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收藏：表面活性剂的原理及应用

时间：2024-02-26 14:03:27 来源：创始人点击：0次

表面活性剂的概念

表面活性剂（surface active agents, surfactants）又称界面活性剂，是能使两种液体间、液体―气体间、液体―固体间的表面张力（surface tension）或界面张力（interfacial tension）显著降低的化合物。在日常生活中，各种洗涤剂比如肥皂、洗面奶等的作用成分是表面活性剂。在生化实验中，裂解细胞需要表面活性剂。那么其发挥作用的原理是什么呢？

表面活性剂的结构

表面活性剂一般由两部分组成：亲水基：由一个以上极性基团（亲水基）组成；亲油基：由非极性烃链（亲油基）组成；

表面活性剂结构示意图（图片来源：sciencenotes.org）

表面活性剂的类型

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。

四种表面活性剂结构

3.1 离子型表面活性剂（ionic surfactants）

亲水端带有电荷的表面活性剂称为离子型表面活性剂。根据所带电荷的电性又可分为三类：

阳离子型表面活性剂（cationic surfactants）阳离子型表面活性剂主要分为铵盐型和季铵盐型两类，主要用于杀菌、消毒。
e.g. 新洁尔灭（苯扎溴铵）、洁尔灭（苯扎氯铵）。

阴离子型表面活性剂（anionic surfactants）阴离子型表面活性剂通常带有硫酸盐（sulphate）、磺酸盐（sulphonate）或羟酸盐（carboxylate）基团。
e.g.十二烷基硫酸钠（SDS）。

两性离子型表面活性剂（zwitterionic/amphoteric/ampholytic surfactants）这类表面活性剂的亲水端同时带有阳离子和阴离子，但净电荷为零。其既能和酸反应，也能和碱反应。在酸性溶液中呈阳离子，在碱性溶液中呈阴离子。其又可分为四类：甜菜碱类、氨基酸类、咪唑啉类、氧化铵类。

非离子型表面活性剂（non-ionic surfactants）

非离子型表面活性剂的亲水端不带电荷。它的亲水亲油特性可以用亲水亲油平衡（hydrophilic-lipophilic balance，HLB）来衡量。HLB值越高越亲油，反之则亲水。一般来说，非离子型表面活性剂作用比较亲和，不会使蛋白变性。
e.g.聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100）、吐温（Tweens）、聚氧乙烯型（Myrij、Brij、Perogol O、Emolphor等）

表面活性剂的作用原理

表面活性剂可以减少液体表面张力（使表面分子具有内向运动的趋势，并使表面自动收缩至最小面积的力）。比如油和水不互溶，但当表面活性剂存在时，它会减少油和水表面的表面张力，从而促进二者溶合。

表面活性剂在水中的定向排列

在生化实验中，裂解细胞需要表面活性剂。那么其发挥作用的原理是什么呢？

要回答这个问题，首先要从细胞膜的生物学结构讲起。细胞膜由磷脂双分子层构成（图a）。当细胞处于静息状态下，细胞质侧的细胞膜主要是富含阴离子和胺的磷脂质，如磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS）和磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine）；而外侧的细胞膜则主要是富含胆碱的磷脂质，如鞘磷脂（sphingomyelin）和卵磷脂（phosphatidylcholine）。当细胞活化或凋亡时，带负电的磷脂质外翻（这也是Annexin V检测细胞凋亡的原理，因为Annexin V可以与PS高亲和力结合）。

表面活性剂与细胞膜的相互作用（图源：Parsi et.al, 2016）

当表面活性剂浓度较低时，表面活性剂单体整合到磷脂双分子层中，但不会破坏其结构（图b）。当表面活性剂浓度超过临界饱和浓度（critial saturation concentration，Csat）时，单体会在细胞膜内聚集而破坏细胞膜的结构（图c）。当表面活性剂与脂质比达到临界溶解浓度（critical solubilisation concentration，CSC）时，磷脂双分子层溶解，表面活性剂-脂质胶团（surfactant-lipid micelles）和短的膜片段形成（图d）。随着溶解的进行，最终只剩下表面活性剂-脂质胶团和表面活性剂包裹的膜碎片。表面活性剂还会取代脂质，与膜蛋白的疏水端相互作用（图e）

表面活性剂的理化特性

5.1 临界胶束浓度

表面活性剂分子有两个部分，理想情况下，亲水部分在水中，疏水部分在水外。当向水中添加表面活性剂时，表面活性剂首先聚集在表面，尾部伸出水面。当达到一定的表面活性剂浓度后，它们的尾巴将不再能从水中伸出，其中一些将被迫沉入水下，进入溶液中。如果添加更多的表面活性剂，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，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）。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。

胶束是小气泡亲水性基团排列在外侧，疏水性基团在内侧

5.2 亲水亲油平衡值

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，规定完全物亲水性石蜡的HLB值为0，表面活性剂的HLB值范围在0~40；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7~9的表面活性剂适合作为润湿剂、渗透剂。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；

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

6.1 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。

6.2 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。

6.3 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。

6.4 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。

6.5 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。

6.6 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。

转载自：化工好料到haoliaodao.com

来源：表面活性剂发展中心

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