pH变化对头发与溶质结合、分配和扩散特性的影响及其模型

发布时间：2020-04-02 07:58

【摘要】：溶质在头发中的渗透吸收与多个生产和生活领域的应用密切相关,例如:发用产品的配方设计、水体的污染防治和环境暴露的风险评估等。介质环境的pH是影响溶质在头发中渗透吸收的关键因素,其改变会同时引起溶质和头发理化特性的变化,从而显著影响头发对溶质的吸收速度和吸收量。利用数学模型方法,从理论上构建头发渗透特性与头发、溶质和介质特性的量化关系,从而解析头发渗透动力学机制及pH影响机理,具有重要的科学意义和实际应用价值。本论文在综合考虑头发、溶质和溶液理化特性对头发渗透吸收特性影响的基础上,以多种中性、阳离子和阴离子溶质为研究对象,深入探讨了 pH变化对头发溶质结合、分配和扩散特性的影响机理,研究构建了头发分配系数和有效扩散系数的定量构效关系(QSPR)模型,并基于Fick扩散定律构建了头发溶质渗透模型。论文研究试验、理论与模型相结合,研究结果为进一步揭示头发溶质渗透动力学机制,指导发用品配方设计、优化污水处理工艺和环境暴露评估方案提供了方法学和基础理论支撑。论文取得的主要创新性成果及研究结论如下:(1)采用荧光猝灭法、超滤法和微量热泳动(MST)法研究了 pH变化对头发角蛋白与阳离子溶质(茶碱、去甲替林和阿米替林)结合特性的影响。单结合位点模型可用于描述头发角蛋白与这三种溶质在比例为1:1状况下的结合作用,热力学参数表明头发角蛋白与阳离子溶质的结合是由疏水作用和静电作用共同驱动的,其中疏水作用为主要作用力,静电作用可以解释为结合过程的pH效应;角蛋白与茶碱之间的结合作用可通过Langmuir吸附曲线进行描述,二者之间的结合为单层结合;三种方法的试验结果具有较好的一致性,考虑到荧光猝灭法具备灵敏度高、应用范围广、操作简便、易获得热力学参数等特点,优选其作为检测头发角蛋白结合特性的研究方法。(2)溶质在头发/水中的分配特性不仅与溶质的疏水性相关,而且与头发和溶质之间的静电作用密切相关。改变溶液的pH不会影响中性溶质的分配系数,但会显著影响带电溶质的分配系数。基于pH的影响机理,构建了新的溶质在头发/水中分配系数的QSPR模型(R2=0.91,RMSE= 0.23,N= 99),该模型同时考虑了疏水作用和静电作用的影响。(3)溶质在头发中的扩散行为不仅取决于溶质分子的尺寸,还受头发与溶质之间静电作用的影响。改变溶液的pH不会影响中性溶质在头发中的扩散,但会显著影响带电溶质的扩散。带电溶质在头发中的扩散速率会由于静电吸引作用而显著提高,由于静电排斥作用而显著降低。基于pH的影响机理,根据Nernst-Planck机理模型,构建了新的溶质在头发中有效扩散系数的QSPR模型(R2=0.92,RMSE = 0.24,N=58),该模型同时考虑了溶质分子尺寸和静电作用的影响。(4)结合头发分配系数和有效扩散系数QSPR模型,根据Fick扩散定律和质量守恒定律,构建了头发渗透模型。利用MATLAB对模型进行了数值求解,并开发了溶质在头发中渗透过程的数值模拟软件MHPC,该软件通过人机界面对话的方式输入头发、溶质和溶液理化特性参数,实现了对溶质在头发中分配系数、有效扩散系数、浓度分布和吸收量动态变化的数值模拟。
【图文】：

该模型根据头发组成成分的相变转换温度的不同，将头发分成两相，分别称为高温相变区和逡逑低温相变区，两相的相变转换温度分别７０°Ｃ和０°Ｃ。高温相变区主要由富含高硫蛋白的粗纤维逡逑和外表皮层组成；低温相变区主要由粗纤维之间的ＣＭＣ和内表皮组成，如图１－３所示。对于任逡逑一相变区而言，当温度高于该相变区的相变转换温度时，该相变区呈柔软并具有可塑性的胶态；逡逑当温度低于该相变区的相变转换温度时，该相变区呈坚硬并富有弹性的固态。高温相变温度和低逡逑温相变温度分别由温度引起的Ｓ－Ｓ键、氢键和离子键断裂造成。逡逑相变转换温度与头发含水量和溶液ｐＨ有关（Ｎａｇａｓｅ等，２０００）。头发含水量越低，溶液ｐＨ逡逑越低，，相变转换温度越高。头发含水量和溶液ｐＨ通过影响相变转换温度，进而影响溶质在头发逡逑中的渗透吸收特性。逡逑逦邋细纤维逦逦逡逑高温相变区逦低溢g彵淝�逡逑麟维料灥间的物质逡逑＾邋＾逦ＣＭＣ逡逑外表皮层内表皮层逡逑头发逡逑图１－３两相两态模型结构示意图（Ｎａｇａｓｅ等，２０００）逡逑为了计算溶质在头发中的平均扩散系数（Ｄ），该模型在不考虑毛小皮层作用的情况下，假设逡逑高温相变区离散地分布在由低温相变区组成的连续相中，头发横截面的结构示意图如图１－４所示，逡逑用下式计算溶质在头发中的平均扩散系数（Ｓａｋａｉ�

本文编号：2611679