Сурфактант что это такое коротко и ясно: СУРФАКТАНТ-БЛ (СУРФАКТАНТ-BL)

Содержание

СУРФАКТАНТ-БЛ (СУРФАКТАНТ-BL)

Главная
Сурфактант-БЛ

Сурфактант-БЛ является единственным отечественным препаратом легочного сурфактанта. Он
создан в Центральном рентгенорадиологическом институте Минздрава РФ совместно с
компанией Биосурф. Сурфактант-БЛ — природный препарат, получаемый из легких крупного
рогатого скота.

Препарат разрабатывался для лечения респираторного дистресс-синдрома (РДС)
новорожденных. Причиной этого заболевания является недостаточность легочного
сурфактанта, связанная с незрелостью тканей легкого недоношенного новорожденного.

Респираторный дистресс-синдром взрослых также связан с повреждением сурфактантной
системы легких. Он развивается на фоне сепсиса, множественной травмы, аспирации
желудочного содержимого, ожогов дыхательных путей, тяжелых пневмоний, длительной
искусственной вентиляции легких, осложнений после операций на открытом сердце, в
частности после операций аортокоронарного шунтирования и других. Полагают, что острая
дыхательная недостаточность при атипичной пневмонии (SARS) имеет сходную природу с РДС
взрослых. Смертность от респираторного дистресс-синдрома взрослых достигает 60-90%.

Нарушения в сурфактатной системе обнаружены при туберкулезе и других заболеваний
легких.

Препараты сурфактанта различаются по составу и свойствам. В настоящее время доказано,
что наиболее эффективными являются препараты сурфактанта природного происхождения.
Максимально приближенным по составу к естественному сурфактанту легких является
отечественный препарат Сурфактант-БЛ.

К декабрю 2003 года

препарат применен более, чем у 1800 новорожденных

Препарат также эффективен при постнатальных пневмониях и аспирации мекония.

Своевременное применение Сурфактанта-БЛ при РДС новорожденных позволяет:
  • быстро уходить от повреждающих режимов при искусственной вентиляции легких
  • существенно (на 28-30 часов по сравнению с контролем) уменьшить время достижения
    нетоксической концентрации кислорода (40%) во вдыхаемой газовой смеси
  • сократить время нахождения новорожденных на аппарате искусственной вентиляции легких
    на 2-8 суток
  • существенно уменьшить частоту таких осложнений искусственной вентиляции легких и
    периода новорожденности,как внутрижелудочковые кровоизлияния и бронхолегочная
    дисплазия
  • значительно (в 2-3 раза) уменьшить летальность от респираторного дистресс-синдрома

Сурфактант-БЛ единственный препарат разрешенный для лечения РДС взрослых.

Опыт его применения у более, чем 200 больных показал, что его использование, в течение
первых суток (лучше часов) развития тяжелой гипоксемии, при проведении исчерпывающей
базовой терапии и грамотной ИВЛ позволяет:

до 6-10 суток

уменьшить время нахождения больных на аппаратной ИВЛ

Препарат чрезвычайно эффективен при прямом поражении легких: аспирации желудочного
содержимого, контузии легкого, термохимических ожогах дыхательных путей.

В рамках пилотных клинических испытаний, проведенных в ЦНИИ Туберкулеза РАМН
показано, что Сурфактант-БЛ высокоэффективен при комплексном лечении туберкулеза
легких.

В исследовании приняли участие 60 пациентов, пораженных микобактериями,
характеризующимися множественной лекарственной устойчивостью. Все больные были
бактериовыделителями, безуспешно леченными в течение 3-10 месяцев. Показано, что 8
недельный курс (600-700 мг)

Сурфактанта-БЛ

в комплексе с 4-5 противотуберкулезными препаратами,
позволяет добиться:

  • 85,7%

    больных абацилирования
    (исчезновения бактерий в мокроте)

  • 94,3%

    больных рассасывания инфильтратов

  • 82,9%

    больных закрытия полостей распада

Обычное лечение туберкулеза легких с множественной лекарственной устойчивостью
проводится длительно (более 2-3 лет), стоит очень дорого и дает эффект в 50-60% случаев.

Эти исследования начаты впервые в мировой практике и с большим интересом были
обсуждены на 13 ежегодном Европейском Респираторном Конгрессе в Вене в сентябре 2003
года.

Сотрудники компании Биосурф совместно с коллективом отдела медицинской
биотехнологии ЦНИРРИ МЗ РФ, и ведущих клиник и институтов Москвы, Санкт-Петербурга,
Екатеринбурга, Челябинска, Иванова, Ростова-на-Дону и многих других городов продолжают
исследования в области расширения показаний к применению российского препарата
Сурфактант-БЛ.

Препараты легочного сурфактанта и сурфактанттерапия ОРДС в условиях хирургической реанимации (обзор литературы) | Розенберг

https://doi.org/10.24060/2076-3093-2019-9-1-50-65

Аннотация

Введение. Многолетние клинические исследования нескольких препаратов легочного сурфактанта при лечении острого респираторного дистресс-синдрома показали их высокую эффективность. В настоящее время препарат Сурфактант-БЛ используется в России и Республике Беларусь при этой патологии. Однако за рубежом при проведении III фазы испытаний не было получено положительных результатов. Сведения об этой проблеме в литературе достаточно ограниченны, что указывает на необходимость обобщить полученные Результаты.

Материалы и методы. Проведен анализ 87 отечественных и зарубежных публикаций, касающихся состава и свойств легочного сурфактанта и методов его применения для профилактики и лечения острого респираторного дистресс-синдрома.

Результаты. Приведены сведения о результатах профилактики и лечения острого респираторного дистресс-синдрома у больных с сепсисом, тяжелой комбинированной травмой, ингаляционными поражениями, осложнениями при операциях на грудной клетке, реторакотомии, при реперфузионном синдроме, операциях на сердце и аорте, при тяжелой патологии в акушерско-гинекологической клинике и пневмонии при гриппе A/h2N1.

Обсуждение. Анализ сведений, представленных в обзоре, показал, что своевременное (первые сутки развития острого респираторного дистресс-синдрома) применение природных препаратов легочного сурфактанта в комплексном лечении и профилактике острого респираторного дистресс-синдрома существенно уменьшает время нахождения больных на ИВЛ (до 6 суток), предотвращает развитие вентилятор-индуцированной и нозокомиальной пневмоний и снижает смертность от дыхательной недостаточности до 15–20 %. Впервые проведен анализ причин неудач третьей фазы многоцентровых рандомизированных клинических испытаний препаратов сурфактанта при лечении острого респираторного дистресс-синдрома за рубежом и приведены сведения о новых направлениях в разработке синтетических и порошковых препаратов легочного сурфактанта.

Заключение. Анализ литературы о применении препаратов сурфактанта в условиях хирургической реанимации убеждает в высокой эффективности этой технологии в комплексной профилактике и лечении острого респираторного дистресс-синдрома, позволяющей в 2–4 раза снизить смертность при этом синдроме.

Ключевые слова

Для цитирования:

Розенберг О.А. Препараты легочного сурфактанта и сурфактанттерапия ОРДС в условиях хирургической реанимации (обзор литературы). Креативная хирургия и онкология. 2019;9(1):50-65.

центр | Министерство здравоохранения Калининградской области


Занятия для коллег на минувшей неделе провел профессор кафедры анестезиологии и реаниматологии НМИЦ им. В.А. Алмазова (Санкт-Петербург), доктор медицинских наук Андрей Баутин.


В обучающем мастер-классе, который состоял из презентации возможностей «Сурфактанта-БЛ» и практической работы с пациентами в красной зоне, приняли участие более 20 врачей – анестезиологов-реаниматологов, пульмонологов Городской клинической больницы скорой медицинской помощи, Центральной городской клинической больницы и других клиник региона.


Как рассказал Андрей Баутин, препарат «Сурфактант-БЛ» зарегистрирован в России в 2003 году и изначально применялся в оказании помощи недоношенным детям, а затем его стали использовать в комплексной терапии и профилактике острого респираторного дистресс-синдрома у взрослых.


На протяжении 2020 года параллельно в нескольких клиниках страны – Национальном медицинском исследовательском центре им. В.А. Алмазова, Сеченовском университете, ФМБА России, Перинатальном центре Тюмени и других лечебных учреждениях — проводилось изучение практического опыта применения «Сурфактанта-БЛ» при лечении пациентов с коронавирусом, находящихся как в инфекционных стационарах, так и в реанимации.


Препарат вводится пациентам в форме ингаляции при пневмонии не менее второй степени, легочной недостаточности и снижении сатурации до 92 процентов. В результате исследования было доказано снижение смертности во всех группах с применением «Сурфактанта» в четыре раза по сравнению с теми группами, в которых его не вводили.


«Этот препарат позволяет нам решать те проблемы, которые до этого решить мы были не в силах, — подчеркнул Андрей Баутин. – Он помогает снизить риск перевода пациентов на искусственную вентиляцию легких. Также «Сурфактант» позволяет снизить процент перевода больных из инфекционного стационара в реанимацию, когда требуются все большие объемы кислорода. И при применении такого препарата мы переводим в реанимацию всего 6 процентов таких пациентов, а в группах без препарата – 45 процентов».


Также эксперт НМИЦ им. В.А. Алмазова отметил, что похожие результаты получил и главный пульмонолог Минздрава России Сергей Авдеев в Сеченовском университете в Москве. В Тюменском перинатальном центре 69 пациенткам вводился «Сурфактант», все выздоровели, то есть в данном случае летальность была нулевая.


По итогам проведения исследований препарат «Сурфактант-БЛ» как лекарственное средство, снижающее смертность пациентов с коронавирусом, был включен в очередную, десятую, версию Временных клинических рекомендаций Минзрава России по лечению COVID-19.


По словам главного врача ГКБСМП Евгения Любивого, в этом лечебном учреждении на ул. А. Невского оказывается помощь самым тяжелым пациентам с коронавирусом. Медицинская организация осуществляет закупки всех рекомендованных препаратов, необходимых для их лечения. В их числе будет и «Сурфактант-БЛ».


 

Фотографии:

Дата публикации: 09.03.2021

Источник:
Пресс служба Министерства здравоохранения Калининградской области

Что такое поверхностно-активные вещества и как они действуют?

Поверхностно-активные вещества — самые универсальные продукты химической промышленности. Они используются во всех промышленных областях, от бытовых моющих средств до буровых растворов и пищевых продуктов до фармацевтических препаратов.

Термин «поверхностно-активное вещество» происходит от слова «поверхностно-активное вещество». Они представляют собой амфифильные молекулы и поэтому абсорбируются на границе раздела воздух-вода. На границе раздела они выравниваются так, что гидрофобная часть находится в воздухе, а гидрофильная часть — в воде.Это приведет к снижению поверхностного или межфазного натяжения.

Основы поверхностно-активных веществ

Как сказано, поверхностно-активные вещества представляют собой амфифильные молекулы, которые имеют гидрофобную и гидрофильную части. Гидрофобный хвост представляет собой углеводород, фторуглерод или силоксан. Поверхностно-активные вещества обычно классифицируются на основе их полярной головы, поскольку гидрофобные хвосты часто похожи. Если головная группа не имеет заряда, ПАВ называют неионным. Если головная группа имеет отрицательный или положительный заряд, она называется анионной или катионной соответственно.Если он содержит как положительные, так и отрицательные группы, то поверхностно-активное вещество называется цвиттерионным.

Анионные и неионные поверхностно-активные вещества являются наиболее часто используемыми типами поверхностно-активных веществ в промышленности. Анионное поверхностно-активное вещество находит применение, в частности, в чистящих средствах, таких как стиральные порошки и шампуни. С другой стороны, неионные поверхностно-активные вещества часто используются в качестве смачивающих агентов в пищевой промышленности. И катионные, и цвиттерионные поверхностно-активные вещества больше подходят для специального использования, поскольку их производство дороже.

Поверхностно-активные вещества впитываются на границах раздела

Из-за своей амфифильной природы поверхностно-активные вещества абсорбируются на границе раздела воздух-вода или масло-вода. На границе раздела поверхностно-активные вещества выстраиваются так, что гидрофобная часть находится в воздухе (или масле), а гидрофильная часть — в воде.

Для простоты рассмотрим только границу раздела воздух-вода. Силы когезии между молекулами воды очень сильны, поэтому поверхностное натяжение воды велико. По мере поглощения поверхностно-активные вещества нарушают эти взаимодействия.Межмолекулярные силы между поверхностно-активным веществом и молекулой воды намного ниже, чем между двумя молекулами воды, и поэтому поверхностное натяжение будет уменьшаться. Когда концентрация ПАВ высока, они образуют мицеллы. Точка, в которой образуются мицеллы, называется критической концентрацией мицелл.

Основное назначение поверхностно-активных веществ — снизить поверхностное и межфазное натяжение и стабилизировать границу раздела. Без поверхностно-активных веществ стирка белья была бы затруднена, а многие продукты питания, такие как майонез и мороженое, не существовали бы.Таким образом, оптимизация поверхностно-активных веществ для различных применений очень важна, и измерения поверхностного и межфазного натяжения играют в этом ключевую роль.

Если вы хотите узнать больше о том, как поверхностно-активные вещества используются в промышленности, загрузите обзор ниже.

Шампунь — обзор | Темы ScienceDirect

36.2 Шампуни

Шампунь — это базовый продукт для ухода за волосами, представляющий самый большой сегмент косметики для ухода за волосами. Шампунь обычно находится в форме вязкой жидкости, за некоторым исключением безводной твердой формы, такой как брусок.Шампунь был разработан для замены мыла при очищении кожи головы и волос путем удаления нежелательного кожного сала, перхоти, пыли окружающей среды и остатков средств по уходу за волосами. Большая часть грязи, включая кожный жир, не растворяется в воде и не может быть эффективно удалена одной водой. Поэтому необходим шампунь, содержащий комбинацию поверхностно-активных веществ. Содержание поверхностно-активных веществ в шампуне обычно составляет от 10% до 20%. Пример формулы очищающего шампуня приведен в Таблице 36.2.

Таблица 36.2.Пример формулы кондиционирующего шампуня

0 Поверхностно-активные вещества эмульгируют жирную грязь на волосах и коже головы, после чего грязь можно втянуть в воду и легко смыть (рис.36.1). 8 Очищающий эффект шампуня можно наблюдать, сравнивая изображение кожи головы под микроскопом до и после использования шампуня (рис. 36.2). 6 После мытья головы шампунем кожа головы становится чистой и очищается от жирной грязи до тех пор, пока не будет восстановлен свежий кожный жир. Это действие помогает поддерживать личную гигиену и снижает вероятность воспаления, зуда и запаха кожи головы.

Рисунок 36.1. Очищающий механизм шампуня.

Рисунок 36.2. Очищающий эффект шампуня.

Класс поверхностно-активных веществ, называемых анионными поверхностно-активными веществами, таких как лауретсульфат натрия, лауретсульфат аммония, лаурилсульфат натрия и лаурилсульфат аммония, являются основными очищающими средствами в шампунях.Амфотерные типы поверхностно-активных веществ, такие как кокамидопропилбетаин, и неионные поверхностно-активные вещества, такие как кокамид MEA, также часто используются в качестве дополнительных поверхностно-активных веществ в шампунях для стабилизации образовавшихся мицелл, помогая улучшить стабильность пены и увеличение вязкости.

Помимо основной очищающей функции шампуня, шампуни против перхоти и кондиционирующие шампуни также стали популярными несколько десятилетий назад.

Перхоть — распространенное заболевание кожи головы, часто сопровождающееся зудом. 9 Известно, что перхоть связана со специфическим для кожи головы грибком Malassezia. 10–13 Malassezia метаболизирует триглицериды кожного сала путем экспрессии липазы, в результате чего образуются ненасыщенные липидные побочные продукты. Ненасыщенный липид проникает в верхний слой эпидермиса, вызывая воспалительную реакцию. Перхоть считается результатом воспалительной реакции.

Он не только может смыть перхоть с кожи головы, как это делают обычные шампуни, шампунь против перхоти обычно содержит противогрибковые активные вещества для подавления Malassezia. Хорошо известные противогрибковые активные вещества включают пиритион цинка, пироктоноламин, также известный как октопирокс, сульфид селена, климбазол, кетоконазол и циклопирокс.Иногда также используются сера, салициловая кислота и каменноугольная смола, хотя они обладают относительно низким противогрибковым действием. Среди них пиритион цинка и октопирокс являются наиболее широко применяемыми активными веществами против перхоти. Пиритион цинка обычно используется на уровне 0,5–1%, в то время как октопирокс обычно применяется в диапазоне 0,2–0,5%.

Шампуни-кондиционеры, иногда называемые шампунями 2-в-1, были представлены на мировых рынках в конце 1980-х годов. Шампунь-кондиционер наносит кондиционирующие активные вещества на волосы, одновременно смывая грязь.Для этого были внесены технологические инновации в нескольких областях: (1) стабильная дисперсия нерастворимых в воде кондиционирующих активных веществ, таких как силиконы и кондиционирующие масла; (2) эффективное нанесение кондиционирующих активных веществ на волосы; и (3) равномерное распределение кондиционирующих активных веществ на поверхности волос.

Шампунь обычно наносят на влажные волосы, массируют волосы и затем тщательно смывают. Хотя некоторые потребители могут после мытья головы использовать кондиционер для волос, все же есть потребители, которые могут использовать шампунь только в качестве средства для ежедневного мытья и кондиционирования волос.Эти потребители ожидают от шампуня таких эффектов кондиционирования волос, как придание волосам гладкости, мягкости, легкости расчесывания и т. Д. Как на влажных, так и на сухих волосах. Кондиционирование влажных волос шампуня в основном обеспечивается коллоидной структурой, называемой коацерватом, образованной катионным полимером и анионным поверхностно-активным веществом в воде. С другой стороны, кондиционирование сухих волос в первую очередь является результатом осаждения силиконов и кондиционирующих масел на поверхности волос.

Коацервация — это уникальный тип электростатического разделения жидкой и жидкой фаз, возникающий в результате ассоциации противоположно заряженных ионов. 14–16 Коацерват, образующийся при разбавлении шампуня водой во время ополаскивания, включает катионные полимеры, такие как катионная целлюлоза или гуар, и анионные поверхностно-активные вещества в шампуне (рис. 36.3). 8 Анионные полимеры, такие как карбомер, также могут иногда использоваться в дополнение к анионным поверхностно-активным веществам для усиления образования коацерватов. Действуя как подушка, содержащие воду коацерваты придают волосам неприкосновенность во время ополаскивания и защищают влажные волосы от повреждения (рис. 36).4). 6

Рисунок 36.3. Образование коацерватов.

Рисунок 36.4. Коацерват впитывается в поверхность волос.

Силиконы и / или кондиционирующие масла обычно входят в состав кондиционирующего шампуня, чтобы придать сухим волосам гладкость, мягкость и блеск. Эффект смазывания поверхности волос является основной причиной использования этих масел. Ощущается, что волосы становятся гладкими из-за пониженного трения между поверхностью волос и кожей рук. Когда межволоконное трение между волокнами волос уменьшается, сопротивление движению уменьшается, поэтому людям может казаться, что волосы мягкие и легко расчесываются.Кроме того, выравнивание волос может быть улучшено с помощью того же механизма, что позволяет лучше отражать поверхность волос на свету, придавая волосам сияющий вид.

Силиконы, такие как диметикон, диметиконол и амодиметикон, являются наиболее широко применяемыми маслами для кондиционирования сухих волос. Его низкое поверхностное натяжение, высокая гидрофобность и разнообразие молекулярных масс и вязкостей делают силикон уникальным среди всех кондиционирующих масел. Сравнение обработанных силиконом и необработанных поверхностей волос показано на рис.36,5. 6 Хорошо видно, что поверхность волос, обработанная силиконом, становится более гладкой и покрывается тонким защитным слоем. Это также основная причина эффекта защиты цвета, о котором заявляют некоторые шампуни для потребителей, окрашивающих волосы.

Рисунок 36.5. Сравнение обработанных силиконом и необработанных поверхностей волос.

В шампунях силиконы часто применяются в виде предварительно эмульгированных эмульсий для лучшего диспергирования в продукте. В настоящее время производители силикона выпускают множество силиконовых эмульсий.Оптимизация внутренней фазовой вязкости и размера частиц кремнийорганических капель в эмульсии имеет решающее значение при выборе подходящих силиконов для использования. Измерение силы трения или силы расчесывания волос — типичный инструмент, используемый для проверки силиконов на их кондиционирующий эффект. Количественное определение количества его отложений также важно для определения того, эффективен ли силикон в данной формуле шампуня. 17

Анионные поверхностно-активные вещества на основе сульфатов, такие как лауретсульфат натрия и лаурилсульфат натрия, и силиконы были наиболее часто применяемыми ингредиентами в шампунях для волос на протяжении десятилетий.Однако в последнее время на некоторых рынках становятся популярными шампуни без сульфатов и силикона. Потребители выбирают шампуни без сульфатов, чтобы снизить вероятность раздражения кожи и глаз или контактной аллергии. Некоторые потребители также считают, что шампунь без силикона — более здоровый и экологически чистый способ выбора.

Шампуни без сульфатов и без силикона не могут быть получены простым удалением этих ингредиентов из шампуня, что требует новых технологических инноваций. Во-первых, чтобы они не содержали сульфатов и не вызывали раздражения, необходимы поверхностно-активные вещества на основе сульфатов.Для этой цели часто используют несколько классов производных аминокислот (таблица 36.3). Сообщается, что эти анионные поверхностно-активные вещества на основе аминокислот более мягкие, чем традиционные поверхностно-активные вещества на основе сульфатов. 18–20 Однако, помимо более высокой стоимости, эти поверхностно-активные вещества на основе аминокислот часто оказываются менее эффективными в повышении вязкости при использовании в качестве основного поверхностно-активного вещества в шампунях. Большая головная группа поверхностно-активных веществ на основе аминокислот является неблагоприятным фактором для образования обширных червеобразных мицелл для высокой вязкости. 21 Добавление хлорида натрия обычно не очень эффективно для увеличения вязкости систем поверхностно-активных веществ на основе аминокислот. Фактически, большинство продаваемых на рынке шампуней без сульфатов имеют относительно низкую вязкость по сравнению с традиционными шампунями.

Таблица 36.3. Анионные поверхностно-активные вещества на аминокислотной основе

Ингредиент Функция % (мас. / Мас.)
Лауретсульфат натрия Первичное поверхностно-активное вещество для мытья и очищения 16,0
Кокаин 47 бетаин

Косурфактант для пены 2,0
Кокамид MEA Вспомогательный ПАВ для пены 2,0
Дистеарат гликоля Жемчужный агент 1.5
Диметикон Кондиционер для сухих волос 1.0
Гуар гидроксипропилтримония хлорид Кондиционер для влажных волос 0,5
Лимонная кислота Регулятор pH qs
Хлорид натрия Усилитель вязкости qs
Консерванты Консервация qs
Духи Аромат qs
Деионизированная вода Растворитель qs to 100

Металин

Аминокислота Структура
Глутаминовая кислота
Аспарагиновая кислота
Глицин
Метилтаурин
Саркозин

R , лаурил, кокоил; M + , K +, Na +, TEA +.

Подходы к загущению необходимы для увеличения вязкости шампуней без сульфатов. Оптимизация катионных полимеров — это первый вариант, который стоит изучить. Молекулярный вес и плотность заряда катионного гуара или катионной целлюлозы имеют большое влияние на вязкость шампуня. Вязкость раствора полимера как такового является полезным параметром, на который следует ссылаться, хотя не всегда существует линейная зависимость от вязкости конечного продукта.

Использование амфотерных или неионных поверхностно-активных веществ в качестве дополнительных поверхностно-активных веществ для балансировки параметра упаковки мицелл — еще один эффективный способ управления реологией шампуня. 22–25 Косурфактанты, которые часто используются, включают кокамидопропилбетаин, кокамид MEA, кокамид DEA, лаурамид MEA, лаурамид DEA, кокамид метил MEA, лаурет-3, лаурат PEG-2, дистеарат PEG-150, диолеат метилглюкозы PEG-120. , Триизостеарат сорбитана PEG-160, лаурат бутиленгликоля и т. Д. Оптимизация соотношения между анионным поверхностно-активным веществом / амфотерным поверхностно-активным веществом / неионным поверхностно-активным веществом имеет решающее значение для получения оптимальной вязкости.

Полимерные загустители, такие как ксантановая камедь, гидроксиэтилцеллюлоза, гидропропилметилцеллюлоза и т. Д.также может быть добавлен для увеличения вязкости шампуня. Однако передозировка этих загустителей может вызвать негативное ощущение волос. Иногда pH также влияет на вязкость систем поверхностно-активных веществ на основе аминокислот. Следовательно, необходимо рассмотреть возможность оптимизации диапазона pH.

Помимо трудности получения вязкости, поверхностно-активные системы на основе аминокислот обычно могут обеспечивать такие же или более высокие характеристики пенообразования и кондиционирования по сравнению с поверхностно-активными веществами на основе сульфатов.

Патент США на стабильные и прозрачные концентрированные чистящие композиции, содержащие по меньшей мере один Патент короткоцепочечного поверхностно-активного вещества (Патент №5707948, выданный 13 января 1998 г.)

ТЕХНИЧЕСКАЯ ОБЛАСТЬ

Настоящее изобретение относится к концентрированным чистящим композициям.Хотя настоящее изобретение в первую очередь относится к чистящим композициям для твердых поверхностей, оно также может представлять интерес для других чистящих композиций, включая композиции для мытья посуды и моющие средства для стирки.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Концентрированные чистящие композиции хорошо известны в данной области. Концентрированные композиции в основном характеризуются тем фактом, что они содержат более высокую концентрацию активных ингредиентов по сравнению с обычными чистящими композициями, и поэтому проблема, которая обычно встречается при составлении концентрированных чистящих композиций, заключается в физической стабильности таких композиций.Действительно, поскольку такие композиции содержат большое количество активных ингредиентов в ограниченном количестве воды, возникают проблемы стабильности, которые приводят, если не решаются, к композициям, которые разделяются на несколько фаз. Это явление влияет на характеристики композиции и является визуально заметным, что делает такие композиции непригодными для коммерческого использования.

Для решения этой проблемы были предложены различные решения, которые обычно включают использование определенных стабилизирующих ингредиентов или гидротропов.Единственная функция таких ингредиентов — стабилизация композиции. Таким образом, они увеличивают стоимость составления таких композиций, не обеспечивая каких-либо преимуществ очистки, и, кроме того, они требуют высвобождения частей в составе, которые в противном случае можно было бы использовать для составления большего количества активных веществ.

Например, EP 316 726 раскрывает концентрированные композиции в форме микроэмульсий, которые содержат воду, отдушки, поверхностно-активное вещество и так называемое вспомогательное поверхностно-активное вещество. Сообщается, что вспомогательное поверхностно-активное вещество снижает межфазное натяжение на границах раздела между дисперсной и непрерывной фазами эмульсии указанного поверхностно-активного вещества, тем самым создавая стабильную микроэмульсию.Так называемые вспомогательные поверхностно-активные вещества в публикации ‘726 перечислены как конкретные простые эфиры гликоля, которые традиционно считаются растворителями в этой области, или как определенные карбоновые кислоты. Вспомогательные поверхностно-активные вещества в публикации ‘726, по-видимому, не влияют на общую очищающую способность продукта.

Таким образом, целью настоящего изобретения является составление стабильной концентрированной чистящей композиции без использования ингредиентов, которые предоставлены с единственной целью обеспечения стабильности композиций по настоящему изобретению, но которые также в значительной степени участвуют в очищающих характеристиках указанных композиций.

Было обнаружено, что эта цель может быть достигнута путем составления концентрированных водных композиций, содержащих по меньшей мере одно короткоцепочечное поверхностно-активное вещество, то есть с гидрофобной группой, состоящей из C 6 -C 10 алкильной цепи, указанные композиции не в виде микроэмульсий. Указанные поверхностно-активные вещества с короткой цепью обеспечивают стабильность композиций по настоящему изобретению и в то же время значительно повышают общую эффективность очистки, особенно очистки от жира, как при чистом, так и при разбавленном использовании.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Композиции по настоящему изобретению представляют собой стабильные прозрачные концентрированные чистящие композиции, содержащие от 10% до 90% по массе от общей композиции воды и по меньшей мере одно короткоцепочечное поверхностно-активное вещество, содержащее C 6 -C 10 алкильную цепь в качестве его гидрофобного вещества. часть. Композиции здесь предпочтительно не находятся в форме микроэмульсий.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Композиции по настоящему изобретению представляют собой концентрированные водные композиции.Под концентрированными здесь подразумевается, что композиции включают от 10% до 90% по массе от общей композиции воды, предпочтительно от 15% до 75%, наиболее предпочтительно от 30% до 70%.

Композиции согласно настоящему изобретению прозрачны и стабильны. Под прозрачными и стабильными здесь подразумевается, что композиции по настоящему изобретению макроскопически по существу прозрачны в отсутствие какого-либо глушителя, и что указанные композиции макроскопически не разделяются на отдельные фазы в течение по меньшей мере 1 месяца при температурах в диапазоне от 4 до 4 ° С. .степень. С до 50 ° С С., стоя.

Композиции согласно настоящему изобретению дополнительно содержат по меньшей мере одно короткоцепочечное поверхностно-активное вещество или их смеси. Общим для всех поверхностно-активных веществ является то, что они включают гидрофобную часть и гидрофильную часть. Под короткоцепочечным поверхностно-активным веществом здесь подразумеваются поверхностно-активные вещества, которые содержат C 6 -C 10 алкильную цепь в качестве своей гидрофобной части. Таким образом, такие короткоцепочечные поверхностно-активные вещества обычно используются в данной области, но с более короткой алкильной цепью, и могут быть любого типа.Соответственно, подходящие короткоцепочечные поверхностно-активные вещества для использования здесь включают C 6 -C 10 алкилсульфаты (C 6 -C 10 SO 4), сульфаты простых алкиловых эфиров (C 6 -C 10 SO 4). 6 -C 10 (OCH 2 CH 2) e SO 4), алкилсульфонаты (C 6 -C 10 SO 3) , алкилсукцинаты (C 6 -C 10 OOCCH 2 CH 2 COOZ), алкилкарбоксилаты (C 6 -C 10 COOM), карбоксилаты простого алкилового эфира (C 6 -C 10 (OCH 2 CH 2) e COOM), алкилсаркозинаты (C 6 -C 10 CON (CH 3 ) R), алкилсульфосукцинаты (C.sub 6 -C 10 OOCCH (SO 3 M) CH 2 COOZ), оксиды аминов (C 6 -C 10 RR’NO), амиды глюкозы (C. sub 6 -C 10 CONR «X), алкилпирролидоны (C 6 -C 10 (C 4 H 6 ON), алкилполисахариды (C 6 — C 10 OG g), алкилалкоксилаты (C 6 -C 10 (OCH 2 CH 2) e (OCH 2 CH. sub 2 CH 2) p OH) и бетаины (C 6 -C 10 N + (CH 3) 2 CH 2 COO-). В формулах в скобках e и p независимо равны от 0 до 20 и e + p> 0, Z представляет собой M или R, M представляет собой H или любой противоион, такой как те, что известны в данной области, включая Na, К, Ли, NH.4, амин, X представляет собой полигидроксигидрокарбил, имеющий линейную гидрокарбильную цепь с по меньшей мере 3 гидроксилами, непосредственно связанными с цепью, или его алкоксилированное производное, R, R и R ‘»представляют собой C 1 -C. 5 алкильных групп, возможно функционализированных гидроксильными группами, R и R ‘предпочтительно представляют собой C 1 -C 3, наиболее предпочтительно метил, R «предпочтительно представляет собой 2-гидроксиэтил или 2 гидроксипропил, G представляет собой сахарид, предпочтительно глюкозу. и g составляет от 1,5 до 8. Все эти поверхностно-активные вещества хорошо известны в данной области.Более полное описание традиционных амидов глюкозы можно найти, например, в WO 92-06154, а более полное раскрытие обычных алкилполисахаридов можно найти, например, в патенте США No. № 4,536,319. Композиции согласно настоящему изобретению могут содержать любое из вышеуказанных поверхностно-активных веществ по отдельности или любую их комбинацию, в зависимости от предполагаемого конечного использования.

Предпочтительными неионогенными поверхностно-активными веществами с короткой цепью для использования здесь являются алкилалкоксилаты формулы C.6 -С 10 (ОСН 2 СН 2) e (ОСН 2 СН 2 СН 2) p OH, где e и p, представляющие соответственно степень этоксилирования и пропоксилирования, независимо от 0 до 20, и что e + p> 0. Наиболее предпочтительными короткоцепочечными неионогенными поверхностно-активными веществами для использования здесь являются те, где e и p таковы, что e + p составляет от 3 до 10, особенно те, где p равно 0 и e составляет от 3 до 8. Кроме того, наиболее предпочтительными короткоцепочечными неионогенными поверхностно-активными веществами для здесь используются те, в которых указанная короткая цепь представляет собой углеводородную цепь, содержащую от 7 до 10 атомов углерода.Указанные предпочтительные неионные поверхностно-активные вещества с короткой цепью для использования здесь могут быть получены способами, хорошо известными специалистам в данной области, такими как конденсация соответствующего спирта и оксида алкилена, но такие поверхностно-активные вещества с короткой цепью более удобно коммерчески доступны, например, от Sidobre. под торговым наименованием [email protected] 4 (C 8 EO 4) от Kolb под торговыми названиями Imbentin @ AG / 810/050 и AG / 810/080 (соответственно C 8 -10EO5 и C 8 -10EO8).

Предпочтительными короткоцепочечными анионными поверхностно-активными веществами для использования здесь являются C.6 -C 10 -алкилсульфаты (C 6 -C 10 SO 4) и алкилсульфонаты (C 6 -C 10 SO 3) . Наиболее предпочтительными являются C 6 -C 8 алкилсульфаты и сульфонаты. Алкилсульфонаты могут давать продукты с меньшим количеством пленок / полос, как показано ниже, по сравнению с другими анионными соединениями, такими как алкилсульфаты. Такие короткоцепочечные анионные поверхностно-активные вещества могут быть получены хорошо известными процессами сульфатирования или сульфирования с последующей нейтрализацией, но указанные анионные короткоцепочечные поверхностно-активные вещества более удобно коммерчески доступны, например, от Rhone Poulenc под торговым названием Rhodapon @ OLS или от Witco под торговым наименованием. имя Witconate @.

Композиции согласно настоящему изобретению могут включать от 0,1% до 50% по массе от всей композиции, предпочтительно от 1% до 40%, наиболее предпочтительно от 1,5% до 30% указанных короткоцепочечных поверхностно-активных веществ. Было обнаружено, что указанные короткоцепочечные поверхностно-активные вещества позволяют получать концентрированные композиции без необходимости в каких-либо стабилизирующих системах или определенных типах композиций, таких как микроэмульсии. Указанные поверхностно-активные вещества с короткой цепью также особенно эффективны при очистке, особенно при очистке от жира.

Композиции согласно настоящему изобретению могут содержать только короткоцепочечные поверхностно-активные вещества или комбинации короткоцепочечных поверхностно-активных веществ с традиционными длинноцепочечными поверхностно-активными веществами. Соответственно, подходящие длинноцепочечные поверхностно-активные вещества для использования здесь включают те, которые перечислены здесь выше в описании короткоцепочечных поверхностно-активных веществ, но с более длинной алкильной цепью от C 11 до C 24. Предпочтительными длинноцепочечными поверхностно-активными веществами для использования здесь являются длинноцепочечные алкилсульфонаты, например сульфонаты и алкилэтоксилаты парафинов и их смеси.

Если используются комбинации короткоцепочечных и длинных цепей, предпочтительно соблюдать определенные соотношения: если используются короткоцепочечные анионные поверхностно-активные вещества, предпочтительно соблюдать минимальное массовое соотношение короткоцепочечного анионного поверхностно-активного вещества к длинноцепочечному поверхностно-активному веществу 1:10. . Если используются неионогенные поверхностно-активные вещества с короткой цепью, предпочтительно соблюдать минимальное массовое отношение неионогенных поверхностно-активных веществ с короткой цепью к поверхностно-активным веществам с более длинной цепью, равное 1: 5.

В зависимости от предполагаемого конечного использования композиции по настоящему изобретению могут дополнительно включать множество других необязательных ингредиентов, включая модифицирующие добавки, алканоламины, агенты, регулирующие pH, отдушки, красители, отбеливатели, ферменты и тому подобное.Когда присутствует источник щелочности, желательно, чтобы использовался катион калия, например, когда карбонат калия используется на уровне от примерно 1% до примерно 4% вместо карбоната натрия, как показано ниже, образуется меньше пленок / полосы. Используемый здесь термин карбонат калия включает бикарбонат калия. Карбонат калия предпочтительно присутствует на уровне от около 1% до около 4% от веса всей композиции.

В некоторых случаях может оказаться целесообразным включить в состав композиций, подавляющих пенообразование, систему.Упомянутая система, предотвращающая образование пенообразователя, может преимущественно представлять собой смесь 2-алкилалканолов, как описано, например, в DE 40 21 265, или их смеси с жирной кислотой от C 8 до C 22 или их смесями. Такая система особенно выгодна, поскольку оба ингредиента действуют синергетически. Таким образом, даже очень небольшого количества указанной системы достаточно для эффективного контроля пенообразования. Соответственно, указанная система присутствует в количестве от 0,1% до 5% от веса всей композиции, предпочтительно от 0,5% до 3%.

Приведенные здесь композиции не требуют присутствия стабилизирующего соединения. Под стабилизирующим соединением здесь подразумевается соединение, единственной функцией которого является повышение физической стабильности композиции. Такие соединения обычно представляют собой соли ксилола или толуолсульфоната и простые эфиры гликоля, включая монобутиловый эфир этиленгликоля, монобутиловый эфир диэтиленгликоля, монобутиловый эфир дипропиленгликоля, метиловый эфир дипропиленгликоля, метиловый эфир пропиленгликоля, метиловый эфир трипропиленгликоля, монобутиловый эфир пропиленгликоля и другие различные растворители, такие как этанол и бутанол.Соответственно, композиции по настоящему изобретению предпочтительно практически не содержат таких стабилизирующих соединений.

Настоящее изобретение также включает способ очистки твердой поверхности, который включает стадии разбавления композиции согласно предшествующим пунктам формулы изобретения в воде с последующим нанесением ее на указанную твердую поверхность. В зависимости от точного состава, представленные здесь композиции можно использовать как в чистом виде, так и в разбавленном виде от 10 до 500 раз.

Особенно предпочтительные композиции содержат: (1) от 5% до 30% короткоцепочечного поверхностно-активного вещества, предпочтительно смесь (а) короткоцепочечного неионогенного поверхностно-активного вещества, имеющего формулу C.6-10 (EO) c (PO) p OH, где EO представляет собой этоксильную группу, PO представляет собой пропоксигруппу, где каждый c и p составляют от 0-20, предпочтительно от 3 до 10, более предпочтительно c равно от 3 до 8 и p равно 0 и (b) C 6-10 алкилсульфонат, (2) необязательно, но предпочтительно длинноцепочечное неионогенное поверхностно-активное вещество, предпочтительно неионное C 12-16 (EO). n, предпочтительно смесь неионных поверхностно-активных веществ, в которой одно имеет n от примерно 2 до примерно 10, а другое имеет n от примерно 20 до примерно 60; (3) необязательный гидрофобный очищающий растворитель, предпочтительно С.2-6 (EO) x (PO) y OH, где каждый x и y составляет от 0 до примерно 2, а более предпочтительно C 4 (EO) 2 OH; (4) необязательный, но предпочтительный агент, подавляющий пенообразование на основе жирных кислот, на уровне от 0,1% до 1%, предпочтительно от 0,2% до 0,8%; (5) необязательный, но предпочтительный жирный спирт C 12-18, более предпочтительно жирные спирты с разветвленной цепью, такие как 2-бутилоктанол и / или 2-гексилдеканол; и (6) необязательный, но предпочтительный источник щелочности, более предпочтительно карбонат калия. Остаток каждой композиции предпочтительно представляет собой водную систему растворителей.

Настоящее изобретение будет дополнительно проиллюстрировано следующими примерами.

ПРИМЕРЫ

Следующие композиции получают путем смешивания перечисленных ингредиентов в указанных пропорциях.

 ______________________________________
                       I II III IV
     ______________________________________
     C.sub.13/15 3 -алкилэтоксилат EO 3
                             - 3 -
     C 12/15 5 -алкилэтоксилат EO 30
                             5 - -
     C 8 алкилсульфат
                       - 10 10 -
     С.суб.8 алкилсульфонат
                       - - - 20
     C 8 алкилэтоксилат EO 6
                       - 9 - -
     C 8/10 алкилэтоксилат EO 5
                       - - - 20
     Лимонная кислота 3 3 1 -
     Моноэтаноламин 3 3 1 1
     Триэтаноламин - - 3 -
     Вода и несовершеннолетние до 100%
     ______________________________________
 

Все композиции были оценены на физическую стабильность на 4 балла.степень. С, при комнатной температуре (20 ° С) и при 50 ° С. Композиция I, которая не входит в объем изобретения, представляла собой гель при 4 ° С. С, и эмульсия при комнатной температуре и при 50 ° С. C. Все другие композиции в рамках изобретения были прозрачными прозрачными жидкостями в тех же условиях.

Другие композиции были приготовлены путем смешивания перечисленных ингредиентов в указанных пропорциях.

 ______________________________________
                       V VI VII VIII
     ______________________________________
     C13 / 15 алкилэтоксилат EO3
                       4 3 5 1
     C13 / 15 алкилэтоксилат EO7
                       - 3 - 5
     C7-9 алкилсульфат
                       7.5 - - -
     С8-алкилсульфат - 8-10
     C8 алкилсульфонат
                       - - 10 -
     C7-9 алкилэтоксилат EO6
                       - - 10 5
     C8-10 алкилэтоксилат EO5
                       10 9 - 9
     C13 / 15 алкилэтоксилат EO30
                       6 4 3 5
     Сульфонат парафина Na
                       - 5 - -
     Лимонная кислота 3 - - 3
     Карбонат натрия - 3 - -
     2-гексилдеканол 1 0.6 1 -
     Жирная кислота ядра пальмового ядра
                       0,4 0,4 ​​1 -
     Вода и несовершеннолетние до 100%
     ______________________________________
 

Изобретение поясняется следующими примерами. Все значения в таблице являются массовыми процентами.

 ______________________________________
     Пример №: 1 2 3
     Ингредиент Вес% Вес% Вес%
     ______________________________________
     Октилсульфат натрия
                        7,0 - -
     Октилсульфонат натрия
                        - 7.0 7,0
     Альфоник Р 810-65 10,0 10,0 10,0
     (C 8-10 EO 6 в среднем)
     Неодол Р 23-3 4,0 4,0 4,0
     (C 12-13 EO 3)
     Лютенсол Р АО-30 6,0 6,0 6,0
     (C 13-15 EO.30)
     Карбонат натрия - 2,0 -
     Карбонат калия
                        2,0 - 2,0
     Жирная кислота ядра пальмового ядра
                        0,4 0,4 ​​0,4
     2-Бутилоктанол 0.4 0,4 ​​0,4
     Гидрофобный парфюм *
                        1,5 1,5 1,5
     Деионизированная вода и несовершеннолетние
                        q.s. q.s. q.s.
     pH 10,8 10,8 10,8
     ______________________________________
      Alfonic - это торговое название, используемое Vista Chemical.Неодол - это торговое название, используемое Shell Chemical Co.
      Lutensol - это торговое наименование, используемое BASF Corp.
      * Гидрофобный парфюм состоит из терпенов, терпеновых спиртов и других
      парфюмерные вещества, которые обычно нерастворимы в воде.
 

Изобретение также иллюстрируется следующими примерами. Все значения в таблице являются массовыми процентами.

 ______________________________________
     Пример №: 4 5
     Ингредиент Вес% Вес%
     ______________________________________
     Октилсульфонат натрия 7,0 7,0
     Альфоник Р 810-65 10,0 10,0
     (C 8-10 EO 6 в среднем)
     Неодол Р 23-3 4.0 4,0
     (C 12-13 EO 3)
     Лютенсол Р АО-30 6,0 6,0
     (C 13-15 EO 30)
     Монобутиловый эфир диэтиленгликоля
                            3,0 -
     Карбонат калия 2.0 2,0
     Жирная кислота ядра пальмового ядра 0,4 0,6
     2-бутилоктанол 0,4 -
     Гидрофобные духи * 1,5 1,5
     Деионизированная вода и несовершеннолетние
                            q.s. q.s.
     pH 10.5 10,5
     ______________________________________
      Alfonic - это торговое название, используемое Vista Chemical.
      Неодол - это торговое название, используемое Shell Chemical Co.
      Lutensol - это торговое наименование, используемое BASF Corp.
      * Гидрофобный парфюм состоит из терпенов, терпеновых спиртов и других
      парфюмерные вещества, которые обычно нерастворимы в воде.

Данные о съемке / полосах были получены в приведенных выше примерах.

Метод испытания на пленку / растрескивание — Разбавление (без восковых полов)

Материалы

1. Целлюлозные губки Spontex (разрезанные на 2 дюйма × 4 дюйма × 1 дюйм)

2. Напольная плитка без воска (12 дюймов на 12 дюймов)

3. Тестовые продукты — их разбавляют нагретой водопроводной водой, жесткость которой доведена до 7 зерен и поддерживается на уровне 110 ° С. F. Разведение представляет собой 1 часть исследуемого продукта: 128 частей воды.

Процедура:

1. Очистите напольную плитку водой из-под крана с помощью губки. Затем смойте дистиллированной водой и высушите бумажными полотенцами. Нанесите небольшое количество изопропилового спирта на каждую плитку и тщательно просушите.

2. Очистите губки от всех заводских консервантов и хорошо промойте. Используйте одну и ту же губку для всего теста, хорошо промывая между сменой продуктов. Смочите губку тестируемым продуктом.

3. Перенесите 15 мл разбавленного тестируемого продукта в перевернутый губчатый носитель.

4. Выдавите излишки продукта из губки и равномерно окуните губку на плоскую поверхность носителя, осторожно надавливая вниз, чтобы продукт впитался в губку. Тарируйте губку на двухместных весах продуктом вверх.

5. На реплику используется одна плитка. Губку слегка протирают по поверхности плитки, рисуя узор «М», который максимально покрывает всю плитку. Затем вбок рисуется еще одна буква «М». Поместите губку на тарированные весы и запишите количество продукта, нанесенного на плитку.

6. Для каждого тестируемого продукта используют три повтора.

7. Плитки сушат на воздухе с относительной влажностью 52% при комнатной температуре (около 24 ° C) в течение приблизительно одного часа.

8. Три эксперта оценивают панели по следующей шкале:

0 = нет съемок / полос

6 = очень плохая съемка / полосы

Оценки являются средними для каждого продукта.

 ______________________________________
     Данные о съемках / сериях
     Формула No.Съемка / средняя оценка
     ______________________________________
     3 1,4
     2 1,8
     1 2,1
     ______________________________________
 

LSD для этого теста был 0.2 при 95% доверительном интервале, поэтому средние значения съемок / полос, полученные для каждой формулы, статистически отличаются друг от друга. Превосходный результат съемок / полос был достигнут за счет комбинации как октилсульфоната (3 против 1), так и карбоната калия (3 против 2).

OhioLINK ETD: Джонсон Конкрайт, Джулиана Дж.

Легочный сурфактант, смесь фосфолипидов и белков сурфактанта, выстилает альвеолярное пространство и снижает поверхностное натяжение на границе раздела воздух-жидкость.Эпителиальные клетки альвеолярного типа II синтезируют сурфактантный протеин C (SP-C) в качестве интегрального мембранного протеина II типа, который протеолитически процессируется в мультивезикулярных тельцах для удаления N- и C-концевых пептидов, высвобождая зрелый пептид. Зрелый пептид SP-C, состоящий из трансмембранного и короткого внемембранного домена, хранится в ламеллярных тельцах и секретируется с поверхностно-активными фосфолипидами в альвеолярное пространство. Общая цель этой диссертации состояла в том, чтобы определить, как SP-C, интегральный мембранный белок, секретируется клетками типа II.Гипотеза, лежащая в основе этих исследований, состоит в том, что секреция SP-C происходит в два разных этапа, включая сортировку до мультивезикулярных тел и интернализацию во внутренние пузырьки. Анализ делетирования показал, что зрелый пептид SP-C был отнесен к регулируемому секреторному пути в отсутствие его фланкирующих пептидов. Зрелый пептид SP-C секретируется клетками типа II и ассоциирован с большим агрегированным сурфактантом, биологически активной формой сурфактанта, у мышей дикого типа, но не у мышей с нулевым SP-C.В отсутствие эндогенного SP-C N-концевой пептид SP-C требовался для секреции зрелого пептида или гетерологичного трансмембранного домена в альвеолярное пространство. Эти исследования показывают, что N-концевой пептид содержит информацию, необходимую для сортировки и интернализации SP-C во внутренние пузырьки мультивезикулярных тел. Мыши с дефицитом SP-C выживают с незначительными изменениями функции легких и имеют нормальные уровни зрелого пептида SP-B. Однако у мышей с дефицитом SP-B снижены уровни зрелого пептида SP-C в воздушном пространстве, и у них развивается неонатальный летальный респираторный дистресс-синдром.Чтобы проверить гипотезу о том, что SP-B и SP-C являются функционально избыточными по своей способности поддерживать активную поверхностную пленку, зрелый пептид SP-C был экспрессирован у трансгенных мышей для восстановления функции легких у мышей с дефицитом SP-B. Однако экспрессия зрелого пептида SP-C в легких трансгенных мышей нарушала развитие легких, что приводило к респираторному дистрессу и неонатальной летальности. Эти исследования предполагают, что аберрантное сворачивание, сортировка и секреция SP-C могут иметь сильное влияние на развитие и функцию легких.

Химия очистки — основные отрасли промышленности

Моющие средства, как мы уже узнали, состоят из поверхностно-активных веществ и хелатирующих агентов. Помните, что поверхностно-активные вещества удаляют грязь с загрязненной поверхности, а хелатирующие агенты используются для окружения нежелательных ионов металлов, содержащихся в чистящих растворах. Процесс хелатирования, хотя и очень эффективен, не всегда необходим и увеличивает стоимость составления моющих средств. Строители часто являются хорошей альтернативой.

Строители добавляются к чистящему составу для повышения эффективности очистки поверхностно-активных веществ.Строители имеют ряд функций, включая смягчение, буферизацию и эмульгирование.

Строители смягчают воду, деактивируя минералы жесткости (ионы металлов, такие как кальций и магний). Они делают это одним из двух способов:

Секвестрация — удерживание ионов металлов в растворе.

Осадки — удаление ионов металлов из раствора как нерастворимых материалов.

Строители, помимо смягчения, обеспечивают желаемый уровень щелочности (повышенный pH), что способствует очистке.Они также действуют как буферы для поддержания надлежащей щелочности промывочной воды.

Наконец, строители помогают эмульгировать маслянистую и жирную почву, разбивая ее на крошечные шарики. Многие строители фактически пептизируют или удерживают разрыхленную грязь и не дают ей снова осесть на очищенную поверхность. Ниже приведены три наиболее распространенных компонента, используемых в современных моющих средствах для тяжелых условий эксплуатации. Ниже приводится краткое описание каждого из них.

Фосфаты * , обычно триполифосфат натрия (STPP), широко используются в качестве моющих добавок в промышленных моющих средствах для тяжелых условий эксплуатации.Они соединяются с минералами жесткости, образуя растворимый комплекс, который удаляется с водой для стирки. Они также изолируют растворенное железо и марганец, которые могут повлиять на моющие свойства.

* Из-за потенциального воздействия фосфатов в моющих средствах на окружающую среду все новые чистящие и моющие средства Essential не содержат фосфатов.

Карбонат натрия (кальцинированная сода) используется в качестве строительного материала, но может смягчать воду только за счет атмосферных осадков. Осажденные частицы кальция и магния могут накапливаться на поверхностях, особенно на одежде, поэтому карбонат натрия не используется в моющих средствах для стирки.

Силикат натрия служит в качестве компонента в некоторых моющих средствах при использовании в высоких концентрациях. При использовании в более низких концентрациях он препятствует коррозии и придает гранулам моющего средства прозрачность.

Поверхностное натяжение содержащих поверхностно-активное вещество капель конечного объема

Значение

Частицы атмосферного аэрозоля охлаждают климат Земли, служа семенами облачных капель. Этот охлаждающий эффект представляет собой как наиболее неопределенное, так и наиболее сильное отрицательное радиационное воздействие.На активацию облачных капель сильно влияет поверхностное натяжение аэрозольных частиц, которое в климатических моделях считается эквивалентным натяжению чистой воды. Мы непосредственно измеряем поверхностное натяжение покрытых поверхностно-активным веществом капель с высоким отношением поверхности к объему, демонстрируя, что их поверхностное натяжение значительно ниже, чем у чистой воды, но не соответствует поверхностному натяжению раствора, из которого они были получены, и зависит от конечного размер капли. Эти результаты предполагают, что поверхностно-активные вещества потенциально могут значительно изменить радиационное воздействие и подчеркивают необходимость лучшего понимания атмосферных концентраций и свойств поверхностно-активных веществ.

Abstract

Поверхностное натяжение влияет на долю атмосферных частиц, которые становятся облачными каплями. Хотя поверхностно-активные вещества являются важным компонентом массы аэрозоля, поверхностное натяжение активирующих аэрозольных частиц все еще не решено, при этом большинство климатических моделей предполагают, что активирующие частицы имеют поверхностное натяжение, равное поверхностному натяжению воды. Изучая слияние пиколитровых капель, мы демонстрируем, что поверхностно-активные вещества могут значительно снизить поверхностное натяжение капель конечного размера ниже значения для воды, что согласуется с недавними полевыми измерениями.Важно отметить, что это уменьшение поверхностного натяжения зависит от размера капель и не соответствует точно макроскопическому значению раствора. Полностью независимая модель разделения монослоя подтверждает, что наблюдаемое поверхностное натяжение, зависящее от конечного размера, возникает из-за высокого отношения поверхности к объему в каплях конечного размера, и позволяет прогнозировать гигроскопический рост аэрозоля. Эта модель, ограниченная лабораторными измерениями, согласуется с уменьшением критического пересыщения для активации, потенциально существенно увеличивая числовую концентрацию облачных капель и изменяя радиационное охлаждение по сравнению с текущими оценками, предполагающими поверхностное натяжение воды.Результаты подчеркивают необходимость улучшения ограничений на идентичность, свойства и концентрации поверхностно-активных веществ атмосферного аэрозоля в различных средах и широко применимы к любой дисциплине, где действуют эффекты конечного объема, такие как исследования конкуренции между скоростями реакции в объеме и на поверхности замкнутых объемов и исследования влияния поверхностно-активных веществ на морфологию высушенных частиц из распылительных сушилок.

Атмосферные аэрозоли воздействуют на климат напрямую, рассеивая солнечную радиацию, и косвенно, выступая в качестве ядер конденсации облаков (CCN), влияя на альбедо облаков и характер осадков.Несмотря на то, что он представляет собой самый большой отрицательный компонент радиационного воздействия, косвенный эффект аэрозоля из-за взаимодействий аэрозоль-облако (ACI) является наименее понятным и имеет наибольшую неопределенность (1). Для жидкофазных облаков значительный вклад в эту неопределенность представляет проблема точного прогнозирования количества облачных капель, образующихся в присутствии заданной популяции аэрозоля, восходящего потока и общего количества доступной воды (т. Е. При заданном критическом пересыщении). . Критическое пересыщение при активации количественно определяется уравнением Келера (2) и сильно зависит от поверхностного натяжения активирующей частицы в критической точке.Поверхностное натяжение ниже, чем у чистой воды, снижает барьер пересыщения для активации облачных капель. Большинство крупномасштабных моделей неявно предполагают поверхностное натяжение чистой воды для активации частиц (3), но проверка этого предположения является сложной задачей. Учет эффекта пониженного поверхностного натяжения может изменить косвенный радиационный эффект ( IRE ) до 1,1 Вт · м −2 того же порядка, что и наилучшая оценка радиационного воздействия ACI (1, 4, 5) . Недавнее исследование по моделированию облачных участков также продемонстрировало, что поверхностно-активные органические вещества могут влиять на микрофизику облаков, оптические свойства и радиационные эффекты (6).

Измерения химического состава аэрозолей ставят под сомнение предположение о том, что поверхностное натяжение активирующих частиц равно поверхностному натяжению воды. Органические аэрозоли содержат поверхностно-активные молекулы в достаточном количестве, чтобы уменьшить поверхностное натяжение макроскопических растворов (4, 7, 8), и этого количества, в принципе, может быть достаточно для поддержания пониженного поверхностного натяжения на протяжении всей активации (7⇓⇓⇓ – 11 ). Такое снижение могло бы увеличить концентрации CCN на порядок (12).Более того, органические пленки могут значительно изменить путь роста активирующих частиц (13⇓ – 15), и могут иметь значение динамические поверхностные эффекты (16, 17).

Основной проблемой при решении проблемы воздействия поверхностно-активных веществ на поверхностное натяжение аэрозольных частиц является точный учет отношения поверхности к объему на порядки величины больше для капли конечного размера, чем для макроскопического раствора. Высокое отношение поверхности к объему увеличивает долю всех молекул, разделенных на поверхность, что снижает объемную концентрацию и уменьшает эффект растворенного вещества в уравнении Келера.Такое разделение может полностью или частично противодействовать эффекту снижения поверхностного натяжения поверхностно-активных веществ и должно учитываться при прогнозировании активации частиц (18⇓⇓⇓ – 22). Учет этого разделения является сложной задачей, потому что несколько подходов непосредственно измеряют поверхностное натяжение аэрозольных частиц (23⇓⇓⇓ – 27), и до сих пор ни один из них не исследовал подробно распределение поверхностно-активных веществ. Большинство подходов предполагает определение поверхностного натяжения на основе измерений гигроскопического роста или критического пересыщения (28). Более того, во многих исследованиях сообщается только о макроскопических измерениях поверхностного натяжения раствора и не рассматриваются эффекты разделения поверхности и объема (4, 7, 8, 16, 29).Следовательно, прогнозы распределения поверхностно-активного вещества в аэрозоле не сопровождаются прямыми экспериментальными сравнениями для проверки модели. Все чаще требуются точные модели, описывающие состав поверхности частиц (30), не только для прогнозирования активации облачных капель, но и для понимания межфазной химии на поверхности частиц, которая становится ключом к целому ряду атмосферных процессов (31–33).

Мы сообщаем о прямых измерениях поверхностного натяжения пиколитровых капель, содержащих атмосферно релевантное первичное растворенное вещество и модельное поверхностно-активное вещество, демонстрируя, что распределение поверхностно-активного вещества из-за конечного объема капли зависит от размера капли и не соответствует количественно макроскопическому значению раствора.Экспериментальные данные подтверждают полностью независимую модель разделения монослоя для состава поверхности капли, позволяя произвести грубую оценку диапазона концентраций поверхностно-активного вещества, необходимого для воздействия на активацию капель атмосферных облаков. Результаты широко применимы к любой дисциплине, где важен состав поверхности капель конечного объема, включая разрешение конкуренции между поверхностными и объемными скоростями реакции в ограниченных объемах (34–37) и определение влияния поверхностно-активного вещества на морфологию частиц, высушенных распылением ( 38).

Результаты

Эксперименты проводились с использованием голографического оптического пинцета (23, 39, 40), и экспериментальный подход концептуально проиллюстрирован на рис. 1 (см. методы для более подробной информации). Две водные капли с радиусом от 5 до 10 мкм каждая, содержащие известные концентрации первичного растворенного вещества и растворимого поверхностно-активного вещества, были оптически захвачены, а затем слились в одну составную каплю (рис. 1 A ). Коалесценция капель вызывает затухающие колебания формы капли (рис.1 B ), которые контролировались путем регистрации упругого обратно рассеянного лазерного света. Частота этих колебаний связана с поверхностным натяжением капли (41, 42). Обратно рассеянный рамановский свет от составной капли (рис. 1 C ) позволяет с высокой точностью определять радиус капли и показатель преломления (RI). Затем RI используется для определения концентраций первичных растворенных веществ и поверхностно-активных веществ.

Рис. 1.

Концептуальное описание методики эксперимента.( A ) Две капли, содержащие первичное растворенное вещество (0,9 M глутаровую кислоту или 0,5 M NaCl) и растворимое поверхностно-активное вещество Triton X-100, оптически захватывали и коалесцировали. ( B ) Динамические колебания формы, характерные для события коалесценции, контролировали по зависящим от времени изменениям интенсивности обратно рассеянного света. ( C ) Размер составной капли и показатель преломления (RI) были получены путем сравнения мод шепчущей галереи в рамановском спектре капли с библиотекой расчетов по теории Ми.Параметризация RI и концентрации дает первичную концентрацию растворенного вещества. Концентрация поверхностно-активного вещества определяется исходя из предположения, что соотношение первичного растворенного вещества: поверхностно-активное вещество в распыляемом растворе сохраняется в капле. ( D ) Вместе эти данные позволяют измерять поверхностное натяжение пиколитровых капель в зависимости от концентрации поверхностно-активного вещества.

Общая концентрация поверхностно-активного вещества в каплях [поверхностно-активного вещества] была определена количественно, предполагая, что относительное соотношение первичного растворенного вещества к поверхностно-активному веществу в распыляемом растворе сохранялось в захваченных каплях (см. Методы для обоснования).Общая концентрация поверхностно-активного вещества в капле распределяется между молекулами поверхностно-активного вещества на поверхности капли, N , на поверхности и в объеме, N в массе , и описывается как [поверхностно-активное вещество] tot = (Nsurface + NbulkNA) × 1V , [1] где N A — число Авогадро, а V — объем капли. Таким образом, частоты колебаний и спектры комбинационного рассеяния позволяют определить зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ (рис.1 D ) на основе измерений многих капель водного раствора аэрозоля, содержащих фиксированную первичную концентрацию растворенного вещества (0,9 M для глутаровой кислоты, косвенный показатель для органических веществ; 0,5 M для NaCl, аналогичный показатель для морских брызг) и возрастающей концентрации поверхностно-активного вещества [Triton X-100, хорошо охарактеризованное эталонное поверхностно-активное вещество со свойствами, сопоставимыми со свойствами некоторых атмосферных поверхностно-активных веществ (7, 20)].

Поверхностное натяжение капель, содержащих органическое растворенное вещество и поверхностно-активное вещество.

Фиг.2 A представляет зависимость поверхностного натяжения от концентрации поверхностно-активного вещества как для пиколитровых капель, так и для измерений в макроскопическом растворе (плоская поверхность) для системы глутаровая кислота – Тритон X-100. Также показаны прогнозы поверхностного натяжения капель с использованием модели разделения монослоя. Экспериментальные данные о каплях получены из 103 отдельных событий слияния и ясно показывают, что измеренные значения при заданном [Triton X-100] от до на ~ 15 мН · м -1 выше, чем соответствующее измерение макроскопического раствора.Следовательно, измерения капель достигают своего минимального значения поверхностного натяжения при более высоких значениях [Triton X-100] от до , чем измерения в макроскопических растворах.

Рис. 2.

( A ) Сравнение поверхностного натяжения пиколитровой капли (радиус от ~ 7 до 9 мкм) с макроскопическими измерениями поверхностной тензиометрии раствора и предсказаниями модели разделения монослоя при различных радиусах капель, построенных как функция [Triton X -100] для капель, распыляемых из водного раствора, содержащего 0.9 М глутаровая кислота. Измерения капель усредняются для интервалов 0,03 мМ. Столбики неопределенности представляют собой стандартное отклонение среднего. ( B ) Когда прогнозы модели разделения монослоя строятся как функция [Triton X-100] bulk (символы), результаты сводятся к измерениям макроскопического раствора (плоская поверхность) (сплошная линия), указывая, что модель точно рассматривает разделение поверхности и объема в каплях.

Наблюдение более высокого измеренного поверхностного натяжения в микроскопических каплях по сравнению с макроскопическим раствором является следствием большого отношения поверхности к объему пиколитровых капель.В макроскопическом растворе доля молекул поверхностно-активного вещества, которые разделяются на поверхность раствора, пренебрежимо мала по сравнению с общим количеством молекул в объеме, поскольку отношение поверхности к объему мало, а общее количество молекул в объеме раствора очень велико. большой (например, N поверхность << N навалом в уравнении 1 , поэтому N до N навалом , где N tot = N поверхность + N навалом ).Однако в капле конечного размера доля молекул поверхностно-активного вещества, которые разделяются на поверхность, составляет значительную часть от общего числа молекул в капле из-за большего отношения поверхности к объему ( N до > > N навалом ) (19, 22). Например, эксперимент по тензиометрии висячей капли на 1 мМ растворе поверхностно-активного вещества может включать анализ капли радиусом 1 мм, что соответствует отношению поверхности к объему 3000 м -1 .Для сравнения: капля с радиусом 10 мкм имеет отношение поверхности к объему в 100 раз больше (3 × 10 5 м -1 ). Следовательно, равновесное разделение молекул поверхностно-активного вещества на поверхность капли с радиусом 10 мкм требует удаления большей части всех молекул из объема для образования поверхностной пленки (т. Е. Большей доли на поверхности), уменьшая долю молекул в объеме и понижение [Triton X-100] в объеме ниже 1 мМ. Результатом, обозначенным как [Triton X-100] от до , является более высокое поверхностное натяжение в капле по сравнению с макроскопическими измерениями раствора.Если бы было рассмотрено разделение поверхности и объема и была включена соответствующая поправка, тогда измерения капель слились бы с измерениями макроскопических растворов, когда они были нанесены на график как [Triton X-100] bulk .

Гипотеза о том, что измерения капель чувствительны к высокому отношению поверхности к объему и результирующему истощению объема поверхностно-активного вещества, проверяется с использованием модели разделения монослоя (43). Эта модель была разработана для количественной оценки разделения поверхности и объема для капли с конечным объемом, содержащей определенное количество молекул поверхностно-активного вещества, и полностью независима от измерений (без подгоночных параметров) ( Methods ).Поверхность рассматривается как фаза конечных размеров с толщиной, соответствующей одному молекулярному слою, и поверхностное натяжение прогнозируется на основе объемного состава, который является результатом равновесного распределения молекул между поверхностью и объемом. В отличие от других недавно разработанных моделей, единственными экспериментальными данными, используемыми для ограничения модели разделения монослоя, являются модифицированная параметризация Шишковского – Ленгмюра макроскопических данных поверхностного натяжения раствора ( SI Приложение , рис.S1) и плотности раствора.

Эта модель разделения монослоя была выбрана среди более часто используемых моделей Гиббса (12, 22) и двумерной (2D) модели Ван-дер-Ваальса (13) по нескольким причинам. Во-первых, модель разделения монослоя полностью предсказуема, не имеет свободных параметров и ограничена только измерениями, не связанными с экспериментами с каплями, в отличие от 2D-модели Ван-дер-Ваальса. Во-вторых, модель Гиббса имеет тенденцию переоценивать разбиение, как более подробно обсуждалось в предыдущих исследованиях моделирования (17, 43, 44), и в некоторых случаях плохо сравнивается с экспериментальными и полевыми исследованиями (12, 20), обеспечивая нефизически большие оценки толщины поверхностного слоя (20).Здесь мы сравниваем экспериментальные данные для капель глутаровой кислоты-тритона X-100 с моделью Гиббса (22) и, аналогично этим предыдущим исследованиям (12, 17, 20, 43, 44), мы наблюдаем, что протяженность поверхности распределение завышено по сравнению с измерениями (то есть модель Гиббса переоценивает N поверхность и недооценивает N объем ), тем самым предсказывая гораздо более высокие поверхностные натяжения, чем измеренные экспериментально ( SI Приложение , рис.S2). Хотя это, возможно, противоречит здравому смыслу, это наблюдение отражает влияние разделения поверхности на N в объеме , которое обычно можно игнорировать при измерениях объемной фазы, но оно сильно и неявно зависит от обогащения поверхности в системах с конечным объемом. Сам процесс обогащения поверхности истощает объемную фазу, что снижает объемную концентрацию поверхностно-активного вещества и приводит к ошибочному предполагаемому поверхностному натяжению, когда только общий состав используется в качестве эталонной концентрации для прогнозирования поверхностного натяжения.

Смоделированные поверхностные натяжения капель показаны на рис. 2 A для трех радиусов капель (7,0, 8,5 и 10,0 мкм), охватывающих экспериментально измеренный диапазон радиусов капель. Смоделированные поверхностные натяжения, которые учитывают разделение поверхности и объема, хорошо согласуются с прямыми измерениями капель. При [Triton X-100] tot = 0 мМ предсказанное поверхностное натяжение капли эквивалентно таковому для макроскопического раствора глутаровой кислоты. Это наблюдение указывает на то, что эффекты истощения не проявляются в этом диапазоне размеров для глутаровой кислоты, которая имеет слабую внутреннюю поверхностную склонность, но является водорастворимым органическим соединением, в основном из-за очень высоких изученных концентраций (сотни миллимолярных).По мере увеличения [Triton X-100] от до прогнозируемое поверхностное натяжение уменьшается. Вблизи [Triton X-100] tot = от 0,6 до 0,7 мМ предсказанное поверхностное натяжение резко падает, поскольку критическая концентрация мицелл (ККМ) достигается в объеме капли. Это резкое изменение предсказанного поверхностного натяжения является артефактом построения данных модели относительно [Triton X-100] , а не [Triton X-100] навалом . Помимо резкого изменения поверхностного натяжения, CMC превосходит, и поверхностное натяжение инвариантно с концентрацией поверхностно-активного вещества.

Резкое изменение предсказанного поверхностного натяжения является результатом небольшого размера и небольшого абсолютного числа молекул в капле, а также способа построения данных. Небольшое увеличение абсолютного количества молекул ПАВ в объеме капли соответствует большому увеличению мольной доли ПАВ, которое может проявляться в виде резкого изменения поверхностного натяжения для достаточно малых объемов. Например, прогнозируется, что на поверхностное натяжение капли радиусом 11 нм первоначально не повлияет увеличение [Triton X-100] от до , потому что все молекулы разделены на поверхность капли и ни одна из них не находится в объеме капли.Однако одна молекула поверхностно-активного вещества, находящаяся в объеме капли, перемещает объем [Triton X-100] на выше CMC (43). Следовательно, прогнозируемое поверхностное натяжение будет неявно следовать ступенчатой ​​функции при построении графика относительно [Triton X-100] , что подчеркивает важность учета общей концентрации поверхностно-активного вещества, а не только объемной концентрации. Однако, как показано на фиг. 2 B и обсуждается ниже, когда экспериментальные данные наносятся на график против [Triton X-100] bulk , наблюдается непрерывный тренд поверхностного натяжения.Для капель большего размера это поведение переходит в более плавное изменение поверхностного натяжения по мере увеличения общей концентрации поверхностно-активного вещества. Таким образом, предсказание модели качественно напоминает «фазовый переход из сжатой пленки в газ» пленок поверхностно-активных веществ, описываемый двумерной моделью Ван-дер-Ваальса (13, 14, 45). Ключевым отличием нашей модели является то, что резкое изменение поверхностного натяжения происходит из-за зависящего от размера разделения поверхности и объема, тогда как в 2D-модели Ван-дер-Ваальса это связано с фазовым переходом в поверхностной пленке (43).

Чтобы подтвердить, что модель точно учитывает разделение поверхности и объема, прогнозы поверхностного натяжения для радиуса 0,050, 7,0, 8,5 и 10,0 мкм сравнивались с измерениями макроскопических растворов (рис. 2 B ). В этом случае результаты модели отображаются как [Triton X-100] bulk , а не как [Triton X-100] до , и следуют той же тенденции, сворачиваясь на макроскопическую кривую решения. Это перекрытие указывает на то, что модель точно учитывает разделение поверхности и объема.(Несоответствие ∼1 мН · м −1 для мельчайших капель связано с разделением поверхности и объема глутаровой кислоты, а не поверхностно-активного вещества.) Более того, с увеличением размера капель всех размеров наблюдается постоянная плавная тенденция поверхностного натяжения [Triton X -100] bulk , что указывает на то, что резкое изменение поверхностного натяжения, наблюдаемое на рис. 2 A , является артефактом представления данных в терминах [Triton X-100] to , а не [Triton X-100] навалом .

Поверхностное натяжение в зависимости от размера капель.

На рис. 3 показано поверхностное натяжение как функция размера капель для капель, распыленных из водного раствора, содержащего 0,9 М глутаровую кислоту и 0,42 мМ Triton X-100, а также предсказания модели для зависящего от размера поверхностного натяжения, показанного как изменения относительно поверхностное натяжение капли радиусом 9,0 мкм. Тенденция увеличения поверхностного натяжения с уменьшением радиуса составной капли и увеличением отношения поверхности к объему очевидна, экспериментально подтверждая, что поверхностное натяжение капли зависит от размера при постоянном значении [Triton X-100] от до .Хотя модель предсказывает ту же общую тенденцию (более высокое поверхностное натяжение при меньшем радиусе), величина изменения меньше. Тем не менее, гипотеза о том, что в пиколитровых каплях имеет значение разделение поверхности и объема, подтверждается.

Рис. 3.

Зависимость поверхностного натяжения составной капли от размера для капель, полученных распылением водного раствора 0,9 М глутаровой кислоты и 0,42 мМ Тритона Х-100. Сплошная линия — прогноз модели. Относительное поверхностное натяжение строится для совмещения измеренных и смоделированных значений.Относительное значение для γ CMC , значение поверхностного натяжения в макроскопическом растворе при этой концентрации, показано пунктирной линией. На верхней оси показано отношение поверхности к объему для радиусов капли на нижней оси. Данные были усреднены до интервалов 0,5 мкм. Столбики неопределенности представляют собой стандартное отклонение среднего.

Поверхностное натяжение капель, содержащих соль и ПАВ.

Также были исследованы капли, содержащие NaCl и Тритон Х-100. На рис. 4 сравниваются измерения поверхностного натяжения капель радиусом от 7 до 9 мкм с макроскопическими значениями раствора.Эти данные получены из 39 отдельных событий слияния. Сравнение значений поверхностного натяжения капель и макроскопических растворов в целом согласуется с наблюдениями для системы глутаровая кислота-Тритон X-100: значения поверхностного натяжения капель пиколитера существенно выше, чем соответствующие значения для макроскопических растворов при нанесении на [Triton X-100] тот . Для системы NaCl – Triton X-100 (35 мН · м -1 ) наблюдается гораздо большая максимальная разница между поверхностным натяжением капли и макроскопического раствора, чем для системы глутаровая кислота-Triton X-100 (15 мН · м ). −1 ).Это наблюдение согласуется с эффектом высаливания. Соль изменяет свойства распределения поверхностно-активного вещества, что приводит к большему поверхностному избытку (более высокой поверхностной склонности) при заданном объеме [Triton X-100] для системы NaCl – Triton X-100, чем для системы глутаровая кислота – Triton X-100 (подтверждено более крутым наклоном кривой зависимости поверхностного натяжения от концентрации для NaCl – Triton X-100 в Приложении SI, рис. S3). Следовательно, когда поверхностное натяжение капель строится в зависимости от [Triton X-100] до , большее значение [Triton X-100] от до требуется для уменьшения поверхностного натяжения, поскольку большая часть молекул поверхностно-активного вещества распределяется на поверхности капли. а не основная масса.Другими словами, относительные величины N поверхности и N объемного в уравнении. 1 сдвиг в сторону N поверхности для капель, содержащих соль.

Рис. 4.

Сравнение поверхностного натяжения пиколитровой капли (радиус от ∼7 до 9 мкм) со значениями из макроскопических измерений тензиометрии поверхности раствора и прогнозов модели разделения монослоя при различных радиусах капель, построенных как функция [Triton X-100] для капель, распыляемых из водного раствора, содержащего 0.5 М NaCl. На практике результаты моделирования для разных радиусов перекрывают друг друга. Измерения капель усредняются по ячейкам 0,1 мМ. Столбики неопределенности представляют собой стандартное отклонение среднего.

Прогнозы модели поверхностного натяжения для капель (радиусом 7,0, 8,5 и 10,0 мкм) также показаны на рис. 4. Значения поверхностного натяжения для каждого из этих размеров очень близки из-за более сильной зависимости поверхностного натяжения. на [Triton X-100] навалом по сравнению с системой глутаровая кислота – Triton X-100 ( SI Приложение , рис.S1). Следовательно, зависимость поверхностного натяжения капли от [Triton X-100] от до слабее, что снижает разрешающую способность модели разделения. Модель качественно фиксирует тенденцию поверхностного натяжения пиколитровых капель для системы NaCl – Triton X-100 до тех пор, пока модель не предсказывает, что CMC достигается в объеме капли около [Triton X-100] tot = 0,6 мМ с резким изменением до значение γ CMC . Несогласие между измерением и моделью вероятно, потому что разделение немного недооценивается моделью для этой системы.

Подводя итог, показано, что пиколитровые капли конечного размера имеют поверхностное натяжение до 35 мН · м -1 выше, чем соответствующие макроскопические растворы, которые их создали. Предсказания модели разделения монослоя, которые учитывают разделение поверхности и объема в каплях конечного размера и полностью независимы от эксперимента с каплями, хорошо согласуются с измерениями. Хорошее согласие между измерением и моделью позволяет предположить, что общие явления, управляющие поверхностным натяжением пиколитровой капли, представлены моделью.

Обсуждение

Модели разделения предсказывают, что учет разделения поверхности и объема поверхностно-активных молекул становится все более важным для более мелких капель, где отношение поверхности к объему намного больше, чем в каплях микрометрового размера (например, 6 × 10 7 в капле радиусом 0,05 мкм). Основываясь на этой первой прямой проверке модели для пиколитровых капель, мы исследовали эффекты поверхностного натяжения поверхностно-активных веществ в более мелких каплях, которые с большей вероятностью будут доминировать в качестве CCN.Рис. 5 A показывает, что для капли с радиусом 0,05 мкм (типичный размер для CCN), содержащей 0,9 M глутаровую кислоту, [Triton X-100] до должно быть >> 1 мМ, чтобы существенно снизить поверхностное натяжение. , как следствие высокого отношения поверхности к объему.

Рис. 5.

( A ) Прогнозы модели разделения монослоя поверхностного натяжения капли с радиусом 0,05 мкм при увеличении [Triton X-100] от до . ( B ) Прогнозирование поверхностного натяжения для капель, содержащих различные исходные [Triton X-100] , растущие гигроскопически (т.е.например, добавлением воды) от 0,05 мкм до 10 мкм. ( C ) Кривые Келера, описывающие активацию облачных капель для тех же капель. Линии разного цвета относятся к каплям с исходным составом, обозначенным цветными кружками в A . Прогнозы учитывают как разбавление, так и изменение отношения поверхности к объему растущей частицы.

Рис. 5 B исследует важность учета разделения поверхности и объема во время активации облачных капель, показывая гигроскопический рост 0.Частица радиусом 05 мкм с разными исходными концентрациями ПАВ. Прогноз модели учитывает как разбавление в результате гигроскопического роста, так и уменьшение отношения поверхности к объему по мере увеличения размера капель. С увеличением размера капель из-за гигроскопического роста поверхностное натяжение увеличивается из-за разбавления за счет конденсации воды. Противодействием этому увеличению поверхностного натяжения является уменьшение из-за уменьшения отношения поверхности к объему при больших размерах капель, хотя этого недостаточно, чтобы компенсировать изменение концентрации из-за гигроскопического роста.Когда на капле конденсируется достаточное количество воды, поверхностное натяжение приближается к поверхностному натяжению чистой воды (72 мН · м -1 ). С увеличением начальной концентрации поверхностно-активного вещества увеличивается доля роста капель с поверхностным натяжением <72 мН · м -1 . Влияние на критический радиус ( R c ), критическое пересыщение ( SS c ) и поверхностное натяжение при активации (γ c ), как предсказывает уравнение Келера (2, 44), составляют изображенный на рис.5 C и таблица 1. Когда [Triton X-100] tot, init = 1 мМ, γ c эквивалентен эталонному случаю, когда [Triton X-100] tot, init = 0 мМ. Следовательно, на R c и SS c присутствие поверхностно-активного вещества существенно не влияет. Точно так же, когда [Triton X-100] tot, init = 10 мМ, γ c = 64 мН · м -1 , что приводит к ~ 10% изменениям в R c и SS с .Однако, когда [Triton X-100] tot, init = 100 мМ, поверхностное натяжение капли будет низким во время всего роста капли (γ c = 55 мН · м -1 ), что приведет к R c 0,12 мкм и SS c 0,57%, что представляет 50% изменение R c и 37% изменение SS c относительно сценария где [Triton X-100] tot, init = 0 мМ. Когда [Triton X-100] tot, init = 1000 мМ, поверхностное натяжение минимально на протяжении всего роста, оставаясь 34 мН · м -1 при активации, тем самым модифицируя R c до 0.15 мкм и SS c до 0,25%. Такие изменения в R c и SS c , особенно для случаев, когда [Triton X-100] tot, init > 10 мМ, могут быть климатически значимыми, как продемонстрировано упрощенной оценкой частичное изменение числовой концентрации капель на палубе теплых облаков (Δ N d / N d, est ) и результирующее IRE ( IRE est ) из-за уменьшения SS c , оба показаны в таблице 1 ( методы ).Например, когда [Triton X-100] tot, init = 100 мМ, N d , по прогнозам, увеличится на> 30% и IRE изменится на -1,6 Вт · м -2 , аналогично по величине неопределенности косвенного воздействия аэрозоля на радиационное воздействие. Хотя эти значения являются оценками, учитывающими только ACI в подмножестве облачных режимов в системе Земля (1), они согласуются с предыдущими оценками воздействия поверхностно-активного вещества на N d и IRE (4, 5).Однако для более реалистичных и точных оценок воздействия поверхностного натяжения на климат требуется подробный анализ чувствительности при разрешении облаков и должным образом параметризованные глобальные модели в более динамичном наборе экспериментальных условий (6).

Таблица 1.

Параметры для капель с исходным составом (при радиусе 0,05 мкм), показанными на рис. 5 A

Triton X-100, вероятно, будет репрезентативным для многих атмосферных поверхностно-активных веществ, таких как его CMC и γ CMC согласуются с данными об атмосферном аэрозоле (7, 20).Следовательно, предсказания модели разделения монослоя предполагают, что общая концентрация поверхностно-активного вещества в частицах должна быть, по крайней мере, порядка от нескольких десятков до 100 мМ, чтобы было существенное влияние на активацию облачных капель. Жерар и др. (7, 29) недавно сообщили об общих концентрациях поверхностно-активных веществ в собранных тонкодисперсных аэрозолях окружающей среды, достигающих от нескольких десятков до сотен миллимолей по всей Европе. Более того, концентрация поверхностно-активного вещества увеличивается в более мелких (<200 нм в диаметре) атмосферных частицах (46).Такие атмосферные наблюдения в сочетании с нашими результатами показывают, что в некоторых случаях поверхностно-активные вещества будут существенно влиять на активацию атмосферных частиц в облачные капли. Однако маловероятно, что поверхностное натяжение капли будет равным γ CMC при R c , что подчеркивает важность учета распределения поверхностно-активного вещества в зависимости от конечного размера для точной оценки поверхностного натяжения. Эти результаты показывают, что эффекты поверхностно-активных веществ может быть сложно выявить в исследованиях окружающей среды, поскольку поверхностно-активные вещества могут существенно влиять на активацию облачных капель только при определенных сценариях (12).Следовательно, эти результаты подчеркивают необходимость дальнейшего изучения эффектов поверхностно-активного вещества, изучения более широкого диапазона модельных поверхностно-активных веществ и соолятов для развития более точного понимания влияния поверхностно-активного вещества на активацию облачных капель.

В заключение, мы обеспечиваем прямые измерения поверхностного натяжения покрытых поверхностно-активным веществом пиколитровых капель конечного размера, которые демонстрируют, что эффекты разделения поверхности могут приводить к поверхностному натяжению капель до 35 мН · м -1 больше (т.е., ближе к значению для воды), чем соответствующий макроскопический раствор, из-за их высокого отношения поверхности к объему. Следовательно, при согласовании поверхностного натяжения капель конечного размера с макроскопическими значениями решения необходимо учитывать разделение поверхности и объема. Недостаточно просто использовать макроскопическое поверхностное натяжение раствора. Мы также экспериментально продемонстрировали, что на распределение поверхностно-активного вещества в каплях конечного размера существенно влияет присутствие соколута (глутаровая кислота, NaCl).Учитывая, что атмосферные аэрозоли представляют собой сложные химические смеси, содержащие неорганические соли и органические молекулы, важным компонентом которых являются поверхностно-активные вещества (7, 46), взаимодействия поверхностно-активное вещество-растворенное вещество и возникающие в результате эффекты разделения поверхности и объема в зависимости от размера требуют дальнейшего изучения.

Измерения поверхностного натяжения пиколитровых капель рационализированы в рамках модели разделения монослоя, ограниченной только хорошо зарекомендовавшими себя измерениями макроскопических растворов. Качественное согласие между измерением и моделью укрепляет нашу уверенность в применении моделей поверхностного натяжения, учитывающих разделение поверхности и объема, а также подчеркивает необходимость дальнейшей разработки модели для более точного прогнозирования свойств поверхности сложных аэрозольных частиц.Улучшенные возможности прогнозирования позволят лучше оценить N d , что в конечном итоге снизит неопределенность в косвенном аэрозольном эффекте. Прогнозы модели поверхностного монослоя предполагают, что концентрации поверхностно-активного вещества порядка от нескольких десятков до 100 мМ, согласующиеся с зарегистрированными концентрациями в атмосфере, необходимы для существенного воздействия на N d (т. Е. Для изменения SS c на> 20%) . Эти прогнозы подчеркивают необходимость более полного понимания типов и концентраций поверхностно-активных веществ в аэрозоле, поскольку на сегодняшний день опубликовано лишь несколько исследований в нескольких средах (7, 8, 10, 29, 46, 47).Глобальное моделирование N d только изредка включало такие модели разделения поверхности (5, 6), отчасти потому, что эффекты разделения не были экспериментально подтверждены до этой работы. Более широкое значение этой работы заключается в том, что, несмотря на эффекты разделения поверхности и объема, поверхностно-активные вещества все еще могут влиять на активацию облачных капель в ряде атмосферных сценариев, причем эффект сильно зависит от местных условий, включая распределение аэрозолей по размерам, концентрацию поверхностно-активных веществ. , и космические идентичности.Для количественного определения масштабов этих климатических воздействий требуются подробные исследования моделирования климата (5, 6).

Методы

Голографический оптический пинцет.

Инструментальный подход был подробно описан в другом месте и только кратко резюмирован здесь (23, 39, 40). Капли аэрозоля производятся из водного раствора, содержащего известные концентрации растворенного вещества и поверхностно-активного вещества, с использованием стандартного медицинского распылителя (NE U22; Omron). Капли с радиусом от 5 до 10 мкм улавливаются отдельными оптическими ловушками.Эти две управляемые оптические ловушки были созданы путем динамического формирования фазового фронта непрерывного лазера с длиной волны 532 нм (Opus 3W; Laser Quantum) с использованием жидкокристаллического кремниевого пространственного модулятора света (SLM) (X10468; Hamamatsu). Луч был расширен, чтобы заполнить дисплей SLM, который был сопряжен с задней фокальной плоскостью объектива микроскопа с большой числовой апертурой (Olympus ACH, 100x / 1.25 oil) парой конденсирующих телескопов 4 f . Разделение ловушек контролировалось пользователем с использованием предварительно рассчитанной последовательности киноформ (компьютерные голограммы только для фазы).Достаточно малое разделение ловушек привело к слиянию двух захваченных капель в одну составную каплю. Изображения в светлом поле для отслеживания захвата и слияния капель записывались с помощью камеры (Dalsa Genie HM 640, комплементарный металл-оксид-полупроводник). Обратно рассеянный рамановский свет отображался на входной щели спектрографа с фокусным расстоянием 0,5 м (Action Spectra Prop SP-2500; Princeton Instruments) и рассеивался решеткой 1200 пар линий на миллиметр на охлаждаемую камеру устройства с зарядовой связью.Результирующий рамановский спектр сферической капли состоит из широкой нижележащей стоксовой полосы с наложенной резонансной структурой на длинах волн, соизмеримых с модами шепчущей галереи, из которых радиус, RI и дисперсия могут быть определены с точностью лучше 2 нм, 0,0005 и 3 нм. × 10 −8 см соответственно (48). Упруго рассеянный назад свет, возникающий в результате коалесценции, измеряли с помощью кремниевого фотодетектора (DET 110; Thorlabs) и записывали с помощью осциллографа с низкой нагрузкой и высокой скоростью передачи данных (HDO 6034-MS; LeCroy).

Когда капли предшественника имеют достаточно низкую вязкость, слияние вызывает затухающие колебания формы капли, частота которых ( ω l ) описывается уравнением. 2 (41): ωl2 = l (l − 1) (l + 2) γa3ρ, [2]

где γ — поверхностное натяжение капли, l — порядок колебаний или характерная деформация в капле. форма (здесь l = 2), ρ — плотность капли, а a — радиус капли.Частота этих колебаний формы была установлена ​​путем применения быстрого преобразования Фурье к зависящему от времени упруго рассеянному назад световому сигналу. Измеренная частота колебаний ( ω l *) была скорректирована с учетом эффектов, связанных с вязкостью капли (49): ωl ∗ = ωl2 − τl − 2, [3]

, где τ l связана с динамической вязкостью ( η ), радиусом ( a ) и плотностью ( ρ ) капли выражением (49) τl = a2ρ (l − 1) (2l + 1) η.[4]

Для капель, проанализированных в этом исследовании, поправка была, как правило, очень маленькой (<2 мН · м -1 ). Обратите внимание, что эта поправка не учитывает потенциальные вклады от поверхностной вязкости (50, 51), но мы оцениваем такие эффекты, влияющие на восстановленное поверхностное натяжение <10%.

Были исследованы капли, содержащие одно основное растворенное вещество (глутаровая кислота, 99%; Acros или NaCl, 99,9999%; Sigma) и одно растворимое поверхностно-активное вещество (Triton X-100, степень чистоты для электрофореза; Fisher).Концентрации поверхностно-активного вещества были достаточно низкими, чтобы влияние на RI раствора было минимальным (<0,0005, измеренное рефрактометром). Следовательно, концентрация первичного растворенного вещества (глутаровая кислота или NaCl) измерялась непосредственно путем извлечения RI капли с помощью ранее описанных параметризаций для первичных растворенных веществ (23). Для расчета общей концентрации поверхностно-активного вещества в капле предполагалось, что известное соотношение первичного растворенного вещества: поверхностно-активное вещество в макроскопическом растворе сохраняется после распыления.Это предположение оправдано по следующим трем причинам. Во-первых, сбор распыленного аэрозоля (~ 15 мл распыленного из 30-мл раствора), содержащего глутаровую кислоту и Тритон X-100, имел такие же RI и поверхностное натяжение, что и исходный раствор и остаточный раствор в распылителе, что ожидается только в том случае, если соотношение глутаровая кислота: тритон Х-100 сохраняется при распылении ( SI, приложение , таблица S1). Во-вторых, если бы соотношение не сохранялось, можно было бы ожидать существенной вариабельности в восстановленных значениях поверхностного натяжения среди измерений, произведенных для растворов с одинаковым соотношением первичного растворенного вещества: поверхностно-активное вещество.Фактически, значения поверхностного натяжения капель, образовавшихся при распылении одного и того же раствора, были однородными (<± 3 мН · м -1 ) в течение нескольких недель даже при использовании разных распылителей, с явными и последовательными различиями в измеренных значениях поверхностного натяжения капель. только при изменении отношения первичного растворенного вещества: поверхностно-активное вещество. В-третьих, в предыдущей работе со смесями глутаровой кислоты и NaCl полученный RI капли и соответствующее поверхностное натяжение дали отличное согласие с предсказаниями модели и макроскопическими измерениями раствора, указывая на то, что относительное соотношение глутаровой кислоты и NaCl в растворе сохранялось после распыления (26, 52).

Небольшое расхождение (<7 мН · м -1 ) между макроскопическими измерениями поверхностного натяжения раствора и капель за пределами CMC может быть связано с присутствием пленки поверхностно-активного вещества на поверхности капли, которая, как описано выше, может уменьшить частоту колебаний капли от ее истинного значения, что приведет к восстановлению поверхностного натяжения ниже истинного значения (50). Другое возможное объяснение состоит в том, что поверхность композитных капель немного обогащена поверхностно-активным веществом по сравнению с полностью уравновешенной поверхностью.При коалесценции образуется составная капля с меньшей общей площадью поверхности, чем две исходные капли. Если диффузия поверхностно-активного вещества от поверхности композитной капли происходит медленнее, чем временной масштаб колебаний формы (от 10 до 100 мкс), композитная поверхность капли не восстановит равновесие, что приведет к более плотной упаковке молекул поверхностно-активного вещества и снижению поверхностного натяжения. В любом случае расхождение будет наиболее значительным при значениях около CMC. Величина этого несоответствия всегда значительно меньше, чем величина эффектов разделения поверхность-объем, и будет иметь тенденцию, противоположную эффектам разделения поверхность-объем.

Макроскопические измерения поверхностной тензиометрии раствора.

Поверхностное натяжение всех макроскопических растворов (которые также служили источниками распыляемых капель) измеряли с помощью пластинчатого тензиометра Вильгельми (K100; Krüss).

Параметризация поверхностного натяжения макроскопических растворов.

Хотя изотерма адсорбции Гиббса (приведена в приложении SI , рис. S3 для сравнения) количественно воспроизводит измерения поверхностного натяжения для тройных систем, они не подходят для реализации в модели разделения монослоя, поскольку изотерма адсорбции Гиббса не может быть расширена. к произвольным объемным составам, необходимым для расчетов разбиения.Поэтому модифицированная параметризация Шишковского – Ленгмюра была адаптирована к макроскопическим данным поверхностного натяжения раствора для систем глутаровая кислота – Тритон X-100 и NaCl – Тритон X-100 при 298 К ( SI Приложение , рис. S1). Тройные системы вода – глутаровая кислота – Тритон X-100 и вода – NaCl – Тритон X-100 (измерено в этой работе; SI Приложение , рис. S1), бинарная вода – глутаровая кислота (измерено нами ранее) (23) , а также бинарные системы вода – NaCl и вода – Тритон X-100 (из литературы) (53, 54) были использованы для ограничения нелинейных аппроксимаций методом наименьших квадратов.По мотивам Fainerman et al. (55) были испытаны различные функциональные формы посадок. Уравнение 5 был использован для описания данных глутаровая кислота-Тритон X-100 (SE регрессии, SER = 0,545 мН · м -1 ; SI Приложение , рис. S1 A ): γ = γwater-a1 [Тритон X-100] + a2 [глутаровая кислота] + a3 [Тритон X-100] [глутаровая кислота] [Тритон X-100] + [глутаровая кислота] × {ln (1 + b1 [глутаровая кислота]) + ln ( 1 + b2 [Triton X-100])}. [5]

Ур. 6 был использован для описания данных NaCl – Triton X-100 (SER = 1.07 мН · м −1 ; SI Приложение , рис. S1 B ): γ = γwater-a1 [Triton X-100] + a2 [NaCl] + a3 [Triton X-100] [NaCl] [Triton X-100] + [NaCl] × {b1 [NaCl] + ln (1 + b2 [Triton X-100])}. [6]

Более высокий показатель SER для NaCl – Triton X-100 возникает из-за более плохого соответствия при высоких концентрациях растворенного вещества ([NaCl]> 2 M и [Triton X-100]> 3 мМ), которые не важны для концентраций в каплях. учился здесь. Перекрестные члены a 3 [поверхностно-активное вещество] [растворитель] представляют вклады площади молекулы, зависящей от состава, на молекулу поверхностно-активного вещества из-за взаимодействий поверхностно-активное вещество-растворитель.В обоих случаях базовые параметры ( a 1 и b 2 ) для обоих подходов к данным макроскопического решения (приведены в SI Приложение , Таблица S2) согласуются с данными Zdziennicka et al. (54) для уравнения Шишковского – Ленгмюра в пределах заявленных неопределенностей для предельного случая бинарного раствора вода – Тритон X-100 (т. Е. Концентрация первичного растворенного вещества = 0 M). На пределе раствора вода-глутаровая кислота (т.е. концентрация поверхностно-активного вещества = 0 мМ) значения a 1 и b 2 согласуются с литературными значениями (56).На пределе раствора вода – NaCl функция аппроксимации предсказывает линейную зависимость поверхностного натяжения от концентрации соли с результирующим коэффициентом a 2 b 1 несколько ниже литературных значений (57). Значение поверхностного натяжения, использованное для чистой воды при 298 К, ​​составило 72,0 мН · м -1 .

Плотности жидкой фазы оценивались как плотности идеальных псевдобинарных смесей водной глутаровой кислоты / NaCl (58, 59) и Тритона X-100, соответственно, с использованием постоянного значения 1070 кг · м −3 для плотности Тритон Х-100.Плотность и поверхностное натяжение чистого переохлажденного NaCl (необходимые для уравнения 7 ) были экстраполированы из корреляций, представленных Янцем (60). Эти параметризации плотности и поверхностного натяжения послужили основой для модели поверхностного натяжения капли, описанной ниже.

Схема разделения монослоя для капель конечного размера.

Поверхностное натяжение водных капель рассчитывается на основе объемного состава капли, который определяется из общего состава путем учета распределения молекул поверхностно-активного вещества в капле от объема к поверхности.Более подробное описание модели разделения монослоя дано в Malila и Prisle (43).

Для определения поверхностной и объемной концентрации капля конечного размера концептуально делится на поверхностную и внутреннюю (объемную). Поверхность рассматривается как фаза конечных размеров с толщиной δ = (6Σ i x i поверхность v i / π) 1/3 , что соответствует одному слою молекул, а внутренний радиус составляет a δ .Распределение воды, поверхностно-активного вещества и первичных молекул растворенного вещества между поверхностной и объемной фазами рассчитывается для указанного радиуса капли a и толщины поверхности δ , предполагая сохранение массы, а также плотности жидкой фазы, соответствующие соответствующей поверхности и объему. фазовые составы { x объем } и { x поверхность }. Объемный состав связан с поверхностным натяжением следующим образом: γ ({xbulk}) = ∑ixsurfaceiviγi∑ixsurfaceivi, [7]

, где x i surface — мольные доли поверхности, v i — молекулярные объемы конденсированной фазы, а γ i — поверхностное натяжение чистого соединения, соответственно, для каждого компонента i в капле (здесь вода, глутаровая кислота или NaCl и Тритон X-100) .Единственными экспериментальными данными, используемыми для ограничения модели, являются модифицированная параметризация Шишковского – Ленгмюра макроскопических данных поверхностного натяжения раствора ( SI Приложение , рис. S1) и плотность раствора.

Поверхностное натяжение чистого, неводного Triton X-100 неизвестно и поэтому аппроксимируется γ CMC . В сочетании с формулой. 7 , это приводит к условию, что в CMC x поверхность ≈ 1 для Triton X-100. Другими словами, модель предполагает формирование полного монослоя на ККМ.Возможно, что поверхность не полностью насыщена, когда ККМ приближается в объеме, и в этом случае это предположение приводит к внезапному скачку моделируемой мольной доли поверхности x поверхность Тритона Х-100 (а также толщина поверхности δ ). Кроме того, поскольку объем и плотность поверхностной и объемной фаз нелинейно зависят от [Triton X-100] , предположение о чистом монослое может в некоторых случаях привести к численным флуктуациям в модели, близкой к CMC.Однако влияние на прогнозы модели незначительно.

Оценки числовой концентрации облачных капель (

N d ) и IRE .

Мы оцениваем эффект увеличения поверхностного натяжения капли от включения разделения поверхности и объема в прогнозы активации облачных капель. Связь между N d и SS c рассчитывается как ΔNdNd = (SSC0) k- (SSC) k (SSC) k, [8]

, где SS 0 c и SS c указывают критические пересыщения, определенные для базовой линии ([поверхностно-активное вещество] = 0 мМ, т.е.е., предполагая, что поверхностное натяжение близко к поверхностному натяжению чистой воды) и возмущенному ([поверхностно-активное вещество]> 0 мМ) случаям соответственно. Для согласованности оба оцениваются с использованием полной структуры модели разделения монослоя, описанной выше. Уравнение 8 следует из общепринятой зависимости N d cSS k , где c — количество CCN, активированных при 1% пересыщении, а k ≈ 0,5 (4, 61) .

Предыдущие подходы оценили Δ N d / N d k Δ SS c / SS c ≈ — (3 k /2) Δ c / γ c из уравнения Келера для небольших изменений в N d , признавая, что изменение микрофизики облаков из-за уменьшения γ c имеет тот же эффект, что и сохранение γ фиксированным и увеличение пересыщения СС (4).Этот простой подход дал результаты, очень похожие на расчеты полной климатической модели (5), но становится недействительным, когда присутствие косолютов и поверхностно-объемного разделения поверхностно-активного вещества (как в этой работе) вводит более высокую степень нелинейности между SS c и γ c (16, 18, 22). Таким образом, мы используем формулу. 8 , что допускает большие относительные изменения в SS c .

Изменение альбедо верхней границы облаков ( A ) при постоянном содержании жидкой воды с учетом разделения поверхности и объема затем рассчитывается на основе изменения числовой концентрации облачных капель (Δ N d ), определяемой по формуле. 8 как (61) ΔA = A (1-A) ΔNd / (3Nd). [9]

Используя общий эталонный случай изменения альбедо верхней границы облаков из-за однократного отражения от теплого морского слоя облаков (4, 61), мы вычисляем коротковолновый радиационный эффект как IREest≈ − F0fATa2ΔA, [10]

где F 0 = 340 Вт · м −2 — приходящий солнечный поток в верхних слоях атмосферы. В уравнении. 10 , f A = 0,3 — это частичное покрытие морских слоистых и слоисто-кучевых облаков с A ≈ 0.5, а T a = 0,76 — коэффициент пропускания атмосферы в видимом диапазоне длин волн (61).

Доступность данных.

Все данные, лежащие в основе цифр, предоставлены через репозиторий данных Бристольского университета, data.bris (62).

Благодарности

B.R.B. и J.P.R. выражаем благодарность за поддержку со стороны Исследовательского совета по инженерным и физическим наукам в рамках гранта EP / L010569 / 1. B.R.B. выражает признательность за поддержку со стороны Совета по исследованиям окружающей среды посредством гранта NE / P018459 / 1.J.M. и N.L.P. выражаем благодарность Европейскому исследовательскому совету в рамках исследовательской и инновационной программы Европейского союза Horizon 2020, Project SURFACE (неизведанный мир аэрозольных поверхностей и их воздействия; соглашение о гранте 717022) и Академии Финляндии (гранты 308238 и 314175).

Сноски

  • Автор: J.P.R. спланированное исследование; B.R.B., J.P.R., J.M. и N.L.P. проведенное исследование; B.R.B., J.P.R., J.M. и N.L.P. проанализированные данные; и Б.R.B., J.P.R., J.M. и N.L.P. написал газету.

  • Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

  • Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

  • Размещение данных: Все данные, лежащие в основе цифр, предоставлены через хранилище данных Бристольского университета, data.bris, по адресу https://doi.org/10.5523/bris.38lc6czmwnp3b281ba3r7l0bbz.

  • Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу https://www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073 / pnas.1915660117 / — / DCSupplemental.

  • Copyright © 2020 Автор (ы). Опубликовано PNAS.

Бактерии, связанные с поверхностно-активными веществами, в приповерхностном слое океана

  • Науман, Э. Бейтраге zur kenntnis des teichnanoplanktons. II. Über das neuston des süßwasser. Биол. Zentbl. 37, 98–106 (1917).

    Google ученый

  • Цыбан, А.В. Морской бактерионейстон. J. Oceanogr.Сот. Jpn. 27, 56–66 (1971).

    Артикул

    Google ученый

  • Brooks, I.M. et al. Физические обмены на границе раздела воздух-море полевые измерения UK-SOLAS. Бык. Амер. Метеор. Soc. 90, 629–644 (2009).

    Артикул

    Google ученый

  • Cunliffe, M. et al. Микрослои поверхности моря: единая физико-химическая и биологическая перспектива границы раздела воздух-океан.Прог. Oceanogr. 109, 104–116 (2013).

    ADS
    Статья

    Google ученый

  • Зутич В., Козович Б., Марценко Э. и Бихари Н. Производство поверхностно-активных веществ морским фитопланктоном. Mar. Chem. 10. С. 505–520 (1981).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Десаи Дж. Д. и Банат И. М. Микробиологическое производство поверхностно-активных веществ и их коммерческий потенциал.Microbiol. Мол. Ред. 61, 47–64 (1997).

    CAS

    Google ученый

  • Hassanshahian, M., Emtiazi, G. & Cappelo, S. Выделение и характеристика бактерий, разлагающих сырую нефть, из Персидского залива и Каспийского моря. Mar. Pollut. Bull 64, 7–12 (2012).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Cai Q. et al. Скрининг производителей биоповерхностно-активных веществ из источников, загрязненных нефтяными углеводородами, в холодной морской среде.Mar. Pollut. Бык. 86, 402–410 (2014).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Khopade, A. et al. Изучение продукции и стабильности биосурфактанта, выделенного из морского Nocardiopsis sp B4 . Опреснение 285, 198–204 (2012).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Янек Т., Лукашевич М. и Красовска А. Идентификация и характеристика биосурфактантов, продуцируемых арктической бактерией Pseudomonas putida BD2 .Colloids Surf. B Биоинтерфейсы 110, 379–386 (2013).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Абрахам В., Мейер Х. и Якимов М. Новый глицин, содержащий глюколипиды из алкановой бактерии Alcanavorax borkumensis . BBA-Lipid Lipid Met. 1393, 57–62 (1998).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Maneerat, S. et al. Новый эмульгатор сырой нефти, выделяемый в культуральном супернатанте морской бактерии Myroides sp.штамм SM1. Прил. Microbiol. Биот, 70, 254–259 (2006).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Perfumo, A., Banat, I. M., Canganella, F. & Marchant, R. Получение рамолипидов с помощью нового термофильного разлагающего углеводороды Pseudomonas aeruginosa AP02-1 . Прил. Microbiol. Biotechnol. 72, 132–138 (2006).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Юсеф, Н.H. et al. Сравнение методов определения продукции биоповерхностно-активного вещества различными микроорганизмами. J. Microbiol Methods 56, 339–347 (2004).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Сатпуте, С. К., Банат, И. М., Даккефалкар, П. К., Банпуркар, А. Г. и Чопаде, Б. А. Биосурфактанты, биоэмульгаторы и экзополисахариды из морских микроорганизмов. Biotechnol. Adv. 28. С. 436–450 (2010).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Agogue, H.и другие. Исследование бактерий, населяющих микрослой морской поверхности прибрежных экосистем. FEMS Microbiol. Ecol. 54, 269–280 (2005).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Хюнерфус, Х., Альперс, У., Джонс, У. Л., Ланге, П. А. и Рихтер, К. Затухание поверхностных волн океана мономолекулярной пленкой, измеренное с помощью волновых стержней и микроволновых радаров. J. Geophys. Res. 86, 429–438 (1981).

    ADS
    Статья

    Google ученый

  • Гаде, М., Hühnerfuss, H. & Korenowski, G. Marine Surface Films (Springer, Berlin, 2006).

  • Соловьев А. и др. Изменение турбулентности на границе раздела воздух-море из-за присутствия поверхностно-активных веществ и последствий для газообмена. Часть I: лабораторный эксперимент. В: Перенос газа на поверхности воды, 245–258 (Kyoto University Press, 2011).

  • Апстилл-Годдард, Р. К., Фрост, Т. и Генри, Г. Р. Бактерионейстоновский контроль метанового обмена воздух-вода, определяемый с помощью лабораторного газообменного резервуара.Global Biogeochem. Сай. 17, 1–15 (2003).

    Артикул

    Google ученый

  • Мэтт, С., Фуджимура, А., Соловьев, А., Ри, С. Модификация турбулентности на границе раздела «воздух-море» из-за присутствия поверхностно-активных веществ и последствия для газообмена. Часть II: численное моделирование. В: Перенос газа на поверхности воды, 299–312 (Kyoto University Press, 2011).

  • Чжан Б. и Перри У. Кросс-поляризованный радар с синтезированной апертурой: новый метод измерения потенциала ураганов.Бык. Амер. Метеор. Soc. 93, 531–541 (2012).

    Артикул

    Google ученый

  • Соловьев А. и Лукас Р. Приповерхностный слой океана: структура, динамика и приложения (Springer, Нидерланды, 2006).

  • Зайцев Ю. Нейстон морей и океанов. Поверхность моря и глобальные изменения [Лисс, П. С. и Дуче, Р. А. (ред.)]. 371–382 (Издательство Кембриджского университета, Великобритания, 1997).

  • Франклин, М.P. et al. Разнообразие бактерий в бактерионейстоне (микрослои морской поверхности): бактерионейстон через зеркало. Environ. Microbiol. 7. С. 723–736 (2005).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Агоге Х., Касамайор Э. О., Жу Ф., Оберностерер И. и Лебарон П. Устойчивость морского бактерионейстона к солнечной радиации. Прил. Environ. Microbiol. 71, 5282–5289 (2005).

    Артикул

    Google ученый

  • Гарретт, В.Д. и Бультман, Дж. Д. Затухание капиллярных волн нерастворимыми органическими монослоями. J. Colloid Sci. 18, 789–801 (1963).

    Артикул

    Google ученый

  • Харви, Г. В. и Бёрзелл, Л. А. Простой метод микрослоя для небольших образцов. Лимнол. Oceanog. 11. С. 156–157 (1963).

    Google ученый

  • Kjelleberg, S., Stenstrom, T. A. и Odham, G. Сравнительное исследование различных гидрофобных устройств для отбора проб жидких поверхностных пленок и прилипших микроорганизмов.Mar. Biol. 53, 21–25 (1979).

    Артикул

    Google ученый

  • Caporaso, J. G. et al. QIIME позволяет анализировать данные секвенирования сообщества с высокой пропускной способностью. Nat. Методы 7. 2010. С. 335–336.

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Cunliffe, M. et al. Филогенетический и функциональный анализ генов сообществ бактерий и архей, связанных с поверхностным микропластом эстуария.ISME J. 2, 776–789 (2008).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Юн, Дж. Х. и О, Т. К. Bacillus litoralis sp. nov., выделенный из приливной равнины Желтого моря в Корее. Int. J. Syst. Evol. Микр. 55, 1945–1948 (2005).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Bragadeeswaran, S. et al. Производство экзополисахаридов Bacillus cereus GU812900, морской бактерией-обрастателем.Afr. J. Microbiol. Res. 5. С. 4124–4132 (2011).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Островски, А., Мехерт, А., Прескотт, А., Кили, Т. Б. и Стэнли-Уолл, Н. Р. YuaB действует синергетически с экзополисахаридными и амилоидными волокнами TasA, обеспечивая образование биопленок Bacillus subtilis . J. Bacteriol. 193. С. 4821–4831 (2011).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Rajasekar, A., Анандкумар, Б., Марутамуту, С., Тинг, Ю. П. и Рахман, П. К. Характеристика агрессивных бактериальных консорциумов, изолированных из трубопроводов, транспортирующих нефтепродукты. Прил. Microbiol. Биот. 85, 1175–1188 (2010).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Gutierrez, T. et al. Роль бактериальных экзополисахаридов (EPS) в судьбе нефти, выпущенной во время разлива нефти Deepwater Horizon. PloS one, 8, e67717 (2013).

    CAS
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

  • Cappello, S.и другие. Влияние биоэмульсии экзополисахарида (EPS 2003) на динамику микробного сообщества во время анализа биологической ликвидации разливов нефти: исследование микрокосма. Mar. Pollut Bul. 64, 2820–2828 (2012).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Hamilton, B. et al. Бактерии, ассоциированные с поверхностно-активными веществами, в микрослое морской поверхности: тематические исследования в Флоридском проливе и Мексиканском заливе. Канадский журнал дистанционного зондирования 41, 135–143 (2015).

    ADS
    Статья

    Google ученый

  • de Leeuw, G. et al. Производственный флюс морского аэрозоля. Rev. Geophys. 49, RG2001 (2011).

    ADS
    Статья

    Google ученый

  • Lane, D. J. Секвенирование 16S / 23S р РНК. В: Методы нуклеиновых кислот в бактериальной систематике (Stackebrandt, E. & Goodfellow, M., Eds.) 115–147 (John Wiley and Sons, Chichester, 1991).

  • Тернер, С., Прайор, К., Мяо, В. и Палмер, Дж. Изучение глубоких филогенетических взаимоотношений между цианобактериями и пластидами с помощью анализа последовательности малых субъединиц рРНК. J. Eukaryot. Microbiol. 46, 327–338 (1999).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Ридер, Дж. И Найт, Р. Быстрое устранение шумов в считывании ампликонов пиросеквенирования путем использования распределений ранг-распространенность. Nat. Методы 7. 2010. С. 668–669.

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Edgar, R.C. Поиск и кластеризация на порядки быстрее, чем BLAST. Биоинформатика 26, 2460–2461 (2010).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Caporaso J. G. et al. PyNAST: гибкий инструмент для выравнивания последовательностей по шаблону. Биоинформатика 26, 266–267 (2010).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • ДеСантис, Т.Z. et al. Greengenes, проверенная химерами база данных генов 16S рРНК и рабочая среда, совместимая с ARB. Прил. Environ. Microbiol. 72, 5069–5072 (2006).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central

    Google ученый

  • Haas, B.J. et al. Образование и обнаружение последовательности химерной 16S рРНК в ПЦР-ампликонах с секвенированием по Сэнгеру и 454-пиросеквенированием. Genome Res. 21. С. 494–504 (2011).

    CAS
    Статья

    Google ученый

  • Ван, К.

  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.