表面活性剂临界胶束浓度测定方法的研究进展

赵 喆,王齐放

表面活性剂的临界胶束浓度(CM C)作为表面活性剂的表面活性的一种量度,是其溶液性质发生显著变化的一个“分水岭”。由于表面活性剂的一些理化性质在胶束形成前后会发生突变,因而,可借助此类变化来表征表面活性剂的CM C。在药学领域中,表面活性剂的大量研究工作都与各种体系的CM C测定有关。常用的CM C测定方法有表面张力法、光散射法、染料增溶性、电导率法等[1]。但是,不同理化性质对表面活性剂总浓度变化的响应范围和灵敏度不同,导致用不同方法测得的CM C的值也各有不同。本文介绍CM C测定技术的原理及简单的操作方法,提供大量的物理参数及国内外的最新研究动态,为表面活性剂在药学中的应用与开发提供理论支持。

1 临界胶束浓度的形成机制

进入水中的表面活性剂分子随着其碳氢链逐渐增长,它在水中达到一定浓度时,溶液表面张力不再下降。为了使整个溶液体系的能量趋于最低,在溶液内部的双亲分子会自动形成极性基向水碳氢链向内的集合体,这种集合体称为胶束或胶团 (M icelle),形成胶束所需的最低浓度称为临界胶束浓度 (C ritical m icelle concentration,CM C)。图 1表示表面活性剂的浓度变化时,表面活性剂分子在溶液表面和内部的分布情况。在浓度很稀时,若稍增加表面活性剂的浓度,表面活性剂的一部分很快地聚集在水面,使水和空气的接触面减小,从而使表面张力急剧下降,如图 1(a);增大表面活性剂浓度,达到饱和状态时,液面上刚刚排满一层定向排列的单分子膜,如图1(b);若再增加浓度,则只能使水溶液中的表面活性分子开始以几十或几百个聚集在一起,排列成憎水基向里,亲水基向外的胶束,如图 1(c)。说明浓度大于临界胶束浓度时,液面上早已形成紧密、定向排列的单分子膜,达到饱和状态。若再增加表面活性剂的浓度,只能增加胶束的个数。由于胶束是亲水的,不具有表面活性,不能使表面张力进一步降低。

图1 表面活性剂的排列情况与浓度关系

在 CM C附近,由于胶束形成前后,水中的双亲分子排列情况以及总粒子数目都发生了急剧的变化,反映在宏观上,就会出现表面活性剂溶液的理化性质(如表面张力、溶解度、渗透压、导电度、密度可溶性、去污、增溶等)发生跃变。因此,测定表面活性剂 CM C实质就是测定表面活性剂系统的某一物理量发生突变时所对应的浓度。

2 临界胶束浓度的测定方法

2.1 滴体积法

2.1.1 测定原理 基于测定由环形毛细管生成的液滴的体积,研究落滴体积与表面活性剂浓度的关系。当液滴的质量刚刚超过表面张力时,液滴即从管口滴下。由于落滴在管口滴落时有部分残留,必须引入校正因子 F,则表面张力公式:σ= FVρg/r,其中σ为表面张力,V为每滴液滴体积,r为滴头半径,ρ为溶液密度,g是重力加速度,F为校正因子,是 r和 V的函数,可在文献[2]的表 3.1中由相应的V/R3查出。经验方程σ=σ0-RTΓ∞ln(1+Kc),σ0为纯溶剂的表面张力,Γ∞为饱和吸附量,K为吸附系数。在浓度趋近 CM C的范围内,对于一些表面活性剂,有 104

2.1.2 方法特点 测量设备简单,准确度较高[4],应用广泛。适于离子表面活性剂和非离子表面活性剂 CM C的测定,无机离子的存在也不影响测定结果。然而,表面张力法不适合非水溶剂为溶媒的药物,因为此种药物表面张力很小,加入表面活性剂时,表面张力变化不大,故难以测定。

2.2 电导法[5]

2.2.1 测定原理 利用电导仪测定不同浓度水溶液的电导值 (也可换算成摩尔电导率),绘电导值(或摩尔电导率)与浓度的关系图,从图中的转折点求得 CM C。包括电导率法和摩尔电导率法。对离子型表面活性剂,当溶液浓度很稀时,表面活性剂完全解离为离子。有电流通过时,溶液中的阴、阳离子分别向电池的正、负两极移动,溶液的浓度越大,其中的阴、阳离子数目越多,溶液的导电能力越强,电导率就越大。随着浓度上升,电导率 K近乎线性上升;但当溶液浓度达到 CM C时,由于液体的一部分离子或分子形成了胶束,且胶束的定向移动速率减缓,故 K的变化趋势发生显著变化。虽然 K仍随着浓度的增大而上升,但变化幅度变小。摩尔电导率λm(λm=K/c)也急剧下降。因此,K-c曲线或λm-Vc曲线的转折点即为CM C值。当转折点不明显时,可以使用摩尔电导率与浓度平方根的关系曲线,易得到明显的转折点。

2.2.2 方法特点 电导法的优势是取样少、操作简便、数据准确。但只限于离子性表面活性剂,对较高表面活性的表面活性剂 (即 CM C很小)有很高灵敏度;过量无机盐会降低测定灵敏度,因此,需用电导水配制溶液。同时,电导法还可用于难溶性药物溶解度的测定、药物有效期的预测、药物含量的测定及乳浊型制剂类型的确定等[6-8]。

2.3 吸附伏安法

相关性分析显示，两侧椎旁肌miR-516相对表达量差值与患者发病年龄呈负相关（r=-0.452），miR-517相对表达量差值与侧凸Cobb角呈负相关（r=-0.378）。

2.3.1 测定原理 使用易溶于有机溶剂、微溶于水的氧化还原指示剂-中性红 (NR)为探针,N aCl作为支持电解质。在溶液达到 CM C之前,由于探针NR的溶解度不随表面活性剂胶束水溶液浓度的增加而变化,因此,探针 NR在悬汞电极 (HMD E)上的还原峰电流 IP基本上是不变的。随着表面活性剂浓度的不断增加,溶液中微量浓度的中性红在 HMD E电极上的吸附峰电流 IP从基本不变到急剧减少,表示表面活性剂在临界胶束浓度时,溶液中相当一部分中性红分子溶入胶束内部,使胶束外的中性红浓度明显降低。这是由于吸附伏安峰电流的大小随中性红分子在电极上的吸附多少而变化,所以在突变点处的浓度即为表面活性剂的 CM C值[9-12]。

2.3.2 方法特点 效果明显且重现性好,测定结果与用表面张力法和电导法测定的结果吻合。为避免固体电极的表面污染,影响测定的重现性,故实验中使用悬汞电极(HMD E)来代替固体电极。

2.4 超滤法 超滤法是利用一种压力活性膜,在外界推动力(压力)作用下,截留水中胶体、颗粒和分子量相对较高的物质,而水和小的溶质颗粒透过膜的分离过程。膜科学的快速发展使得利用膜的筛分特性或理化特性分离不同分子量或不同性质的物质已成为可能。超滤法测定表面活性剂CM C的方法有 3种:单点式超滤法、超滤曲线法、双点式超滤法。

2.4.1 单点式超滤法 测定原理:由于表面活性剂胶束的尺寸与单分散表面活性剂分子的尺寸相差悬殊,且落入超滤膜截留粒子的范畴 (1～20nm),根据超滤膜的筛分特性,选取中空聚砜纤维非对称膜为超滤膜组件。在表面活性剂浓度超过其 CM C值 0.5～1.0倍的胶束溶液中,由于胶束聚集体与单分散表面活性剂分子处于平衡状态,平衡时的单分散表面活性剂分子浓度即为CM C值,因此,与此相应的超滤液中表面活性剂浓度直接表征被测表面活性剂的 CM C值。用合适的超滤膜将表面活性剂胶束溶液中胶束聚集体与单分散表面活性剂分子分开,再与表面活性剂定量分析方法相结合,便可快速准确地测定表面活性剂的 CM C值。方法特点:该方法测定的CM C值,与用表面张力法测定的 CM C值相差较小,与文献值也在同一数量级(由于表面张力的温度效应,数据间有差异)。且所测定的 CM C重复性较好,实验中对每种表面活性剂在同一条件下重复测试 3次,相对误差均小于 1.0%。

2.4.2 超滤曲线法 测定原理:由单点式超滤法实验可知,理想的中空纤维膜对表面活性剂无吸附作用,对胶束没有泄漏现象。因此,理想超滤曲线在转折点前是一条斜率为 1的直线,转折点后是一条斜率为 0的水平线。转折点在 c轴上的投影即为 CM C值。但是,由于超滤膜的非理想性和实际操作带来的误差,实际的超滤曲线会偏离理想的超滤曲线。这些偏差使转折点前的超滤曲线成为一条斜率小于 1的直线,这主要是由膜对表面活性剂单体的吸附造成的,转折点后的超滤曲线成为一条具有正斜率的直线,这主要是由膜对胶束的泄漏造成的。此超滤曲线的拐点即为CM C。方法特点:由超滤曲线法求取 CM C的方法具有可信、准确的优点。但这一方法需要配制一系列不同浓度的溶液。一般超过 7个实验点进行测定总浓度曲线突变点才能求得 CM C范围。故该种方法耗时长、工作量大。

2.4.3 双点式超滤法 超滤膜组件为中空聚砜纤维非对称膜,有效内表面积 0.102 6m2。实验用水为超滤水,电导率为 718×10S/cm。在超滤曲线上超过转折点的浓度范围内选择两点 c1和 c2,测定其相应的超滤液浓度,在 cUF-c(cUF超滤液浓度;c总浓度)曲线上做过两个点的连线,并延伸至与 cUF轴相交得 cUF′,将 cUF′值作为 CM C的近似值。方法特点:具有明显的优越性。与单点法相比,双点法更合理、简便、快捷并节省样品量;与超滤曲线法相比,双点法误差小,可信度高[13-15]。

2.5 紫外分光光度法

2.5.2 方法特点 该方法简单、准确而有效,可测定多种表面活性剂 (特别是混合表面活性剂体系)的 CM C值。由于该方法受盐类等杂质影响较小,因此,可以用于纯度不高的工业用混合表面活性剂 CM C值的测定[16-18]。

2.6 染料吸附法

2.6.1 测定原理 由于某些染料被胶团增溶时,其吸收光谱与未增溶时发生明显改变,故其颜色有明显差别,所以,只要在大于 CM C的表面活性剂溶液中加入少量染料,然后定量加水稀释至颜色改变即可判定 CM C值。采用滴定终点观察法或分光光度法均可完成测定。此法的关键是必须选择合适的染料:根据同性电荷相斥,异性电荷相吸的原理,选取与表面活性离子电荷相反的染料(一般为有机离子)。例如:常用于阴离子 (负离子)表面活性剂的染料有频那氰醇氯化物、碱性蕊香红 G等。具体方法:先在确定浓度(>CM C)的表面活性剂溶液中加入少量染料,此时染料被溶液中的胶束吸附而使溶液呈现某种颜色。再用滴定法以水冲稀此溶液,直至溶液颜色发生显著变化。由被滴定溶液的总体积可方便求得 CM C。

2.6.2 方法特点 因染料的加入影响测定的精确性,对 CM C较小的表面活性剂影响更大。另外,当表面活性剂中含有无机盐及醇时,测定结果不甚准确;中药膏剂等药物溶液本身颜色较深,不适用此法。此外,该法用于非离子型表面活性剂测定效果也不甚理想,此时可考虑采用其他方法,如表面张力法,或对于非离子表面活性剂 CM C测定效果不理想时,也可改用碘代替染料,在紫外波长下观察光谱的变化,可提高灵敏度[19]。

2.7 溶解度法

2.7.1 测定原理 由于表面活性剂具有两亲结构,故其加入到药液中,使某些不溶或微溶于水的有机化合物的溶解度显著增加。研究表明,被增溶的物质(如碳氢化合物)溶解于胶束内部增水基团集中的地方,致使密度显著增加。以溶液的溶解度 S对表面活性剂浓度 c做图,由 S-c曲线上出现转折点,该点对应的浓度值即为表面活性剂的CM C值。对溶液颜色较深的药液,可直接用测溶解度的方法求CM C;对颜色较浅的制剂,为提高灵敏度,可用颜色变化求溶解度,再由 S-c关系图求得 CM C。方法:先在药液中加入不溶于水的固体染料,然后由小到大改变表面活性剂的浓度,达CM C后染料的溶解度急剧增加,则整个溶液呈染料的颜色。如果染料的加入对 CM C较小的表面活性剂的 CM C测定有影响时,可用烃类代替染料。因为在稀表面活性剂溶液中 (

2.7.2 方法特点 本法相对简单,但操作需相当熟练,且仅适用于药液颜色较浅的制剂。

2.8 光散射法[20]

2.8.1 测定原理 光线通过表面活性剂溶液时,如果溶液中有胶束粒子存在,则一部分光线将被胶束粒子所散射,因此,测定散射光强度即浊度,可反映溶液中表面活性剂胶束形成。以药液的浓度 c为 X轴,光散射强度 I为 Y轴,做出 I-c关系曲线。当表面活性剂在溶液中达到或超过一定浓度时,会从单体 (单个离子或分子)缔合成胶态聚集物,即形成胶束,其大小符合胶粒大小的范围,故有光的散射现象。随着表面活性剂浓度的增大,缔和分子不断增多,胶束聚集数不断增加,则药液的光散射强度不断增强。达 CM C时,光散射强度急剧增加,CM C即可由曲线的突变点求出。

2.8.2 方法特点 此法除可获得 CM C值外,还可测定胶束的聚集数、胶束的形状和大小及胶束的电荷量等有用的数据,这些优于上述其他方法。然而,该法要求待测溶液非常纯净,任何杂质质点都将影响测定结果,故该法尤其适用于中药注射液、滴眼剂等制剂的CM C测定。

2.9 荧光探针法

2.9.1 测定原理 水介质中常用的疏水性探针有芘及其衍生物,选择芘作为荧光探针是因为:第一,芘的荧光光谱资料详细。第二,芘的激发单线态有较长的寿命。第三,胶束对芘有明显的增溶作用。芘能形成激发物,经 335nm处激发后,芘在溶液中的荧光发射光谱中出现 5个电子振动峰,分别在 373、379、384、394及 480nm附近。第一个电子振动峰 373nm与第三个电子振动峰 384 nm的荧光强度之比 I1/I3强烈地依赖于芘分子所处环境的极性。芘在水中的溶解度非常小,约为10m ol/L。芘在水溶液、环己烷溶液和 SDS胶束中的 I1/I3值分别约为 1.8、0.7和 0.87。因此,可用芘增溶于胶束后 I1/I3值的突变 (胶束形成)测定表面活性剂的 CM C。超过 CM C后,溶液的增溶能力会有一个突变。同时 I1/I3随着浓度的变化曲线与滴定曲线类似,曲线突变点处的浓度就是 CM C。因此,也可通过测定不同浓度表面活性剂溶液中芘的荧光光谱,确定溶液的 CM C[21-25]。

2.9.2 方法特点 荧光探针法操作简单,对体系无特殊要求,探针用量少,对体系的干扰小,已广泛用于 CM C及聚集数的测定。

综上所述,表面活性剂临界胶束浓度是一个最基本的重要参数。实际应用中,方法的选择决定于测定目的、精确程度、样品用量、测定时间等。另外,方法的应用还取决于具体的仪器设备、技术操作的熟练程度等因素。紫外分光光度法、光散射法尽管精确度很高,适用的药物剂型及表面活性剂的种类较宽,但由于仪器设备的限制而难以在中小药厂普及;溶解度法、染料吸附法、电导法仪器设备相对简单,但方法的熟练操作及某一方法仅适用于某一类制剂 (此两种方法仅适用于药液颜色较浅的制剂;电导法仅适用于药液较纯净的液体制剂)等因素的控制,而使应用范围、测定精度受到限制。因此,表面活性剂种类和用量的适宜以及测定方法的选择至关重要。

随着科学技术的发展,计算机模拟已成为除理论计算、实验验证以外的第三种研究手段。根据定量结构-性能关系原理,利用人工神经网络模型,采用W n[26]、S[27]和 Sn三种拓扑指数描述阴离子表面活性剂的分子结构并作为网络输入,预测阴离子表面活性剂的临界胶束浓度。结果表明,预测精度较高,说明人工神经网络方法具有很好的预测能力[28]。可以预言,毛细管电泳 (CE)技术将不断发展和完善,临床应用前景会更加广阔。

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