引言
咖啡因（CAF）是全球消费最广泛的精神活性物质之一，常见于饮料、食品和药品中。咖啡因其高CAF含量和全球普及性仍是其主要来源。尽管人类摄入CAF已有数个世纪，但其对生理、心理和新陈代谢的全面影响尚未完全明了。在推荐限度内通常是安全的，但过量摄入或突然戒断可能导致焦虑、失眠、高血压和心律失常等不良反应。化学上，CAF（C8H10N4O2）属于黄嘌呤类化合物，主要作为中枢神经系统（CNS）兴奋剂。CAF分子中氮原子上连接的甲基（−CH3）基团有助于其强效刺激作用。FDA和EFSA等监管机构已就高剂量摄入相关的健康风险发出警告。
氢氧化四甲铵（TMAH）是一种季铵化合物，广泛用于聚合物的合成和化学改性、溶剂萃取、分析化学中的强碱以及半导体和光电工业中的显影剂和蚀刻剂。暴露于人体后，它会解离成氢氧根离子（OH–）和四甲铵离子（TMA+）。TMAH具有腐蚀性和系统性风险，因为OH–离子会破坏组织屏障，促进TMA+离子进入体内。目前尚无TMAH中毒的解毒剂，突显了预防措施的重要性。
四烷基铵盐的水溶液因其异常性质而备受关注。其物理化学性质与大多数简单电解质有很大不同。本研究旨在探讨CAF对TMAH溶液的物理化学、热力学和结构性质的影响。获得的见解可能有助于理解CAF和TMAH对人类生理系统的联合效应。CAF–TMAH相互作用模型的生物物理相关性可能模拟甲基化铵物种和生物碱共存的生化或生理环境方面。虽然CAF刺激CNS，但TMA+主要靶向副交感神经系统。它们的同时存在可能导致尚未完全探索的复杂相互作用。
通过对TMAH和CAF水溶液进行物理化学和热力学研究，特别是通过密度法、粘度法和声学测量，可以分析这两种物质之间的分子相互作用。关注CAF存在下TMAH的密度性质，并在分子水平上探索和分析三元溶液[TMAH + CAF + 水]中发生的溶剂化行为和相互作用对于各种应用至关重要。
研究方法和公式
本研究使用的化学品为分析纯。TMAH以五水合物形式提供。考虑到化合物的吸湿性以及在储存和干燥过程中可能部分失去结晶水，在溶液制备前验证了有效组成。发现干燥器仅去除表面/吸收的水分，而不是结合的（结晶）水。TMAH五水合物中的五个水分子是其晶体结构的一部分，在干燥器中放置48小时不会丢失。粉末状TMAH和CAF在实验前在无水氯化钙（CaCl2）上于干燥器中放置48小时以限制水分吸收。研究了温度和CAF存在对TMAH溶液物理化学性质的影响，使用从知名制造商处采购的高质量化学品确保了实验结果的可靠性和一致性。
通过将（9.71, 14.57, 和19.41）g CAF溶解在1 kg蒸馏水（水在293.15 K时的密度 = 997.12 kg m–3）中，制备了0.05、0.075和0.1 mol kg–1的CAF水溶液。水和这些CAF溶液用作溶剂来制备不同浓度（0.01, 0.03, 0.05, 0.07, 0.09, 0.11, 0.13, 和0.15 mol kg–1）的TMAH溶液。在所有质量摩尔浓度计算中，TMAH相关的结晶水被计入溶剂质量。使用Millipore Milli-Q水纯化系统获得电导率<1 × 10–6S cm–1的双蒸和去离子水来制备所有溶液。溶液制备在环境实验室温度和压力（T = 298.15 K 和 P = 101 kPa）下进行。使用岛津分析天平（精度0.001 g）称量计算量的溶质。新制备的溶液在冰箱中密封保存在容量瓶中，最多2天，以避免吸湿和大气降解。CAF和TMAH溶液的浓度表示不确定度为1 × 10–3mol kg–1。
密度测量使用来自奥地利的数字密度分析仪（Anton Paar DMA5000 M）进行。在使用实验溶液之前，用干燥空气和去离子蒸馏水在大气压下校准密度计。每次测量前依次用蒸馏水和无水乙醇（C2H5OH）冲洗振荡器。制造商规格声称该仪器可在283.15至323.15 K的温度范围内以0.1 kg m–3的精度测量未知液体的密度。虽然制造商指定的仪器不确定度较小，但密度的总体标准不确定度估计为u(ρ) = 0.5 kg·m–3，考虑了校准不确定度、温度稳定性、溶液制备和观察到的实验分散性。所有溶液的密度测量均相对于纯水进行。实验温度下纯水的密度从文献中获得。温度的不确定度为0.01 K，压力（p = 101 kPa）的不确定度为1.0 kPa。
衍生特性的不确定度按照GUM指南通过关系式计算。表观摩尔体积（Vφ）是向溶液中加入1摩尔溶质引起的体积变化，通过考虑溶剂和溶液的密度（ρ0和ρ，单位kg m–3）、溶液的质量摩尔浓度（m，单位mol kg–1）和溶质的分子量（M，单位kg mol–1）来计算。Vφ的不确定度（∂Vφ）通过结合密度（∂ρ）和质量摩尔浓度（∂m）的不确定度计算。极限表观摩尔体积或偏摩尔体积表示为Vφ0，表示无限稀释时的表观摩尔体积。它可以通过著名的Masson方程从直线的截距和斜率得出两个重要参数Vφ0和Sv。Sv称为体积成对相互作用系数。
Vφ0作为热力学参数受温度影响。Vφ0与T之间的多项式关系可以绘制出来，其中a、b和c是经验常数，利用这些常数可以理论上计算Vφ0。极限摩尔膨胀率（Eφ0）是水合球在无限稀释时膨胀的能力。它是Vφ0随温度的变化率，可以通过方程的一阶导数推导出来。Eφ0本质上受两个关键组成部分影响：Eφ(elect)0描述了溶质周围电缩引起的膨胀性，Eφ(str)0是溶剂中结构扰动引起的膨胀性。在较低温度下，Eφ(str)0起关键作用，在较高温度下，Eφ(elect)0的影响更为显著。
Vφ0的二阶导数产生一个与温度无关的项，以劳伦斯·赫普勒的名字命名。赫普勒常数的大小表示溶质的结构形成或结构破坏性质。随着氢键的加强，体积膨胀，赫普勒常数为正。相反，氢键的断裂减少了溶液体积；因此，赫普勒常数为负。等压热膨胀系数（αP）是在恒定压力下每度温度变化时溶液体积的相对变化。与Vφ0相比，它被认为是溶质和溶剂之间关联的更有效标志。
偏摩尔体积转移（ΔtrVφ0）是指溶质从纯水转移到二元水溶液（本例中为CAF水溶液）时产生的极限表观摩尔体积的差异。溶液中共溶质（即CAF）的存在为溶质的不同带电、极性和非极性区域提供了离子-离子、离子-亲水/疏水和亲水-疏水相互作用。在此过程中，水的结构和溶剂化动力学发生变化。从转移参数的大小可以提取关于溶质-溶剂和溶质-溶质相互作用的类型和程度的有价值信息。根据Gurney、Frank和Evans提出的共球重叠模型，当两个离子物种具有重叠的水合层时， resulting volume increases。相反，当两个非离子物种具有重叠的水合层时， resulting volume decreases。ΔtrVφ0值通过方程计算。
ΔtrVφ0导致离子对（VAB）和三重态（VABB）体积相互作用系数的估计。正的VAB值表明TMAH和CAF的离子有利地结合形成离子对。VABB值表示三体相互作用，在较高浓度下变得显著。
傅里叶变换红外（FTIR）光谱用于分析特定浓度下的水TMAH、水CAF以及水TMAH在CAF存在下的情况。使用配备AgCl窗口的PerkinElmer FTIR光谱仪进行测量，操作分辨率为1 cm–1，每个样品扫描60次。光谱在环境温度下在4000–400 cm–1范围内收集。
结果与讨论
体积分析
密度的文献数据很少，其中浓度范围远高于TMAH的实验浓度范围。然而，文献中报道的一个浓度接近实验浓度之一，即0.15 mol kg–1。将0.15 mol kg–1TMAH水溶液在不同温度下实验获得的密度数据与现有文献值进行比较，发现偏差在组合实验不确定度范围内。水CAF的密度已被许多研究人员测量和报道。将实验获得的CAF水溶液密度值与报道值对齐。
平均绝对偏差（AAD）是用于量化实验值和报告值之间平均偏差大小的统计量度。使用以下方程分析较低温度下超声速度的平均绝对偏差。CAF水溶液的实验值发现与文献值偏差0.02–0.05%，TMAH水溶液偏差0.16–0.18%。原因可能在于实验条件、所用设备以及化学品纯度的差异。
TMAH在水以及0.05、0.075和0.1 mol kg–1CAF水溶液中的密度作为TMAH浓度和温度的函数编入索引。观察到，添加溶质后，颗粒更接近的 proximity 促进了缔合相互作用，这影响了它们之间的迁移率或堆积，并导致密度增加。此外，CAF在TMAH水溶液中的存在增强了离子-离子和离子-溶剂相互作用，这导致溶液的结构组织更加紧凑，引起密度总体增加。另一方面，在升高温度下，颗粒较高的动能使它们彼此远离，导致体积膨胀和密度降低。因此，溶质浓度、温度和CAF存在的组合调节了本研究中观察到的密度变化。
表观摩尔体积
像TMAH这样具有疏水和亲水部分的两亲分子在溶液中的行为是复杂的，因为这些相反力的相互作用。温度、浓度和其他两亲分子（如咖啡因，也具有疏水和亲水区域）的存在等因素可以改变平衡并影响整体溶液行为。疏水相互作用源于水分子排斥非极性（疏水）分子的趋势，导致聚集或自组装。亲水相互作用涉及极性分子和水之间的氢键和其他吸引力。
本研究中的结构相互作用模型和基团加和模型为解释复杂水体系中的分子相互作用提供了理论框架，其中直接观察具有挑战性。结构相互作用模型对于基于官能团的空间排列和电子特性预测非共价相互作用（如氢键、离子-偶极和疏水相互作用）特别相关。基团加和模型通过允许我们估计单个分子片段（如甲基和氢氧根离子）对整体溶液行为的体积贡献来补充这一点。这在解释体积数据时特别有用，其中添加溶质后溶液体积的变化反映了水氢键网络的破坏或增强。因此，这些模型为预测和解释TMAH-CAF-水体系中观察到的光谱和体积趋势提供了合理基础。
通过遵循结构相互作用模型和基团加和模型并考虑TMAH和CAF结构中的特定区域，预测TMAH和CAF彼此之间以及与水的相互作用如下：i. 在CAF中，嘧啶和咪唑环中杂原子的存在赋予其电偶极矩，CAF通过氢键与水相互作用。ii. 另一方面，TMAH在水中容易电离成TMA+和OH–。羟基（OH）是氢键受体，甲基参与氢键，特别是与水分子。iii. 离子-亲水相互作用发生在TMA+和CAF的极性片段之间。iv. 离子-疏水相互作用发生在TMA+和CAF的非极性脂肪族甲基之间。v. 疏水-疏水相互作用发生在TMAH和CAF的甲基之间。
水的三维网络结构为了容纳溶液中的溶质颗粒而发生了一些修改。在水合过程中，溶质颗粒被水分子包围，形成同心层的水合壳。在 trapped inside the shells 的溶质离子的影响下，水网络中的氢键发生加强或减弱。由于长程氢键创建了开放的笼状结构，体积增强 resulting。另一方面，如果氢键结构被破坏，单体水分子彼此靠近，导致体积收缩。在任何一种情况下，向其中添加溶质都会改变溶液的体积。表观摩尔体积（Vφ）是向溶液中加入1摩尔溶质引起的体积变化，受溶质和溶剂的性质、它们的浓度以及它们之间的特定相互作用的影响。Vφ通过方程计算，值如表所示。Vφ的不确定度估计在低质量摩尔浓度范围内约为0.2 × 10–6m3mol–1。Masson方程的图形表示如图所示，其中Vφ随溶质质量摩尔浓度平方根的变化在（293.15–313.15）K的温度范围内查看。由于Vφ是离子-溶剂相互作用的体现，其强度预计随TMAH和CAF的浓度以及实验温度而增加，图中观察到线的上升趋势。当CAF浓度从0.05 mol kg–1上升到0.1 mol kg–1时，注意到Vφ值显著增加，而在0.075 mol kg–1CAF中Vφ值仅有轻微变化。
TMA+离子是大离子半径的一价阳离子。它们在水中有疏水水合作用，并在高离子浓度下发生疏水相互作用。因此，在表中观察到TMAH水溶液的Vφ值相对较低，然而，注意到在溶液中有CAF存在时，Vφ值显著增加。CAF具有嘧啶和咪唑环，赋予偶极矩并促进与水的氢键。因此，CAF参与离子-亲水相互作用导致表观摩尔体积升高。
极限表观摩尔体积
偏摩尔体积或极限表观摩尔体积表示为Vφ0，表示无限稀释时的表观摩尔体积。极限表观摩尔体积可以通过著名的Masson方程数学表达。直线的截距和斜率产生两个重要参数Vφ0和Sv。通过该方法计算的Vφ0和Sv值与其标准偏差一起呈现。
在这种接近零浓度的条件下，被大量水屏蔽的孤立离子提供可忽略的离子间吸引力。TMA+和水之间的离子-亲水相互作用被认为是溶液体积的唯一贡献者。在CAF存在下，随着离子-亲水相互作用逐渐增强，Vφ0随着浓度和温度继续增加。
Vφ相对于质量摩尔浓度平方根图的正斜率（Sv）归因于TMAH和CAF的离子片段之间显著的体积成对相互作用。预计TMAH和CAF的离子、极性和非极性片段之间会发生离子-亲水、离子-疏水、亲水-亲水和疏水-疏水相互作用。亲水共球重叠导致体积增加，而疏水共球重叠产生负面影响。Sv随温度的增加及其随CAF浓度的减少表明亲水和疏水贡献之间的平衡。
水溶液的表观摩尔体积也可以用四个主要贡献因素来表示：VIn是溶质的固有性质，VCoul是溶质和溶剂之间的库仑相互作用（产生负面影响），VStr是通过空腔形成（负面影响）和水的类冰结构（正面影响）的水结构变化的贡献，VHB是TMAH和CAF溶液之间氢键的贡献。因此，在TMAH溶液中添加CAF，电缩效应减小，水的间隙空腔被占据，并通过氢键发生积极的结构变化。结果，随着三元溶液中CAF浓度的增加，观察到Vφ0总体增加。
摩尔体积像其他热力学因素一样是温度依赖性参数。Vφ0和温度（T）之间的多项式关系在方程中表示。经验常数a、b和c通过使用Origin Pro 9.1数据分析和图形软件从该关系中评估。
极限表观摩尔体积的温度依赖性
Vφ0的温度依赖性拟合到多项式关系。经验常数a、b和c是非常有用的量，通过将它们的值代入方程可以理论上计算Vφ0。a、b和c的值与其标准偏差一起包含在表中。理论上计算的Vφ0值与实验程序获得的值进行匹配，并使用方程确定这两组值的平均相对偏差（σ）。由于表中呈现的σ值非常小，可以推断Vφ0在线性和多项式设置中均拟合良好。Vφ0相对于T在线性拟合中绘制。
极限摩尔膨胀率
极限摩尔膨胀率表示为Eφ0，是一种热力学性质，本质上量化了溶液体积随温度变化每个组分的程度。它有助于理解溶剂的溶剂化行为以及溶剂结构的后续变化。此外，它是一个处理溶质大小及其疏水性的参数。方程对温度在恒定压力下的导数产生Eφ0。电解质的Eφ0本质上受两个关键组成部分影响。Eφ(elect)0描述了溶质周围电缩引起的膨胀性，Eφ(str)0是溶剂中结构扰动引起的膨胀性。在较低温度下，Eφ(str)0起关键作用，在较高温度下，Eφ(elect)0的影响更为显著。
从表中索引的Eφ0值可以看出，该值为正且随温度增加。在较高温度下，溶质和溶剂分子之间的静电力变得限制较少，允许溶液体积增强膨胀。此外，氢键被破坏，水结构随着温度升高经历一些松弛或重排。此外，从表中可以明显看出Eφ0随CAF浓度变化。CAF像TMAH一样是两亲分子，也能够与水形成氢键。由于这种竞争性溶剂化，它从TMA+的水合壳中提取一些水分子。水分子在TMA+的静电场外更自由地膨胀。膨胀性从0.05 mol kg–1增加到0.075 mol kg–1CAF，随后在0.1 mol kg–1CAF中值下降。这种变化可能是由于较高的CAF含量，溶质-共溶质和溶质-溶剂之间的缔合相互作用变得更强大，并限制了溶液的膨胀。
赫普勒常数
水的氢键三维网络结构与其单体单元之间存在动态平衡。水的长程网络结构提供了占据较大体积的笼状开放结构。然而，如果氢键结构被破坏，单体水分子进入网络的间隙空隙，并发生体积减少。溶质离子根据其加强或减弱水氢键结构的能力分为kosmotropes（水结构形成者）和chaotropes（水结构破坏者）。结构形成或结构破坏特性是溶质的独特性质，在不同的溶液环境中可能不同，如溶质的性质、浓度和溶剂的组成，以及溶液组分之间的相互作用。赫普勒常数是一个与温度无关的因子，可以通过方程的导数计算。这个常数项的大小表示溶质的结构形成或结构破坏性质。随着氢键的加强， resulting volume expansion，赫普勒常数为正。相反，氢键的断裂减少了溶液体积；因此，赫普勒常数为负。在表中观察到赫普勒常数值均为正，可以得出结论，TMAH在CAF存在下在溶液中充当结构形成者。
等压热膨胀系数
等压热膨胀系数（αP）是在恒定压力下每度温度变化时溶液体积的相对变化，通过方程确定。与Vφ0相比，它被认为是溶质和溶剂之间关联的更有效标志。表中观察到的总体趋势表明（αP）值随温度升高而增加。先前讨论过，在升高温度下，溶质和溶剂之间的缔合力变得不那么强大，导致溶液体积膨胀。TMAH水溶液中的（αP）高于CAF水溶液中TMAH的膨胀系数。在TMAH水溶液中，无限稀释时没有溶质-共溶质相互作用，允许介质比在三元溶液中更自由地膨胀，在三元溶液中，TMAH和CAF的带电和极性位点之间的离子-离子和离子-亲水相互作用限制了膨胀。（αP）随CAF浓度的这种变化模式类似于Eφ0。这是TMAH和CAF彼此之间强大的离子-亲水相互作用以及随之而来的水结构增强的表现。
偏摩尔体积转移
偏摩尔体积转移（ΔtrVφ0），简称为转移体积，是指由于溶质从纯水转移到二元水溶液（本例中为CAF水溶液）而产生的极限表观摩尔体积的差异。溶液中共溶质（即CAF）的存在为溶质的不同带电、极性和非极性区域提供了离子-离子、离子-亲水/疏水和亲水-疏水相互作用。在此过程中，水的结构和溶剂化动力学发生变化。从转移参数的大小可以提取关于溶质-溶剂和溶质-溶质相互作用的类型和程度的有价值信息。
根据Gurney、Frank和Evans提出的共球重叠模型，当两个离子物种具有重叠的水合层时， resulting volume increases。相反，当两个非离子物种具有重叠的水合层时， resulting volume decreases。这种行为差异是由于这些物种与水分子相互作用的方式不同。
通过方程计算的ΔtrVφ0值编入索引在表中，发现在所有CAF水溶液浓度下均为正。如研究所示，向电解质溶液中添加具有极性端基的共溶质，由于电缩减弱和水结构增强，对转移体积有正面贡献，因为离子-
