/min Integráiós idő: 0,1 s Felbontás: 0,15 nm Detektor feszültség: V Az összes mintának mérjük meg a fluoreszeniás intenzitását 7 és 8 nm-en, 20 nm-es gerjesztés mellett! Ehhez az Advaned reads programot indítsuk el. A mérési beállítások: User ollet módban adjuk meg: Read(20,7)/Read(20,8) Ezzel 20 nm-es gerjesztés mellett mérjük 7 és 8 nm-en az intenzitást, és képezzük az arányukat! Gerjesztési résnyílás: 5 nm Emissziós résnyílás: 2,5 nm Integráiós idő: 5 s A detektor feszültséget úgy válasszuk meg, hogy a leghígabb oldatnál az intenzitás legyen 800 a.u. körüli! A méréseket ismételjük meg 0,1 M NaCl jelenlétében is! Jegyzőkönyv Mérési paraméterek. A mért fluoreszeniás spektrumok. Táblázatosan a mért intenzitások és I 1 /I értékek. I 1 /I vs ln( ) grafikon. Az adatpontokra egy (aszimmetrikus) szigmoid görbét illesszünk, és annak második deriváltjából határozzuk meg a m pontos értékét! A két mért rendszer közötti különbség értelmezése. 2. Mielláris aggregáiós szám meghatározása A kvenselőt és et tartalmazó pirénes törszoldatból, valamint a sak et tartalmazó pirénes törzsoldatból készítsük el a kvenselőre nézve megadott konentráiójú oldatokat. A konentráió jóval a m fölött lett beállítva. A kvenselő konentráiója úgy lett megválasztva, hogy a maximális konentráiójú oldatban (törzsoldat) egy miellára körülbelül egy kvenselő molekula jut. A mérés megkezdése előtt az oldatokat hagyjuk állni legalább fél órát, néha 5

6 gyengéden keverjük meg! Mérjük meg a fluoreszeniás intenzitásokat 8 nm-en (kevésbé zavar a víz Raman-szórása) az előző feladatban leírt beállítások mellett. Ismételjük meg a méréseket 0,1 M NaCl jelenlétében! Jegyzőkönyv Táblázatosan a [Q tot ], illetve a számított [Q mi ] függvényében a mért intenzitások, ln(i 0 /I Q ) értékek. Grafikonon ln(i 0 /I Q ) vs [Q mi ] adatok a nulla ponton átmenő, illesztett egyenessel és az így megkapott 1/[mi] értékkel. Az aggregáiós szám számítása. A két mért rendszeren kapott eredmények összehasonlítása és értelmezése. Az aggregáiós szám elméleti számítása és a kapott érték összehasonlítása a mérésből kapott eredményekkel. 6