弱相互作用调控表面活性剂自组装（Ⅲ）——响应性表面活性剂

于 洋，郑利强，孙继超

（山东大学 胶体与界面化学教育部重点实验室，山东 济南 250100）

表面活性剂是一种两亲分子，分子中一部分具有亲水性质，另一部分具有亲油性质。当表面活性剂溶于水中时，由于其独特的分子结构，在一定浓度下可以以极性基团（亲水部分）朝向水、非极性基团（亲油部分）远离水的方式聚集，从而形成多种不同结构、形状和大小的有序分子聚集体，比如胶束、囊泡、微乳液、液晶和凝胶等“软物质”组装体［1,2］。表面活性剂被广泛应用于材料科学，用于制备各种纳米、微米尺度的自组装结构材料。表面活性剂的加入可以影响溶解度、形貌、生物、物理以及光电性能，从而起到稳定界面和调控纳米材料结构的作用。

1 响应性表面活性剂

二十世纪末以来，各类新型表面活性剂的合成与性能均有不断报道，其中备受关注的一类是响应性表面活性剂。响应性表面活性剂是指外界环境（比如温度、pH、光、电场等）发生微小变化时，表面活性剂的物理化学性质（比如结构、表面张力以及组装形式）能够发生明显变化的一类表面活性剂［3］。通过外界刺激来调控两亲分子的自组装无论在理论研究还是实际应用中都具有重要意义。

2 响应性表面活性剂的分类

2.1 pH响应性表面活性剂

在各种外部刺激中，pH刺激是通过质子扰动对体系进行调控是的一种简便易行的方法，也是目前报道的较多的一类方法。pH的改变一般会影响表面活性剂分子的溶解度和结构［4］，从而影响其组装形式，在新应用方面具有潜在的优势［5］。一般有两种方式可用于构筑pH响应性表面活性剂：一是在分子中引入可电离的基团，比如胺基和羧基；二是引入活性可断裂的键，比如席夫碱键和腙键。当pH值发生变化时，会引起可电离基团的质子化或去质子化，或者是引起共价键的形成或断裂，从而对自组装中存在的静电相互作用、氢键、亲疏水作用等产生显著影响，从而实现了自组装材料形貌与功能的动态调控［6］。

蠕虫状胶束具有冗长和高度灵活性的特点，从而可以相互缠绕形成具有显著黏弹性的网络状结构。这些特性使蠕虫状胶束应用非常广泛，因此利用pH响应性表面活性剂控制体系的黏弹性具有很好的应用前景。例如，冯玉军课题组报道了pH响应性蠕虫状胶束体系［7］（图1）和pH诱导的胶束-蠕虫状胶束转变体系［8］（图2）。可以通过酸碱对胶体聚集体体系的结构和黏度进行调控。对于这些体系，pH值的微小变化就会引起体系性能（比如黏度、增溶能力和稳定性等）的急剧变化。另外，氨基酸衍生的表面活性剂体系属于非常典型的第一类pH响应性表面活性剂。氨基酸通常具有一定的pK值，对应于COO-的质子化以及NH+a3的去质子化，pH值对氨基酸分子的存在形式具有很大的影响。溶液pH的不同，氨基酸可分别以阴离子、阳离子和两性离子的形式存在，从而诱导产生不同的聚集体形式。Patra等［9］报道了一种组氨酸衍生的表面活性剂N-（4-正辛氧基苯甲酰基）-组氨酸钠盐（SOBH），可以在pH=8时组装成直径为30～200 nm的囊泡。当pH增加到12时，囊泡的直径也相应增加。

另外一类是含有活性可断裂键的表面活性剂，其中亚胺键是一类比较典型的动态共价键。Wang等［10］报道了许多新颖的基于亚胺键构筑的H-型两亲分子，其中亚胺键用于连接两个Bola型的两亲分子（图3），H-型两亲分子自组装可形成胶束，当pH从碱性调至弱酸性时，亚胺键发生水解，从而导致两亲分子的解离以及不同聚集体形态之间的转变。

2.2 光响应性表面活性剂

光被认为是一种最重要也是最方便的刺激。光辐射具有很多优势，首先，光是一种温和非侵入性的刺激；其次，光可以实现远程控制以及精准定位的功能；第三，光可以作为一种可控的开关，具有很好的强度和波长；第四，在很多情况下，光还可以作为一种能量输入以及信息媒介，比如光引发的一些生物过程像光合作用等。因此，对于调节两亲分子自组装来说，光是一种理想的刺激，尤其是可以实现原位动态调控［11］。用于调控组装形式的开关主要包括两大类：一类是热稳定的，可用不同波长的光使其在不同形式间转换；另一类是需要连续光照使其在光照下产生亚稳态的不稳定形式。赋予有序聚集体光响应性在许多新兴领域都具有重要应用，比如分子机器，光响应超分子聚合物，超分子液晶，光诱导电子传递和能量传递等方面［12,13］。

Shinkai等［14］在1982年首次提出光响应性表面活性剂，指出带有偶氮苯头基的表面活性剂的光致异构化会影响其聚集。偶氮苯表面活性剂随入射波长的不同可以实现顺反异构的变化。偶氮苯的反式结构为热力学稳定的平面状异构体，经360 nm波长的光照射后会转化为弯曲的更倾向亲水的顺式结构，并且在460 nm光照下又会返回到反式结构。自此，许多科学家都致力于光诱导聚集体相转变的研究。Ketner等［15］报道了一种光流变流体，该液体由阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）以及光反应有机衍生物反式邻甲氧基肉桂酸（OMCA）组成（图4），在光照条件下体系中的蠕虫状胶束的长度会变短，从而导致体系流变学特性的差异。此外，螺吡喃改性的表面活性剂也相继报道出来，人们在这方面开展了许多工作，诸如对胶束形态和润湿性的调控，以及制备Langmuir-Blodgett （LB）膜等。螺吡喃在紫外照射下可实现在能量稳定型、非离子型疏水型和两性离子型三聚氰胺型之间的转换［16,17］。2010年，Sakai等［17］报道了一例螺吡喃修饰的表面活性剂的自组装，并探究了光照异构化对吸附层原位形态变化的影响（图5）。结果表明，与两性离子形式部花青式（merocyanine，MC）相比，疏水性更强的斯皮罗（spiro，SP）形式具有更大的吸附量，该课题组认为即使该表面活性剂吸附在二氧化硅上，仍然有可能发生光致异构化，而且由于该表面活性剂具有自发吸附性能，可以在水介质中制作光敏智能涂层。

另外一类是借助主-客体相互作用，通过使用一种含有偶氮苯的表面活性剂，利用其光致异构化的特点来控制偶氮苯表面活性剂与环糊精分子之间的主客体相互作用，从而调节分子的两亲性［18,19］。Wang等［20］报道了基于主客体相互作用的光响应性偶氮苯类表面活性剂与环糊精（α-CD）的组装与解组装（图6（见下页））。偶氮苯分子可以在其水溶液中形成囊泡结构，α-CD分子可以和反式偶氮苯通过主客体相互作用结合，从而增强其水溶性，并破坏囊泡结构。但是经过紫外光照射后偶氮苯变为顺式，α-CD分子不能与其结合实现解组装。这个过程是可逆的，再次经过可见光照射偶氮苯分子可以恢复到反式结构，从而实现了一个光控的组装与解组装过程。

2.3 CO2响应性表面活性剂

虽然pH作为调节表面活性剂自组装的触发器已经得到了广泛的应用，但仍存在一些不足。例如酸碱用量必须按照化学用量来使用，这样就会导致在每一次循环中都会产生副产物。pH控制可以通过CO2来实现。CO2是一种“绿色”的触发器：不会在体系中积累，因为很容易加入和移除；以一种温和的方式对材料性能进行调控；通过调节气体流量可以比较方便地调节刺激强度；不会对生物组织和细胞物质造成损害。CO2响应性材料在乳胶、凝胶、CO2捕获和监测以及药物输送等领域有潜在的应用前景［21］。由于易于控制、温和和可逆的特点，CO2可能提供了一个精确控制组装体尺寸和大小的方法。 CO2可与胺、脒、胍、羧酸等多种基团发生反应，改变其亲水性和电荷。例如，在水溶液中，CO2可以与伯胺结合形成氨基甲酸铵盐，与烷基胺衍生物结合生成碳酸氢盐。在水中当有CO2存在时，CO2响应性基团可以由中性转变成离子型。反应具有可逆性，因为CO2的移除可以通过惰性气体鼓泡（氩气或氮气）和加热的形式，因此 CO2响应性具有可逆性，可实现多次循环。

George等［22］做出了 CO2响应体系的开创性工作，在这些体系中（图7），长链烷基胺可以与CO2反应生成氨基甲酸铵盐类表面活性剂，当通入氮气、氩、空气或轻微加热时， CO2从溶液中移除，使响应性具有便于调控的可逆性。

Zhang等［23］报道了一类CO2响应的表面活性剂，可以利用CO2和空气调节实现蠕虫状胶束和球形胶束的转变。如图8所示，初始的100 mmol/L N-erucamidopropyl-N，N-dimethylamine （UC22AMPM）水溶液是低黏度的浊液，但是当持续通入1 min CO2气流时（室温下流速为0.1 L/min），转变成为透明的黏弹性“凝胶”，当通入空气排除CO2以后又恢复到初始状态。

Yan等［24］合成了一系列CO2响应的两亲分子，利用CO2刺激来调控聚集体的尺寸以及形貌（图9），这一过程有助于理解两亲分子在水溶液中的自组装时所发生的刺激-响应的动态重塑过程。

2.4 磁响应性表面活性剂

目前报道的磁响应性表面活性剂已有很多类型［25］，Brown等［26］首次报道了含有磁活性金属络合离子离子液体表面活性剂1-甲基-3癸基咪唑四氯化铁（C10mimFe），即使在稀溶液状态也仍然具有磁响应性。在空气-水界面上，无外加磁场的情况下，磁响应表面活性剂比对应的磁惰性表面活性剂在降低表面张力方面更为有效。在顺磁性表面活性剂的溶液上方放置一个磁体（0.4 T），会使表面张力进一步降低，表现出双功能性。之后f区金属元素也被用作磁性反离子，使得磁化率进一步增加，具有更明显的磁响应性。

磁纳米颗粒可用于制备稳定的Pickering乳液［27］，磁响应性表面活性剂也可用于制备磁响应乳液。基于2-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠（AOT）的磁响应性表面活性剂可用于制备磁性微乳液，可以产生超顺磁性的磁性行为［28］，由于表面活性剂分子在水-油界面的割裂作用，只能观测到表面各向异性。在这些新体系中，通过与疏水性添加剂的结合，利用其增溶作用实现了原位调控。此外，利用磁响应性表面活性剂可以在磁场中控制DNA链和其他生物分子及其在溶剂中的运动［26］，这种控制在生物技术中具有非常重要的应用，例如转染和基因抑制调控等。

2.5 氧化还原响应性表面活性剂

含有氧化还原响应基团（比如二茂铁、紫罗碱、N-烷基化烟酰胺）的两亲分子的亲疏水平衡可以通过控制表面活性剂分子上的正电荷量来调控［29］。1980年，Baumgartner等［30］报道了第1例含有氧化还原响应基团的两亲分子。这些基于吡啶离子的化合物难溶于水。然而，超声处理后能够形成直径达60 nm的囊泡，并且可以增溶疏水性染料分子。作者推断发生此现象的原因是：电子和质子可以从水相通过具有氧化还原活性的表面转移到膜的疏水部分。含二茂铁的表面活性剂分子氧化态与还原态之间的转变会使表面活性剂所带电荷以及两亲性发生实质性变化。末端的二茂铁基团是电中性的，在水中微溶。当被氧化时可以形成亲水的阳离子型铁鎓离子（图10）［31］，从而使聚集体微观结构发生变化。

1985年，Saji等［32］首次报道了基于二茂铁的表面活性剂，借助电子转移可以调控临界胶束浓度以及胶束化行为。借助光谱研究，发现胶束通过氧化可以破裂为单体，然后又可以通过还原过程重建。九十年代末发现含有二茂铁的氧化还原响应性表面活性剂分子可以可逆的调控溶液的表面张力［31］。表面活性剂浓度低于10 mmol/L，将二茂铁基团氧化，可以使表面张力升高了23 mN/m。表面张力升高主要有两个原因：一是用来驱动吸附的疏水性作用下降，二是静电作用力的变化。氧化态的变化导致了聚集体微观结构的变化。Liu等［16］发表了一篇清晰全面的综述，总结了2009年以前的关于氧化还原响应性表面活性剂的详细工作（图11）。详细介绍了电化学控制的自组装、界面性质以及氧化还原性表面活性剂与DNA（脂质体）的相互作用。

之后人们又开发了一类新的氧化还原响应性表面活性剂。2008年，Zhang等［33］报道了一类带有多金属氧酸盐头基的表面活性剂。多金属氧酸盐在水中通常以阴离子形式存在，包括过渡金属含氧阴离子，通过与公用氧原子连接在一起形成阴离子簇。Landsmann等［34］报道了具有催化活性的多金属氧酸盐（POM）头基表面活性剂，新型钌基POM表面活性剂（图12）表现出可逆的氧化还原响应，而且，电化学活性将钌金属中心在高自旋的d5和d6之间相互转换。未来的研究发展方向主要集中在向两亲性聚合物拓展，并且借助无机构筑基元来合成智能材料。

2.6 温度响应性表面活性剂

温度对表面活性剂的溶解度有很大的影响，可以实现不同聚集体之间的转变。对于自组装调控来说，温度是一种很好的方式：不需要添加剂；易于控制；在许多领域有广泛的应用。对于探究单个表面活性剂在聚集转变过程中的各个阶段，温度敏感型系统非常方便，因为这个转变可以实现循环并且在测量期间可以在任何需要的步骤停止。对于大多数非离子型表面活性剂，在水溶液中的溶解机制主要是依靠亲水头基（通常是环氧乙烷EO链）与水分子之间的氢键相互作用。温度升高会加剧分子的热运动，削弱或破坏氢键，因此透明的水溶液在一定温度以上会变得浑浊，这是由于环氧乙烷单元脱水引起的［35］。这个温度被称为“浊点温度”，该温度主要取决于EO链的长度，尺寸以及疏水链的结构［36］。相反，对于离子型表面活性剂，溶解度随着温度的升高而增大，当温度达到一个临界值（通常称为Kraft点），溶解度会急剧增加，所以在离子型表面活性剂体系中，聚集体的尺寸通常随着温度的升高而减小。

在大多数囊泡体系中，聚集体通常随着温度的升高由囊泡转变为胶束［37］。但是也有例外，Yin等［38］报道过一系列阳离子/阴离子表面活性剂体系，他们观察到加热诱导胶束转变为囊泡。推测这是在阴阳离子表面活性剂体系中的一种普遍现象，分子之间存在非常强的相互作用以及胶束聚集量比较大。Dong等［39］报道了一系列温度响应性的水溶液三相体系，在这些体系中，当温度降低时，三相中的一相被压缩从而形成两相溶液；当温度升高时，表面活性剂头基脱水以及体系熵增加，层状相逐渐消失，转变为胶束。

当样品被加热时，分子的热运动会加快，氢键会被削弱，会调整非共价相互作用之间的平衡，从而引起表面活性剂分子的重排以及微观结构的改变。当样品恢复到初始温度时，氢键又会重建从而又恢复到初始的微观结构。Song等［40］报道过二甲基丙烯胺氧化物（CnDMAO）和石胆酸（LCA）混合物体系通过温度诱导实现了螺旋状纤维和囊泡之间的转变（图13），在这个体系中温度变化引起了氢键的破坏和重建，从而导致了聚集体结构的变化。

3 结束语

自组装结构的调控以及聚集体之间的转变是近年来的研究热点。这些可以对外界刺激（比如光、温度、pH、CO2、磁等）做出响应的智能系统在许多领域具有非常广泛的应用，比如改变润湿性，将光、热、磁等信号转变为化学、生物化学或者物理化学信号。响应性表面活性剂在纳米技术、生物工程和材料科学等广泛领域发挥着越来越重要的作用。