表面活性劑的原理及應用

表面活性劑在體外診斷領域有廣泛的應用。如在血細胞分析領域，表面活性劑常作為溶血劑的重要組分，實現(xiàn)不同類型血細胞的計數(shù)和分類檢測；在免疫檢測領域，常作為潤濕劑和洗滌劑使用。本文對表面活性劑的基礎知識進行了概述和總結，對于體外診斷試劑的開發(fā)有著重要的指導意義。

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。表面活性劑分子結構具有兩親性，一端由非極性烴鏈（親油基）組成，烴鏈長度一般在8個碳原子以上，另一端由一個以上極性基團（親水基）組成。極性基團可以是解離的離子，也可以是不解離的親水基團，如羧酸、磺酸、硫酸、磷酸、氨基或胺基及這些基團的鹽，或者羥基、酰胺基、醚鍵、羧酸酯基等。

表面活性劑結構示意圖

表面活性劑具有吸附性，在溶液中呈現(xiàn)正吸附，當水中表面活性劑的濃度很低時，表面活性劑分子在水-空氣界面產生定向排列，親水基團朝向水而親油基團朝向空氣，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高于溶液中的濃度。正吸附改變了溶液表面的性質，外層呈碳氫鏈性質，降低了溶液的表面張力，從而產生較好的潤濕性、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，也能在其表面發(fā)生吸附，使固體表面性質改變。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。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為S形，形成單分子層。當濃度達到臨界膠束濃度時，吸附達到飽和而呈現(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

根據(jù)分子結構和極性基團的解離性質，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。

不同類型的表面活性劑結構

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

陽離子表面活性劑起表面活性作用的是陽離子，其分子結構主要部分是一個五價的氮原子，因此也稱為季銨化合物，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構中同時具有正、負電荷基團，在不同的pH介質中可表現(xiàn)出陰離子或陽離子表面活性劑的性質，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，分子中構成親水基團的是甘油、聚乙二醇和山梨醇等多元醇，構成親油基團的是長鏈脂肪酸或脂肪醇、烷基、芳基等，親水基和親油基通過酯鍵或醚鍵結合。其種類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

（1）臨界膠束濃度

當表面活性劑的正吸附達到飽和后繼續(xù)加入表面活性劑，其分子則轉入溶液中，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，導致表面活性劑分子自身依賴范德華力相互聚集，形成親油基團向內、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，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，溶液的表面張力基本達到低值。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達到后的一定范圍內，單位體積內膠束數(shù)量和表面活性劑的總濃度幾乎成正比。當溶液中表面活性劑的濃度達到臨界膠束濃度時，除溶液的表面張力外，摩爾電導、粘度、滲透壓、密度、光散射等多種物理性質均會發(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)定完全無親水性石蠟的HLB值為0，根據(jù)經驗，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值與其應用有著密切的關系。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濕劑、滲透劑。

不同HLB值表面活性劑的作用

常見表面活性劑的HLB值

表面活性劑的應用

（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進入膠束中得到溶解，并成為熱力學穩(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上的區(qū)別，前者作用于固體內部，后者作用于固體外表面。

（4）分散劑

將不溶性固體物質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圍形成機械強度較高的界面膜，以阻止固體顆粒間的聚集。

（5）起泡劑

氣泡是一個熱力學不穩(wěn)定體系，容易因為氣泡間液膜層產生排液現(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，導致氣泡間的內壓差降低，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

從浸沒在某種介質(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果。