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收藏：表面活性劑的原理及應(yīng)用

時間：2024-02-26 14:03:27 來源：創(chuàng)始人點擊：0次

表面活性劑的概念

表面活性劑（surface active agents, surfactants）又稱界面活性劑，是能使兩種液體間、液體―氣體間、液體―固體間的表面張力（surface tension）或界面張力（interfacial tension）顯著降低的化合物。在日常生活中，各種洗滌劑比如肥皂、洗面奶等的作用成分是表面活性劑。在生化實驗中，裂解細胞需要表面活性劑。那么其發(fā)揮作用的原理是什么呢？

表面活性劑的結(jié)構(gòu)

表面活性劑一般由兩部分組成：親水基：由一個以上極性基團（親水基）組成；親油基：由非極性烴鏈（親油基）組成；

表面活性劑結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源：sciencenotes.org）

表面活性劑的類型

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

四種表面活性劑結(jié)構(gòu)

3.1 離子型表面活性劑（ionic surfactants）

親水端帶有電荷的表面活性劑稱為離子型表面活性劑。根據(jù)所帶電荷的電性又可分為三類：

陽離子型表面活性劑（cationic surfactants）陽離子型表面活性劑主要分為銨鹽型和季銨鹽型兩類，主要用于殺菌、消毒。
e.g. 新潔爾滅（苯扎溴銨）、潔爾滅（苯扎氯銨）。

陰離子型表面活性劑（anionic surfactants）陰離子型表面活性劑通常帶有硫酸鹽（sulphate）、磺酸鹽（sulphonate）或羥酸鹽（carboxylate）基團。
e.g.十二烷基硫酸鈉（SDS）。

兩性離子型表面活性劑（zwitterionic/amphoteric/ampholytic surfactants）這類表面活性劑的親水端同時帶有陽離子和陰離子，但凈電荷為零。其既能和酸反應(yīng)，也能和堿反應(yīng)。在酸性溶液中呈陽離子，在堿性溶液中呈陰離子。其又可分為四類：甜菜堿類、氨基酸類、咪唑啉類、氧化銨類。

非離子型表面活性劑（non-ionic surfactants）

非離子型表面活性劑的親水端不帶電荷。它的親水親油特性可以用親水親油平衡（hydrophilic-lipophilic balance，HLB）來衡量。HLB值越高越親油，反之則親水。一般來說，非離子型表面活性劑作用比較親和，不會使蛋白變性。
e.g.聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100）、吐溫（Tweens）、聚氧乙烯型（Myrij、Brij、Perogol O、Emolphor等）

表面活性劑的作用原理

表面活性劑可以減少液體表面張力（使表面分子具有內(nèi)向運動的趨勢，并使表面自動收縮至最小面積的力）。比如油和水不互溶，但當表面活性劑存在時，它會減少油和水表面的表面張力，從而促進二者溶合。

表面活性劑在水中的定向排列

在生化實驗中，裂解細胞需要表面活性劑。那么其發(fā)揮作用的原理是什么呢？

要回答這個問題，首先要從細胞膜的生物學(xué)結(jié)構(gòu)講起。細胞膜由磷脂雙分子層構(gòu)成（圖a）。當細胞處于靜息狀態(tài)下，細胞質(zhì)側(cè)的細胞膜主要是富含陰離子和胺的磷脂質(zhì)，如磷脂酰絲氨酸（phosphatidylserine，PS）和磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine）；而外側(cè)的細胞膜則主要是富含膽堿的磷脂質(zhì)，如鞘磷脂（sphingomyelin）和卵磷脂（phosphatidylcholine）。當細胞活化或凋亡時，帶負電的磷脂質(zhì)外翻（這也是Annexin V檢測細胞凋亡的原理，因為Annexin V可以與PS高親和力結(jié)合）。

表面活性劑與細胞膜的相互作用（圖源：Parsi et.al, 2016）

當表面活性劑濃度較低時，表面活性劑單體整合到磷脂雙分子層中，但不會破壞其結(jié)構(gòu)（圖b）。當表面活性劑濃度超過臨界飽和濃度（critial saturation concentration，Csat）時，單體會在細胞膜內(nèi)聚集而破壞細胞膜的結(jié)構(gòu)（圖c）。當表面活性劑與脂質(zhì)比達到臨界溶解濃度（critical solubilisation concentration，CSC）時，磷脂雙分子層溶解，表面活性劑-脂質(zhì)膠團（surfactant-lipid micelles）和短的膜片段形成（圖d）。隨著溶解的進行，最終只剩下表面活性劑-脂質(zhì)膠團和表面活性劑包裹的膜碎片。表面活性劑還會取代脂質(zhì)，與膜蛋白的疏水端相互作用（圖e）

表面活性劑的理化特性

5.1 臨界膠束濃度

表面活性劑分子有兩個部分，理想情況下，親水部分在水中，疏水部分在水外。當向水中添加表面活性劑時，表面活性劑首先聚集在表面，尾部伸出水面。當達到一定的表面活性劑濃度后，它們的尾巴將不再能從水中伸出，其中一些將被迫沉入水下，進入溶液中。如果添加更多的表面活性劑，其分子則轉(zhuǎn)入溶液中，因親油基團的存在，水分子與表面活性劑分子間的排斥力遠大于吸引力，形成親油基團向內(nèi)、親水基團向外在水中穩(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最低濃度即臨界膠束濃度（CMC）。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。

膠束是小氣泡親水性基團排列在外側(cè)，疏水性基團在內(nèi)側(cè)

5.2 親水親油平衡值

根據(jù)親水親油平衡值來對表面活性劑進行選擇，表面活性劑分子中親水和親油基團對油或水的綜合親和力稱為親水親油平衡值（HLB）。

HLB值是一個相對值，規(guī)定完全物親水性石蠟的HLB值為0，表面活性劑的HLB值范圍在0~40；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7~9的表面活性劑適合作為潤濕劑、滲透劑。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；

不同HLB值表面活性劑的作用

常見表面活性劑的HLB值

表面活性劑的應(yīng)用

6.1 增溶劑

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

6.2 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。

6.3 潤濕和滲透劑

潤濕是指固體表面上的氣體被水取代的過程。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散，使?jié)櫇襁^程快速發(fā)生，因此可以作為潤濕劑。滲透作用與潤濕作用無本質(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。

6.4 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為分散體或懸浮體，這種作用稱為分散作用，能使分散作用順利發(fā)生的表面活性劑稱為分散劑。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濕性能，使液體充分潤濕每一個固體顆粒、取代顆粒中的空氣，進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。最后，它必須以水化層或帶電層的形式在固體顆粒周圍形成機械強度較高的界面膜，以阻止固體顆粒間的聚集。

6.5 起泡劑

氣泡是一個熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，容易因為氣泡間液膜層產(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，達到一定程度時，氣泡壁就成為一層堅固的薄膜，從而使氣泡間不易發(fā)生合并。同時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。

6.6 洗滌劑

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

轉(zhuǎn)載自：化工好料到haoliaodao.com

來源：表面活性劑發(fā)展中心

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