ctab

10.1.2 临界胶束浓度 临界胶束浓度(Critical Micelle Concentration CMC) 临界胶束浓度, 临界胶束浓度,是胶束形成时所需表面活性剂的最低 浓度， 来表示， 浓度，用CMC来表示，这是体系特性，与表面活性剂 来表示 这是体系特性， 的化学结构、溶剂、温度和压力等因素有关。 的化学结构、溶剂、温度和压力等因素有关。CMC的 的 数值可通过测定各种物理性质的突变(如表面张力、 数值可通过测定各种物理性质的突变(如表面张力、 渗透压等)来确定。由于实验方法不同，所得的CMC 渗透压等)来确定。由于实验方法不同，所得的 值往往难于完全一致， 值往往难于完全一致，但是突变点总是落在一个很窄 的浓度范围内，故用CMC范围来表示更为方便。 范围来表示更为方便。 的浓度范围内，故用 范围来表示更为方便 10.1.3 胶束与反放束的形成 将表面活性剂溶于水中， 将表面活性剂溶于水中，当其浓度超过临界胶束浓度 (CMC)时，表面活性剂就会在水溶液中聚集在一起而 ) 形成聚集体，在通常情况下， 形成聚集体，在通常情况下，这种聚集体是水溶液中的 胶束，称为正常胶束( 胶束，称为正常胶束(normal micelle)。结构示意见图 。 ) 结构示意见图a。 在胶束中，表面活性剂的排列方向是极性基团在外， 在胶束中，表面活性剂的排列方向是极性基团在外，与
a
b
c
d
反胶团的溶解作用
10.2 反胶束萃取蛋白质的基本原理 10.2.1 三元相图及萃取蛋白质
对一个由水、 对一个由水、表面活性剂和非极性有机溶剂构成的三 元系统，存在有多种共存相，可用三元相图表示， 元系统，存在有多种共存相，可用三元相图表示，图是 水－AOT－异辛烷系统的相图示例，从图中可知，能 －异辛烷系统的相图示例，从图中可知， 用于蛋白质分离的仅是位于底部的两相区， 用于蛋白质分离的仅是位于底部的两相区，在此区内的 三元混合物分为平衡的两相： 三元混合物分为平衡的两相：一相是含有极少量有机溶 剂和表面活性剂的水相； 剂和表面活性剂的水相；另一相是作为萃取剂的反胶束 溶液。这共存的两相组成，用系线(图中虚线)相连。 溶液。这共存的两相组成，用系线(图中虚线)相连。这 一体系的物理化学性质非常适合于萃取操作， 一体系的物理化学性质非常适合于萃取操作，因为界面 张力在0.1－ 范围内， 张力在 －2mN/m范围内，密度差为 ％-20％，反胶 范围内 密度差为10％ ％ 束溶液粘度适中，大约为1mPa·s这一数量级。蛋白质进 这一数量级。 束溶液粘度适中，大约为 这一数量级 入反胶束溶液是一种协同过程，即在宏观两相( 入反胶束溶液是一种协同过程，即在宏观两相(有机相 和水相)界面间的表面活性剂层， 和水相)界面间的表面活性剂层，同邻近的蛋白质发生
10.1 反胶束溶液形成的条件和特性
反胶束溶液的概念：反胶束溶液是透明的、热力学稳 反胶束溶液的概念：反胶束溶液是透明的、 定的系统。反胶束(reversed micelle)是表面活性剂分 定的系统。反胶束 是表面活性剂分 散于连续有机相中一种自发形成的纳米尺度的聚集体， 散于连续有机相中一种自发形成的纳米尺度的聚集体， 所以表面活性剂是反胶束溶液形成的关键。 表面活性剂是反胶束溶液形成的关键 所以表面活性剂是反胶束溶液形成的关键。
a
b
c
反胶团的大小与溶剂和表面活性剂的种类与浓度、 反胶团的大小与溶剂和表面活性剂的种类与浓度、温 离子强度等因素有关，一般为5－ 度、离子强度等因素有关，一般为 －20nm，其内水 ， 池的直径d用下式计算 池的直径 用下式计算
d= αsurfNρ
6W0M
W0有机相中水与表面活性剂的摩尔比，称 有机相中水与表面活性剂的摩尔比，
10．反胶束萃取 ．
随着基因工程和细胞工程的发展， 随着基因工程和细胞工程的发展，尽管传统的分离方法 如溶剂萃取技术)已在抗生素等物质的生产中广泛应用， (如溶剂萃取技术)已在抗生素等物质的生产中广泛应用， 并显示出优良的分离性能， 并显示出优良的分离性能，但它却难以应用于蛋白质的 提取和分离。其主要原因有两个：一是被分离对象－ 提取和分离。其主要原因有两个：一是被分离对象－蛋 白质等在40 50℃便不稳定 开始变性， 40便不稳定， 白质等在40-50℃便不稳定，开始变性，而且绝大多数 蛋白质都不溶于有机溶剂，若使蛋白质与有机溶剂接触， 蛋白质都不溶于有机溶剂，若使蛋白质与有机溶剂接触， 也会引起蛋白质的变性；二是萃取剂问题， 也会引起蛋白质的变性；二是萃取剂问题，蛋白质分子 表面带有许多电荷，普通的离子缔合型萃取剂很难奏效。 表面带有许多电荷，普通的离子缔合型萃取剂很难奏效。 因此研究和开发易于工业化的、 因此研究和开发易于工业化的、高效的生化物质分离方 法己成为当务之急。 法己成为当务之急。反胶束萃取法就是在这一背景下发 展起来的一种新型分离技术。omethyl-ammonium chloride)氯化三 氯化三 辛基甲铵 将阳离子表面活 性剂如CTAB CTAB溶于有 性剂如CTAB溶于有 机溶剂形成反胶束 AOT不同 不同， 时，与AOT不同， 还需加入一定量的 助溶剂( 助溶剂(助表面活 性剂) 性剂)。这是因为 它们在结构上的差 异造成的。 异造成的。
d =0.3W0+0.24
(nm)
式中右侧第一项为反胶团的水核直径，第二项 式中右侧第一项为反胶团的水核直径，第二项(2.4nm) 分子长度的二倍。 为AOT分子长度的二倍。一般反胶团的 0不超过 。 分子长度的二倍 一般反胶团的W 不超过40。 因此， 形成的反胶团水核直径一般不超过l 因此，AOT形成的反胶团水核直径一般不超过 2nm， 形成的反胶团水核直径一般不超过 ， 的蛋白质。 其中大致可容纳一个直径为5－ 其中大致可容纳一个直径为 －10 nm的蛋白质。当蛋 的蛋白质 白质分子与反胶团直径相比大得多时(例如 例如， 白质分子与反胶团直径相比大得多时 例如，当相对分 子质量超过100－200kD)，难于溶解到反胶团中。 当反 子质量超过 － ，难于溶解到反胶团中。 胶团的含水率W 较低时， 胶团的含水率 0较低时，反胶团水池内水的理化性质 与正常水相差悬殊。例如， 为表面活性剂， 与正常水相差悬殊。例如，以AOT为表面活性剂，当 为表面活性剂 W0＜6-8时，反胶团内微水相的水分子受表面活性剂亲 时 水基团的强烈束缚，表观粘度上升50倍 疏水性也极高。 水基团的强烈束缚，表观粘度上升 倍，疏水性也极高。 的增大，这些现象逐渐减弱， 随W0的增大，这些现象逐渐减弱，当W0＞16时，微水 时 相的水与正常的水接近，反胶团内可形成双电层。但即 相的水与正常的水接近，反胶团内可形成双电层。 使当W 值很大时， 使当 0值很大时，水池内水的理化性质也不能与正常 的水完全相同， 的水完全相同，特别是在接近表面活性剂亲水头的区域 内。
优点：从所得结果来看，反胶束萃取具有成本低、 优点：从所得结果来看，反胶束萃取具有成本低、溶 剂可反复使用、萃取率和反萃取率都很高等突出的优 剂可反复使用、 此外，反胶束萃取还有可能解决外源蛋白的降解， 点。此外，反胶束萃取还有可能解决外源蛋白的降解， 即蛋白质(胞内酶)在非细胞环境中迅速失活的问题， 即蛋白质(胞内酶)在非细胞环境中迅速失活的问题， 而且由于构成反胶束的表面活性剂往往具有溶解细胞 的能力，因此可用于直接从整细胞中提取蛋白质和酶。 的能力，因此可用于直接从整细胞中提取蛋白质和酶。 可见，反胶束萃取技术为蛋白质的分离提取开辟了一 可见， 条具有工业开发前景的新途径。 条具有工业开发前景的新途径。
10.1.4 反胶团的溶解作用
由于反胶团内存在微水池，故可溶解氨基酸、 由于反胶团内存在微水池，故可溶解氨基酸、肽和蛋 白质等生物分子， 白质等生物分子，为生物分子提供易于生存的亲水微 环境。因此，反胶团萃取可用于氨基酸、 环境。因此，反胶团萃取可用于氨基酸、肽和蛋白质 等生物分子的分离纯化，特别是蛋白质类生物大分子。 等生物分子的分离纯化，特别是蛋白质类生物大分子。 关于反胶团溶解蛋白质的形式，有人提出了四种模型， 关于反胶团溶解蛋白质的形式，有人提出了四种模型， 如图所示。其中(a)为水壳模型 为水壳模型， 如图所示。其中 为水壳模型，蛋白质位于水池的中 周围存在的水层将其与反胶团壁(表面活性剂) 心，周围存在的水层将其与反胶团壁(表面活性剂)隔 蛋白质分子表面存在强烈疏水区域， 开；(b)蛋白质分子表面存在强烈疏水区域，该疏水区 蛋白质分子表面存在强烈疏水区域 域直接与有机相接触； 蛋白质吸附于反胶团内壁 蛋白质吸附于反胶团内壁； 域直接与有机相接触；(c)蛋白质吸附于反胶团内壁； (d)蛋白质的疏水区与几个反胶团的表面活性剂疏水尾 蛋白质的疏水区与几个反胶团的表面活性剂疏水尾 发生相互作用，被几个小反胶团所“溶解” 发生相互作用，被几个小反胶团所“溶解”。表面性 质不同的蛋白质可能以不同的形式溶解于反胶团相， 质不同的蛋白质可能以不同的形式溶解于反胶团相， 但对于亲水性蛋白质，目前普遍接受的是水壳模型。 但对于亲水性蛋白质，目前普遍接受的是水壳模型。
在反胶束萃取蛋白质的研究中，用得最多的是阴离子表面活性 剂AOT(AerosolOT)，其化学名为丁二酸－2－乙基己基磺酸钠， 结构式见图
这种表面活性剂容易获得，其特点是具有双链， 这种表面活性剂容易获得，其特点是具有双链，极性 基团较小、形成反胶束时不需加助表面活性剂， 基团较小、形成反胶束时不需加助表面活性剂，并且 所形成的反胶束较大，半径为170nm， 170nm 所形成的反胶束较大，半径为170nm，有利于大分子蛋 白质进入。 白质进入。常使用的阳离子表面活性剂名称和结构如 下： (1)CTAB(cetyl-methyl-ammonium bromide)溴化十六 溴化十六 烷基三甲胺/十六烷基三甲基胺溴 烷基三甲胺 十六烷基三甲基胺溴 (2)DDAB(didodecyldimethyl ammonium bromide)溴 溴 化十二烷基二甲铵
为含水率（ 为含水率（water content） ） M，ρ分别为水的相对分子质量和密度 ， 分别为水的相对分子质量和密度 α surf界面处一个表面活性剂分子的面积 N阿佛加德罗常数 阿佛加德罗常数
常用于制备反胶团溶液的表面活性剂是二－(2－ 常用于制备反胶团溶液的表面活性剂是二－(2－乙基 己基)琥珀酸酯磺酸钠， 己基)琥珀酸酯磺酸钠，AOT在异辛烷中形成的反胶 在异辛烷中形成的反胶 团直径( ) 团直径(d)可用下述经验式推算
水接触，非极性基团在内，形成一个非极性的核心、 水接触，非极性基团在内，形成一个非极性的核心、在 此核心可以溶解非极性物质。若将表面活性剂溶于非极 此核心可以溶解非极性物质。 性的有机溶剂中， 性的有机溶剂中，并使其浓度超过临界胶束浓度 (CMC)，便会在有机溶剂内形成聚集体，这种聚集体 ) 便会在有机溶剂内形成聚集体， 称为反胶束，其结构示意见图b。在反胶束中， 称为反胶束，其结构示意见图 。在反胶束中，表面活 性剂的非极性基团在外与非极性的有机溶剂接触， 性剂的非极性基团在外与非极性的有机溶剂接触，而极 性基团则排列在内形成一个极性核( 性基团则排列在内形成一个极性核(po1ar core)。此极 ) 性核具有溶解极性物质的能力，极性核溶解水后， 性核具有溶解极性物质的能力，极性核溶解水后，就形 成了“水池” 成了“水池”(water pool)。当含有此种反胶束的有机 ) 溶剂与蛋白质的水溶液接触后， 溶剂与蛋白质的水溶液接触后，蛋白质及其他亲水物质 能够通过螯合作用进入此“水池” 能够通过螯合作用进入此“水池”。由于周围水层和极 性基团的保护，保持了蛋白质的天然构型，不会造成失 性基团的保护，保持了蛋白质的天然构型， 蛋白质的溶解过程和溶解后的情况示意于图中。 活。蛋白质的溶解过程和溶解后的情况示意于图中。
10.1.1 表面活性剂
表面活性剂是由亲水憎油的极性基团和亲油憎水的非极性基团 两部分组成的两性分子，可分为阴离子表面活性剂、 两部分组成的两性分子，可分为阴离子表面活性剂、阳离子表 面活性剂和非离子型表面活性剂，它们都可用于形成反胶束。 面活性剂和非离子型表面活性剂，它们都可用于形成反胶束。 常用的表面活性剂及相应的有机溶剂见表10.1 10.1。 常用的表面活性剂及相应的有机溶剂见表10.1。
因为许多实验数据均间接地证明了水壳模型的正确性。 因为许多实验数据均间接地证明了水壳模型的正确性。 例如： 反胶团内酶的结构和活性与 值密切相关， 反胶团内酶的结构和活性与W 例如：(1)反胶团内酶的结构和活性与 0值密切相关， 说明酶对其周围存在的水层非常敏感； 反胶团内酶 说明酶对其周围存在的水层非常敏感；(2)反胶团内酶 反应动力学行为与在正常的水相中相似，活性与pH的 反应动力学行为与在正常的水相中相似，活性与 的 关系同样表现为钟状曲线。 关系同样表现为钟状曲线。