非离子表面活性剂Triton X-100胶束对多环芳烃增溶作用的分子动力学机制研究

本研究针对非离子表面活性剂Triton X-100（TX-100）胶束对多环芳烃（PAHs）污染物的增溶机制不明确的问题，采用全原子分子动力学（MD）模拟方法，系统研究了萘（NAP）、芘（PYR）和菲（PHE）在TX-100胶束中的动态分布规律。研究发现PAHs主要分布于胶束壳层区域（>85%时间），优先与TX-100疏水尾部（C18–C22）相互作用，且不同浓度PAHs对胶束结构、尺寸和内部动力学均无显著影响。该研究从分子层面揭示了TX-100对PAHs的增溶特性，为表面活性剂强化修复技术的优化提供了理论依据。

　　

随着全球经济的快速发展，化石燃料的大量使用导致土壤和水体环境中多环芳烃（PAHs）污染日益严重。这类具有强疏水性和低溶解性的持久性有机污染物极易吸附在土壤颗粒上，传统修复方法难以有效去除。非离子表面活性剂Triton X-100（TX-100）因其优异的增溶能力被广泛应用于PAHs污染场地的修复，但其分子水平的增溶机制尚不明确。特别是PAHs在TX-100胶束中的动态分布规律、空间定位及其对胶束结构的影响缺乏系统研究，这限制了TX-100在环境修复中的高效应用。

为了深入解析TX-100对PAHs的增溶机制，Lai Wei等研究人员在《Journal of Hazardous Materials Advances》上发表了最新研究成果。该研究采用全原子分子动力学（MD）模拟方法，构建了由100个TX-100单体组成的胶束模型，并系统研究了三种典型PAHs（萘NAP、芘PYR和菲PHE）在不同浓度条件下的增溶行为。通过分析径向密度分布、接触概率、构象变化和胶束动态参数，揭示了PAHs在胶束内的分布偏好和运动规律。

研究采用的主要技术方法包括：1）基于CHARMM力场的全原子分子动力学模拟；2）TX-100胶束的自组装构建与平衡模拟；3）径向密度分布（RDP）分析用于确定PAHs在胶束中的空间位置；4）接触概率计算揭示PAHs与TX-100特定碳原子的相互作用；5）构象分析通过二面角分布评估TX-100单体的结构稳定性；6）惯性矩计算表征胶束形状变化。所有模拟均使用GROMACS 5.0.4软件完成，模拟体系包含约35,000个水分子，模拟时间达到150-200纳秒。

3.1. Distribution of PAHs within TX-100 micelle

通过径向密度分布分析发现，PAHs分子可同时分布于胶束壳层和核心区域，但主要集中于壳层区域（占总时间的85%-97%）。三种PAHs均显示出与TX-100尾部碳原子（C18-C22）的高接触概率，表明疏水相互作用是驱动增溶的主要机制。随着PAHs浓度增加，其在胶束内的分布范围扩大，但始终优先定位于TX-100尾部区域。

3.2. Dynamic movement of PAHs within the TX-100 micelle contributes to their similar solubilization patterns

轨迹分析显示PAHs在胶束内具有显著的动态运动特性，能够自由穿梭于胶束核心与壳层之间。这种运动特性使得不同结构的PAHs（NAP、PYR和PHE）在TX-100胶束中表现出相似的增溶模式，与在SDS胶束中的行为形成鲜明对比。这种差异主要源于TX-100胶束更大的体积和更宽松的内部结构。

3.3. Effects of solubilized PAHs on micelle properties

3.3.1. Conformation of TX-100 EO chain and tail

二面角分析表明，PAHs的增溶对TX-100单体的构象影响极小。EO链中的CCOC和COCC二面角保持约85%的反式（trans）构象，OCCO二面角保持约88%的 gauche构象，尾部CCCC二面角则同时存在trans和gauche构象，显示出结构灵活性。

3.3.2. Micelle internal dynamics

位移振幅（ADs）计算显示，TX-100的EO链比尾部更具柔性，且PAHs的增溶并未显著改变各碳原子的运动特性。这表明PAHs的嵌入不会破坏胶束的内部动力学平衡。

3.3.3. Micelle size and shape

通过回转半径（R_g）和惯性矩分析发现，纯TX-100胶束的平均半径约为3.23 nm，呈略微椭球形（不对称参数α为0.12-0.16）。不同PAHs浓度下，胶束尺寸和形状均保持稳定，进一步证实了PAHs增溶对胶束整体结构的"软性"影响。

研究结论表明，TX-100胶束通过其独特的结构特性为PAHs提供了理想的增容环境。PAHs分子主要分布于胶束壳层区域，通过与TX-100尾部碳原子的疏水相互作用实现稳定增溶。这种增溶过程不会显著改变TX-100单体的构象、胶束的内部动力学或整体结构，体现了"软进入"机制的特征。该研究首次从分子层面系统阐明了非离子表面活性剂对PAHs的增溶机制，为优化表面活性剂强化修复技术提供了重要理论支撑。未来研究可通过时间分辨实验技术进一步验证PAHs在胶束内的动态迁移过程，推动该技术在复杂污染场地修复中的精准应用。