表面活性剂的原理及应用

表面活性剂的原理及应用

表面活性剂在体外诊断领域有广泛的应用。如在血细胞分析领域,表面活性剂常作为溶血剂的重要组分,实现不同类型血细胞的计数和分类检测;在免疫检测领域,常作为润湿剂和洗涤剂使用。本文对表面活性剂的基础知识进行了概述和总结,对于体外诊断试剂的开发有着重要的指导意义。

表面活性剂的原理及应用插图

表面活性剂的概念和特性

表面活性剂是指能够使溶液表面张力显著降低的物质。表面活性剂分子结构具有两亲性,一端由非极性烃链(亲油基)组成,烃链长度一般在8个碳原子以上,另一端由一个以上极性基团(亲水基)组成。极性基团可以是解离的离子,也可以是不解离的亲水基团,如羧酸、磺酸、硫酸、磷酸、氨基或胺基及这些基团的盐,或者羟基、酰胺基、醚键、羧酸酯基等。

表面活性剂结构示意图

表面活性剂具有吸附性,在溶液中呈现正吸附,当水中表面活性剂的浓度很低时,表面活性剂分子在水-空气界面产生定向排列,亲水基团朝向水而亲油基团朝向空气,从而在溶液表面聚集形成单分子层,溶液表面层表面活性剂浓度远高于溶液中的浓度。正吸附改变了溶液表面的性质,最外层呈碳氢链性质,降低了溶液的表面张力,从而产生较好的润湿性、乳化性、起泡性等。

表面活性剂的原理及应用插图1

表面活性剂在水中的定向排列

表面活性溶液与固体接触时,也能在其表面发生吸附,使固体表面性质改变。非极性固体表面呈单层吸附,亲油基吸附在固体表面而亲水基朝向空气,并且吸附量并不随表面活性剂浓度的增加而增加,甚至有减少的趋势。极性固体表面既能单层吸附也能发生多层吸附。在低浓度下,表面活性剂分子在极性固体表面的吸附曲线为S形,形成单分子层。当浓度达到临界胶束浓度时,吸附达到饱和而呈现双层吸附,表面活性剂分子的排列方向与第一层相反,亲水基团朝向空气,吸附量随着溶液温度的升高而减少。

表面活性剂的分类

根据分子结构和极性基团的解离性质,表面活性剂分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂和非离子表面活性剂。

不同类型的表面活性剂结构

阴离子表面活性剂起表面活性作用的部分是阴离子,包括高级脂肪酸盐系肥皂类(硬脂酸、油酸、月桂酸等)、硫酸化物类(硫酸化蓖麻油、十二烷基硫酸钠等)、磺酸化物类(二辛基琥珀酸磺酸钠、十二烷基苯环磺酸钠、肝胆酸钠等)。

阳离子表面活性剂起表面活性作用的是阳离子,其分子结构主要部分是一个五价的氮原子,因此也称为季铵化合物,如十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵等。

两性离子表面活性剂的结构中同时具有正、负电荷基团,在不同的pH介质中可表现出阴离子或阳离子表面活性剂的性质,包括卵磷脂、氨基酸型和甜菜碱型两性表面活性剂。

非离子表面活性剂在水中不解离,分子中构成亲水基团的是甘油、聚乙二醇和山梨醇等多元醇,构成亲油基团的是长链脂肪酸或脂肪醇、烷基、芳基等,亲水基和亲油基通过酯键或醚键结合。其种类主要包括烷基葡糖苷(椰油基葡糖苷、月桂基葡糖苷等)、脂肪酸甘油酯(单硬脂酸甘油酯等)、多元醇(蔗糖脂肪酸酯、失水山梨醇脂肪酸酯、聚山梨酯等)、聚氧乙烯型(Myrij、Brij、Perogol O、Emolphor等)、聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物(Poloxamer)。

表面活性剂的理化性质

(1)临界胶束浓度

当表面活性剂的正吸附达到饱和后继续加入表面活性剂,其分子则转入溶液中,因亲油基团的存在,水分子与表面活性剂分子间的排斥力远大于吸引力,导致表面活性剂分子自身依赖范德华力相互聚集,形成亲油基团向内、亲水基团向外在水中稳定分散的胶束。在一定温度和浓度范围内,表面活性剂胶束有一定的分子缔合数,不同表面活性剂胶束的分子缔合数不同。表面活性剂分子缔合形成胶束的最低浓度即临界胶束浓度(CMC)。在CMC时,溶液的表面张力基本达到最低值。不同表面活性剂的CMC不同,具有相同亲水基的同系列表面活性剂,亲油基越大则CMC越小。在CMC达到后的一定范围内,单位体积内胶束数量和表面活性剂的总浓度几乎成正比。当溶液中表面活性剂的浓度达到临界胶束浓度时,除溶液的表面张力外,摩尔电导、粘度、渗透压、密度、光散射等多种物理性质均会发生急剧变化。

胶束的形成

不同形状的胶束

(2)亲水亲油平衡值

通常根据亲水亲油平衡值来对表面活性剂进行选择,表面活性剂分子中亲水和亲油基团对油或水的综合亲和力称为亲水亲油平衡值(HLB)。HLB值是一个相对值,规定完全无亲水性石蜡的HLB值为0,根据经验,表面活性剂的HLB值范围在0~40,其中非离子表面活性剂的HLB值范围为0~20。亲水性表面活性剂有较高的HLB值(HLB>9),亲油性表面活性剂有较低的HLB值(HLB<9)。

表面活性的HLB值与其应用有着密切的关系。HLB值在3~6的表面活性剂适合用作W/O型乳化剂,HLB值在8~18的表面活性剂适合用作O/W型乳化剂,HLB值在13~18的表面活性剂适合作为增溶剂、分散剂,HLB值在7~9的表面活性剂适合作为润湿剂、渗透剂。

不同HLB值表面活性剂的作用

常见表面活性剂的HLB值

表面活性剂的应用

表面活性剂的原理及应用插图2

(1)增溶剂

水溶液中表面活性剂的浓度达到CMC时会形成胶束,可以使溶液中完全不溶或微溶的物质进入胶束中得到溶解,并成为热力学稳定溶液,起到增溶作用。

(2)乳化剂

表面活性剂可以降低两种互不相溶的液体(如油和水)的界面张力,使其中一相以微滴状分散于另一相中,形成稳定的乳液。经乳化作用形成的油-水分散体系包括水包油型(O/W)和油包水型(W/O)两种。

(3)润湿和渗透剂

润湿是指固体表面上的气体被水取代的过程。表面活性剂可以显著降低水的表面张力,水在固体表面能够快速扩散,使润湿过程快速发生,因此可以作为润湿剂。渗透作用与润湿作用无本质上的区别,前者作用于固体内部,后者作用于固体外表面。

(4)分散剂

将不溶性固体物质以微小的颗粒均匀地分散在液体中所形成的体系称为分散体或悬浮体,这种作用称为分散作用,能使分散作用顺利发生的表面活性剂称为分散剂。表面活性剂必须具有三种作用才能成为良好的分散剂。首先,它必须具有良好的润湿性能,使液体充分润湿每一个固体颗粒、取代颗粒中的空气,进一步使固体颗粒碎裂成更小的晶体。其次,它必须能显著地降低固-液之间的界面张力,增加固-液之间吸附、相容的能力,使体系内存在的能量降低。最后,它必须以水化层或带电层的形式在固体颗粒周围形成机械强度较高的界面膜,以阻止固体颗粒间的聚集。

表面活性剂的原理及应用插图3

(5)起泡剂

气泡是一个热力学不稳定体系,容易因为气泡间液膜层产生排液现象和小气泡穿透大气泡的合并作用,而使气泡不断破裂、泡沫消失。若液体中存在表面活性剂,气泡表面能吸附表面活性剂分子并定向排列,达到一定程度时,气泡壁就成为一层坚固的薄膜,从而使气泡间不易发生合并。同时表面活性剂在液体表面的定向排列,使液体的表面张力明显下降,导致气泡间的内压差降低,因而排液速度减慢。表面活性剂的上述两方面作用,降低了气泡的破裂能力,有利于气泡的形成和稳定存在。

(6)洗涤剂

从浸没在某种介质(多为水)中的固体表面除去异物或污垢的过程称为洗涤,能发挥洗涤作用的化学品称为洗涤剂,洗涤剂多以表面活性剂作为主要成分。洗涤作用较复杂,是表面活性剂的润湿、乳化、分散、增溶等综合作用以及搅拌、揉搓、水流等机械作用的共同结果。

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