表面活性劑的原理及應(yīng)用

表面活性劑在體外診斷領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。如在血細(xì)胞分析領(lǐng)域，表面活性劑常作為溶血?jiǎng)┑闹匾M分，實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型血細(xì)胞的計(jì)數(shù)和分類(lèi)檢測(cè)；在免疫檢測(cè)領(lǐng)域，常作為潤(rùn)濕劑和洗滌劑使用。本文對(duì)表面活性劑的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行了概述和總結(jié)，對(duì)于體外診斷試劑的開(kāi)發(fā)有著重要的指導(dǎo)意義。

表面活性劑的概念和特性

表面活性劑是指能夠使溶液表面張力顯著降低的物質(zhì)。表面活性劑分子結(jié)構(gòu)具有兩親性，一端由非極性烴鏈（親油基）組成，烴鏈長(zhǎng)度一般在8個(gè)碳原子以上，另一端由一個(gè)以上極性基團(tuán)（親水基）組成。極性基團(tuán)可以是解離的離子，也可以是不解離的親水基團(tuán)，如羧酸、磺酸、硫酸、磷酸、氨基或胺基及這些基團(tuán)的鹽，或者羥基、酰胺基、醚鍵、羧酸酯基等。

表面活性劑結(jié)構(gòu)示意圖

表面活性劑具有吸附性，在溶液中呈現(xiàn)正吸附，當(dāng)水中表面活性劑的濃度很低時(shí)，表面活性劑分子在水-空氣界面產(chǎn)生定向排列，親水基團(tuán)朝向水而親油基團(tuán)朝向空氣，從而在溶液表面聚集形成單分子層，溶液表面層表面活性劑濃度遠(yuǎn)高于溶液中的濃度。正吸附改變了溶液表面的性質(zhì)，外層呈碳?xì)滏溞再|(zhì)，降低了溶液的表面張力，從而產(chǎn)生較好的潤(rùn)濕性、乳化性、起泡性等。

表面活性劑在水中的定向排列

表面活性溶液與固體接觸時(shí)，也能在其表面發(fā)生吸附，使固體表面性質(zhì)改變。非極性固體表面呈單層吸附，親油基吸附在固體表面而親水基朝向空氣，并且吸附量并不隨表面活性劑濃度的增加而增加，甚至有減少的趨勢(shì)。極性固體表面既能單層吸附也能發(fā)生多層吸附。在低濃度下，表面活性劑分子在極性固體表面的吸附曲線(xiàn)為S形，形成單分子層。當(dāng)濃度達(dá)到臨界膠束濃度時(shí)，吸附達(dá)到飽和而呈現(xiàn)雙層吸附，表面活性劑分子的排列方向與層相反，親水基團(tuán)朝向空氣，吸附量隨著溶液溫度的升高而減少。

表面活性劑的分類(lèi)

根據(jù)分子結(jié)構(gòu)和極性基團(tuán)的解離性質(zhì)，表面活性劑分為陰離子表面活性劑、陽(yáng)離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑和非離子表面活性劑。

不同類(lèi)型的表面活性劑結(jié)構(gòu)

陰離子表面活性劑起表面活性作用的部分是陰離子，包括高級(jí)脂肪酸鹽系肥皂類(lèi)（硬脂酸、油酸、月桂酸等）、硫酸化物類(lèi)（硫酸化蓖麻油、十二烷基硫酸鈉等）、磺酸化物類(lèi)（二辛基琥珀酸磺酸鈉、十二烷基苯環(huán)磺酸鈉、肝膽酸鈉等）。

陽(yáng)離子表面活性劑起表面活性作用的是陽(yáng)離子，其分子結(jié)構(gòu)主要部分是一個(gè)五價(jià)的氮原子，因此也稱(chēng)為季銨化合物，如十二烷基三甲基氯化銨、十二烷基三甲基溴化銨等。

兩性離子表面活性劑的結(jié)構(gòu)中同時(shí)具有正、負(fù)電荷基團(tuán)，在不同的pH介質(zhì)中可表現(xiàn)出陰離子或陽(yáng)離子表面活性劑的性質(zhì)，包括卵磷脂、氨基酸型和甜菜堿型兩性表面活性劑。

非離子表面活性劑在水中不解離，分子中構(gòu)成親水基團(tuán)的是甘油、聚乙二醇和山梨醇等多元醇，構(gòu)成親油基團(tuán)的是長(zhǎng)鏈脂肪酸或脂肪醇、烷基、芳基等，親水基和親油基通過(guò)酯鍵或醚鍵結(jié)合。其種類(lèi)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（單硬脂酸甘油酯等）、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）。

表面活性劑的理化性質(zhì)

（1）臨界膠束濃度

當(dāng)表面活性劑的正吸附達(dá)到飽和后繼續(xù)加入表面活性劑，其分子則轉(zhuǎn)入溶液中，因親油基團(tuán)的存在，水分子與表面活性劑分子間的排斥力遠(yuǎn)大于吸引力，導(dǎo)致表面活性劑分子自身依賴(lài)范德華力相互聚集，形成親油基團(tuán)向內(nèi)、親水基團(tuán)向外在水中穩(wěn)定分散的膠束。在一定溫度和濃度范圍內(nèi)，表面活性劑膠束有一定的分子締合數(shù)，不同表面活性劑膠束的分子締合數(shù)不同。表面活性劑分子締合形成膠束的低濃度即臨界膠束濃度（CMC）。在CMC時(shí)，溶液的表面張力基本達(dá)到低值。不同表面活性劑的CMC不同，具有相同親水基的同系列表面活性劑，親油基越大則CMC越小。在CMC達(dá)到后的一定范圍內(nèi)，單位體積內(nèi)膠束數(shù)量和表面活性劑的總濃度幾乎成正比。當(dāng)溶液中表面活性劑的濃度達(dá)到臨界膠束濃度時(shí)，除溶液的表面張力外，摩爾電導(dǎo)、粘度、滲透壓、密度、光散射等多種物理性質(zhì)均會(huì)發(fā)生急劇變化。

膠束的形成

不同形狀的膠束

（2）親水親油平衡值

通常根據(jù)親水親油平衡值來(lái)對(duì)表面活性劑進(jìn)行選擇，表面活性劑分子中親水和親油基團(tuán)對(duì)油或水的綜合親和力稱(chēng)為親水親油平衡值（HLB）。HLB值是一個(gè)相對(duì)值，規(guī)定完全無(wú)親水性石蠟的HLB值為0，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，表面活性劑的HLB值范圍在0~40，其中非離子表面活性劑的HLB值范圍為0~20。親水性表面活性劑有較高的HLB值（HLB＞9），親油性表面活性劑有較低的HLB值（HLB＜9）。

表面活性的HLB值與其應(yīng)用有著密切的關(guān)系。HLB值在3~6的表面活性劑適合用作W/O型乳化劑，HLB值在8~18的表面活性劑適合用作O/W型乳化劑，HLB值在13~18的表面活性劑適合作為增溶劑、分散劑，HLB值在7~9的表面活性劑適合作為潤(rùn)濕劑、滲透劑。

不同HLB值表面活性劑的作用

常見(jiàn)表面活性劑的HLB值

表面活性劑的應(yīng)用

（1）增溶劑

水溶液中表面活性劑的濃度達(dá)到CMC時(shí)會(huì)形成膠束，可以使溶液中完全不溶或微溶的物質(zhì)進(jìn)入膠束中得到溶解，并成為熱力學(xué)穩(wěn)定溶液，起到增溶作用。

（2）乳化劑

表面活性劑可以降低兩種互不相溶的液體（如油和水）的界面張力，使其中一相以微滴狀分散于另一相中，形成穩(wěn)定的乳液。經(jīng)乳化作用形成的油-水分散體系包括水包油型（O/W）和油包水型（W/O）兩種。

（3）潤(rùn)濕和滲透劑

潤(rùn)濕是指固體表面上的氣體被水取代的過(guò)程。表面活性劑可以顯著降低水的表面張力，水在固體表面能夠快速擴(kuò)散，使?jié)櫇襁^(guò)程快速發(fā)生，因此可以作為潤(rùn)濕劑。滲透作用與潤(rùn)濕作用無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別，前者作用于固體內(nèi)部，后者作用于固體外表面。

（4）分散劑

將不溶性固體物質(zhì)以微小的顆粒均勻地分散在液體中所形成的體系稱(chēng)為分散體或懸浮體，這種作用稱(chēng)為分散作用，能使分散作用順利發(fā)生的表面活性劑稱(chēng)為分散劑。表面活性劑必須具有三種作用才能成為良好的分散劑。首先，它必須具有良好的潤(rùn)濕性能，使液體充分潤(rùn)濕每一個(gè)固體顆粒、取代顆粒中的空氣，進(jìn)一步使固體顆粒碎裂成更小的晶體。其次，它必須能顯著地降低固-液之間的界面張力，增加固-液之間吸附、相容的能力，使體系內(nèi)存在的能量降低。后，它必須以水化層或帶電層的形式在固體顆粒周?chē)纬蓹C(jī)械強(qiáng)度較高的界面膜，以阻止固體顆粒間的聚集。

（5）起泡劑

氣泡是一個(gè)熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，容易因?yàn)闅馀蓍g液膜層產(chǎn)生排液現(xiàn)象和小氣泡穿透大氣泡的合并作用，而使氣泡不斷破裂、泡沫消失。若液體中存在表面活性劑，氣泡表面能吸附表面活性劑分子并定向排列，達(dá)到一定程度時(shí)，氣泡壁就成為一層堅(jiān)固的薄膜，從而使氣泡間不易發(fā)生合并。同時(shí)表面活性劑在液體表面的定向排列，使液體的表面張力明顯下降，導(dǎo)致氣泡間的內(nèi)壓差降低，因而排液速度減慢。表面活性劑的上述兩方面作用，降低了氣泡的破裂能力，有利于氣泡的形成和穩(wěn)定存在。

（6）洗滌劑

從浸沒(méi)在某種介質(zhì)(多為水)中的固體表面除去異物或污垢的過(guò)程稱(chēng)為洗滌，能發(fā)揮洗滌作用的化學(xué)品稱(chēng)為洗滌劑，洗滌劑多以表面活性劑作為主要成分。洗滌作用較復(fù)雜，是表面活性劑的潤(rùn)濕、乳化、分散、增溶等綜合作用以及攪拌、揉搓、水流等機(jī)械作用的共同結(jié)果。