弱相互作用調控表面活性劑自組裝（Ⅲ）
——響應性表面活性劑

于 洋，鄭利強，孫繼超

（山東大學 膠體與界面化學教育部重點實驗室，山東 濟南 250100）

表面活性劑是一種兩親分子，分子中一部分具有親水性質，另一部分具有親油性質。當表面活性劑溶于水中時，由于其獨特的分子結構，在一定濃度下可以以極性基團（親水部分）朝向水、非極性基團（親油部分）遠離水的方式聚集，從而形成多種不同結構、形狀和大小的有序分子聚集體，比如膠束、囊泡、微乳液、液晶和凝膠等“軟物質”組裝體［1,2］。表面活性劑被廣泛應用于材料科學，用于制備各種納米、微米尺度的自組裝結構材料。表面活性劑的加入可以影響溶解度、形貌、生物、物理以及光電性能，從而起到穩定界面和調控納米材料結構的作用。

1 響應性表面活性劑

二十世紀末以來，各類新型表面活性劑的合成與性能均有不斷報道，其中備受關注的一類是響應性表面活性劑。響應性表面活性劑是指外界環境（比如溫度、pH、光、電場等）發生微小變化時，表面活性劑的物理化學性質（比如結構、表面張力以及組裝形式）能夠發生明顯變化的一類表面活性劑［3］。通過外界刺激來調控兩親分子的自組裝無論在理論研究還是實際應用中都具有重要意義。

2 響應性表面活性劑的分類

2.1 pH響應性表面活性劑

在各種外部刺激中，pH刺激是通過質子擾動對體系進行調控是的一種簡便易行的方法，也是目前報道的較多的一類方法。pH的改變一般會影響表面活性劑分子的溶解度和結構［4］，從而影響其組裝形式，在新應用方面具有潛在的優勢［5］。一般有兩種方式可用于構筑pH響應性表面活性劑：一是在分子中引入可電離的基團，比如胺基和羧基；二是引入活性可斷裂的鍵，比如席夫堿鍵和腙鍵。當pH值發生變化時，會引起可電離基團的質子化或去質子化，或者是引起共價鍵的形成或斷裂，從而對自組裝中存在的靜電相互作用、氫鍵、親疏水作用等產生顯著影響，從而實現了自組裝材料形貌與功能的動態調控［6］。

蠕蟲狀膠束具有冗長和高度靈活性的特點，從而可以相互纏繞形成具有顯著黏彈性的網絡狀結構。這些特性使蠕蟲狀膠束應用非常廣泛，因此利用pH響應性表面活性劑控制體系的黏彈性具有很好的應用前景。例如，馮玉軍課題組報道了pH響應性蠕蟲狀膠束體系［7］（圖1）和pH誘導的膠束-蠕蟲狀膠束轉變體系［8］（圖2）?？梢酝ㄟ^酸堿對膠體聚集體體系的結構和黏度進行調控。對于這些體系，pH值的微小變化就會引起體系性能（比如黏度、增溶能力和穩定性等）的急劇變化。另外，氨基酸衍生的表面活性劑體系屬于非常典型的第一類pH響應性表面活性劑。氨基酸通常具有一定的pK值，對應于COO-的質子化以及NH+a3的去質子化，pH值對氨基酸分子的存在形式具有很大的影響。溶液pH的不同，氨基酸可分別以陰離子、陽離子和兩性離子的形式存在，從而誘導產生不同的聚集體形式。Patra等［9］報道了一種組氨酸衍生的表面活性劑N-（4-正辛氧基苯甲?；?組氨酸鈉鹽（SOBH），可以在pH=8時組裝成直徑為30～200 nm的囊泡。當pH增加到12時，囊泡的直徑也相應增加。

另外一類是含有活性可斷裂鍵的表面活性劑，其中亞胺鍵是一類比較典型的動態共價鍵。Wang等［10］報道了許多新穎的基于亞胺鍵構筑的H-型兩親分子，其中亞胺鍵用于連接兩個Bola型的兩親分子（圖3），H-型兩親分子自組裝可形成膠束，當pH從堿性調至弱酸性時，亞胺鍵發生水解，從而導致兩親分子的解離以及不同聚集體形態之間的轉變。

2.2 光響應性表面活性劑

光被認為是一種最重要也是最方便的刺激。光輻射具有很多優勢，首先，光是一種溫和非侵入性的刺激；其次，光可以實現遠程控制以及精準定位的功能；第三，光可以作為一種可控的開關，具有很好的強度和波長；第四，在很多情況下，光還可以作為一種能量輸入以及信息媒介，比如光引發的一些生物過程像光合作用等。因此，對于調節兩親分子自組裝來說，光是一種理想的刺激，尤其是可以實現原位動態調控［11］。用于調控組裝形式的開關主要包括兩大類：一類是熱穩定的，可用不同波長的光使其在不同形式間轉換；另一類是需要連續光照使其在光照下產生亞穩態的不穩定形式。賦予有序聚集體光響應性在許多新興領域都具有重要應用，比如分子機器，光響應超分子聚合物，超分子液晶，光誘導電子傳遞和能量傳遞等方面［12,13］。

Shinkai等［14］在1982年首次提出光響應性表面活性劑，指出帶有偶氮苯頭基的表面活性劑的光致異構化會影響其聚集。偶氮苯表面活性劑隨入射波長的不同可以實現順反異構的變化。偶氮苯的反式結構為熱力學穩定的平面狀異構體，經360 nm波長的光照射后會轉化為彎曲的更傾向親水的順式結構，并且在460 nm光照下又會返回到反式結構。自此，許多科學家都致力于光誘導聚集體相轉變的研究。Ketner等［15］報道了一種光流變流體，該液體由陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）以及光反應有機衍生物反式鄰甲氧基肉桂酸（OMCA）組成（圖4），在光照條件下體系中的蠕蟲狀膠束的長度會變短，從而導致體系流變學特性的差異。此外，螺吡喃改性的表面活性劑也相繼報道出來，人們在這方面開展了許多工作，諸如對膠束形態和潤濕性的調控，以及制備Langmuir-Blodgett （LB）膜等。螺吡喃在紫外照射下可實現在能量穩定型、非離子型疏水型和兩性離子型三聚氰胺型之間的轉換［16,17］。2010年，Sakai等［17］報道了一例螺吡喃修飾的表面活性劑的自組裝，并探究了光照異構化對吸附層原位形態變化的影響（圖5）。結果表明，與兩性離子形式部花青式（merocyanine，MC）相比，疏水性更強的斯皮羅（spiro，SP）形式具有更大的吸附量，該課題組認為即使該表面活性劑吸附在二氧化硅上，仍然有可能發生光致異構化，而且由于該表面活性劑具有自發吸附性能，可以在水介質中制作光敏智能涂層。

另外一類是借助主-客體相互作用，通過使用一種含有偶氮苯的表面活性劑，利用其光致異構化的特點來控制偶氮苯表面活性劑與環糊精分子之間的主客體相互作用，從而調節分子的兩親性［18,19］。Wang等［20］報道了基于主客體相互作用的光響應性偶氮苯類表面活性劑與環糊精（α-CD）的組裝與解組裝（圖6（見下頁））。偶氮苯分子可以在其水溶液中形成囊泡結構，α-CD分子可以和反式偶氮苯通過主客體相互作用結合，從而增強其水溶性，并破壞囊泡結構。但是經過紫外光照射后偶氮苯變為順式，α-CD分子不能與其結合實現解組裝。這個過程是可逆的，再次經過可見光照射偶氮苯分子可以恢復到反式結構，從而實現了一個光控的組裝與解組裝過程。

2.3 CO2響應性表面活性劑

雖然pH作為調節表面活性劑自組裝的觸發器已經得到了廣泛的應用，但仍存在一些不足。例如酸堿用量必須按照化學用量來使用，這樣就會導致在每一次循環中都會產生副產物。pH控制可以通過CO2來實現。CO2是一種“綠色”的觸發器：不會在體系中積累，因為很容易加入和移除；以一種溫和的方式對材料性能進行調控；通過調節氣體流量可以比較方便地調節刺激強度；不會對生物組織和細胞物質造成損害。CO2響應性材料在乳膠、凝膠、CO2捕獲和監測以及藥物輸送等領域有潛在的應用前景［21］。由于易于控制、溫和和可逆的特點，CO2可能提供了一個精確控制組裝體尺寸和大小的方法。 CO2可與胺、脒、胍、羧酸等多種基團發生反應，改變其親水性和電荷。例如，在水溶液中，CO2可以與伯胺結合形成氨基甲酸銨鹽，與烷基胺衍生物結合生成碳酸氫鹽。在水中當有CO2存在時，CO2響應性基團可以由中性轉變成離子型。反應具有可逆性，因為CO2的移除可以通過惰性氣體鼓泡（氬氣或氮氣）和加熱的形式，因此 CO2響應性具有可逆性，可實現多次循環。

George等［22］做出了 CO2響應體系的開創性工作，在這些體系中（圖7），長鏈烷基胺可以與CO2反應生成氨基甲酸銨鹽類表面活性劑，當通入氮氣、氬、空氣或輕微加熱時， CO2從溶液中移除，使響應性具有便于調控的可逆性。

Zhang等［23］報道了一類CO2響應的表面活性劑，可以利用CO2和空氣調節實現蠕蟲狀膠束和球形膠束的轉變。如圖8所示，初始的100 mmol/L N-erucamidopropyl-N，N-dimethylamine （UC22AMPM）水溶液是低黏度的濁液，但是當持續通入1 min CO2氣流時（室溫下流速為0.1 L/min），轉變成為透明的黏彈性“凝膠”，當通入空氣排除CO2以后又恢復到初始狀態。

Yan等［24］合成了一系列CO2響應的兩親分子，利用CO2刺激來調控聚集體的尺寸以及形貌（圖9），這一過程有助于理解兩親分子在水溶液中的自組裝時所發生的刺激-響應的動態重塑過程。

2.4 磁響應性表面活性劑

目前報道的磁響應性表面活性劑已有很多類型［25］，Brown等［26］首次報道了含有磁活性金屬絡合離子離子液體表面活性劑1-甲基-3癸基咪唑四氯化鐵（C10mimFe），即使在稀溶液狀態也仍然具有磁響應性。在空氣-水界面上，無外加磁場的情況下，磁響應表面活性劑比對應的磁惰性表面活性劑在降低表面張力方面更為有效。在順磁性表面活性劑的溶液上方放置一個磁體（0.4 T），會使表面張力進一步降低，表現出雙功能性。之后f區金屬元素也被用作磁性反離子，使得磁化率進一步增加，具有更明顯的磁響應性。

磁納米顆?？捎糜谥苽浞€定的Pickering乳液［27］，磁響應性表面活性劑也可用于制備磁響應乳液?；?-乙基己基琥珀酸酯磺酸鈉（AOT）的磁響應性表面活性劑可用于制備磁性微乳液，可以產生超順磁性的磁性行為［28］，由于表面活性劑分子在水-油界面的割裂作用，只能觀測到表面各向異性。在這些新體系中，通過與疏水性添加劑的結合，利用其增溶作用實現了原位調控。此外，利用磁響應性表面活性劑可以在磁場中控制DNA鏈和其他生物分子及其在溶劑中的運動［26］，這種控制在生物技術中具有非常重要的應用，例如轉染和基因抑制調控等。

2.5 氧化還原響應性表面活性劑

含有氧化還原響應基團（比如二茂鐵、紫羅堿、N-烷基化煙酰胺）的兩親分子的親疏水平衡可以通過控制表面活性劑分子上的正電荷量來調控［29］。1980年，Baumgartner等［30］報道了第1例含有氧化還原響應基團的兩親分子。這些基于吡啶離子的化合物難溶于水。然而，超聲處理后能夠形成直徑達60 nm的囊泡，并且可以增溶疏水性染料分子。作者推斷發生此現象的原因是：電子和質子可以從水相通過具有氧化還原活性的表面轉移到膜的疏水部分。含二茂鐵的表面活性劑分子氧化態與還原態之間的轉變會使表面活性劑所帶電荷以及兩親性發生實質性變化。末端的二茂鐵基團是電中性的，在水中微溶。當被氧化時可以形成親水的陽離子型鐵鎓離子（圖10）［31］，從而使聚集體微觀結構發生變化。

1985年，Saji等［32］首次報道了基于二茂鐵的表面活性劑，借助電子轉移可以調控臨界膠束濃度以及膠束化行為。借助光譜研究，發現膠束通過氧化可以破裂為單體，然后又可以通過還原過程重建。九十年代末發現含有二茂鐵的氧化還原響應性表面活性劑分子可以可逆的調控溶液的表面張力［31］。表面活性劑濃度低于10 mmol/L，將二茂鐵基團氧化，可以使表面張力升高了23 mN/m。表面張力升高主要有兩個原因：一是用來驅動吸附的疏水性作用下降，二是靜電作用力的變化。氧化態的變化導致了聚集體微觀結構的變化。Liu等［16］發表了一篇清晰全面的綜述，總結了2009年以前的關于氧化還原響應性表面活性劑的詳細工作（圖11）。詳細介紹了電化學控制的自組裝、界面性質以及氧化還原性表面活性劑與DNA（脂質體）的相互作用。

之后人們又開發了一類新的氧化還原響應性表面活性劑。2008年，Zhang等［33］報道了一類帶有多金屬氧酸鹽頭基的表面活性劑。多金屬氧酸鹽在水中通常以陰離子形式存在，包括過渡金屬含氧陰離子，通過與公用氧原子連接在一起形成陰離子簇。Landsmann等［34］報道了具有催化活性的多金屬氧酸鹽（POM）頭基表面活性劑，新型釕基POM表面活性劑（圖12）表現出可逆的氧化還原響應，而且，電化學活性將釕金屬中心在高自旋的d5和d6之間相互轉換。未來的研究發展方向主要集中在向兩親性聚合物拓展，并且借助無機構筑基元來合成智能材料。

2.6 溫度響應性表面活性劑

溫度對表面活性劑的溶解度有很大的影響，可以實現不同聚集體之間的轉變。對于自組裝調控來說，溫度是一種很好的方式：不需要添加劑；易于控制；在許多領域有廣泛的應用。對于探究單個表面活性劑在聚集轉變過程中的各個階段，溫度敏感型系統非常方便，因為這個轉變可以實現循環并且在測量期間可以在任何需要的步驟停止。對于大多數非離子型表面活性劑，在水溶液中的溶解機制主要是依靠親水頭基（通常是環氧乙烷EO鏈）與水分子之間的氫鍵相互作用。溫度升高會加劇分子的熱運動，削弱或破壞氫鍵，因此透明的水溶液在一定溫度以上會變得渾濁，這是由于環氧乙烷單元脫水引起的［35］。這個溫度被稱為“濁點溫度”，該溫度主要取決于EO鏈的長度，尺寸以及疏水鏈的結構［36］。相反，對于離子型表面活性劑，溶解度隨著溫度的升高而增大，當溫度達到一個臨界值（通常稱為Kraft點），溶解度會急劇增加，所以在離子型表面活性劑體系中，聚集體的尺寸通常隨著溫度的升高而減小。

在大多數囊泡體系中，聚集體通常隨著溫度的升高由囊泡轉變為膠束［37］。但是也有例外，Yin等［38］報道過一系列陽離子/陰離子表面活性劑體系，他們觀察到加熱誘導膠束轉變為囊泡。推測這是在陰陽離子表面活性劑體系中的一種普遍現象，分子之間存在非常強的相互作用以及膠束聚集量比較大。Dong等［39］報道了一系列溫度響應性的水溶液三相體系，在這些體系中，當溫度降低時，三相中的一相被壓縮從而形成兩相溶液；當溫度升高時，表面活性劑頭基脫水以及體系熵增加，層狀相逐漸消失，轉變為膠束。

當樣品被加熱時，分子的熱運動會加快，氫鍵會被削弱，會調整非共價相互作用之間的平衡，從而引起表面活性劑分子的重排以及微觀結構的改變。當樣品恢復到初始溫度時，氫鍵又會重建從而又恢復到初始的微觀結構。Song等［40］報道過二甲基丙烯胺氧化物（CnDMAO）和石膽酸（LCA）混合物體系通過溫度誘導實現了螺旋狀纖維和囊泡之間的轉變（圖13），在這個體系中溫度變化引起了氫鍵的破壞和重建，從而導致了聚集體結構的變化。

3 結束語

自組裝結構的調控以及聚集體之間的轉變是近年來的研究熱點。這些可以對外界刺激（比如光、溫度、pH、CO2、磁等）做出響應的智能系統在許多領域具有非常廣泛的應用，比如改變潤濕性，將光、熱、磁等信號轉變為化學、生物化學或者物理化學信號。響應性表面活性劑在納米技術、生物工程和材料科學等廣泛領域發揮著越來越重要的作用。