纳米医药 第4章-表明活性剂与微乳载药系统.doc

第4章 表面活性剂与微乳载药系统微乳状液，简称微乳，是由不相混溶的油、水和表面活性剂自发形成的的外观均匀、透明、稳定的液体。这种液体有很大实用价值。在乳状液的实际应用中，长期困扰人们的浮油、分层等问题，由此可以迎刃而解。据文献记载，最早是在1928年，美国工程师Rodawald在研制皮革上光剂时意外地得到了“透明乳状液”1。在配方合适的条件下，这种含有大量油、水和表面活性剂的透明的液体，可以在轻轻搅动下自动形成。它一旦形成就非常稳定，可以长期放置而不会破坏。第一个有关微乳状液的科学研究是Hoar和Schulman在1943年完成的2。 随后，他们继续研究了微乳状液的形成方法，并采用多种物理化学方法测试所得液体的性质。在这些研究的基础上，这种透明的油水混溶液体被认为是一种液体以微小液滴的形式分散于另一种不相混溶的液体中而构成的体系。于是，Schulman等在1959年建议将此种油水混匀液体定名为微乳状液3。从那时起到现在，尽管对于微乳状液本质与结构的认识已经发生了根本性的改变4，也有人指出这个名称是误解5，微乳状液这个名词还是被普遍接受，并延用至今。随着药物合成化学的进展，越来越多的有效药物不具有良好的水溶性。为此，发展了多种载药系统。微乳状液因其生产简便，粒子细小，稳定性好等突出优点在近期受到医药界的重视，微乳载药系统得到迅速发展。鉴于表面活性剂是构成微乳体系乃至整个胶体体系不可或缺的成分，并且是成败的关键，故本章将予以充分阐述。4.1 表面活性剂4.1.1 表面张力与表面自由能F液体表面最基本的特性是倾向于收缩。这表现在当外力的影响很小时,小液滴趋于球形，如常见的水银珠和荷叶上的水珠那样。从液膜自动收缩实验可以更好地认识这一现象。用玻璃丝或细金属丝弯成一个一边可以活动的方框（ 图 4-1 ）。使液体在此框上形成液膜abcd，其中 cd 为活动边，长度为l。若活动边与框架之间的摩擦很小，则欲保持液膜就必须施一适当大小的外力于活动边上。否则,cd边将自动移向ab 边。这说明液体表面存在与所施外力大小相等，方向相反的收缩力。实验图4-1 液体的表面张力表明，当活动边与框的摩擦力可以忽略不计时，为保持液膜所施之外力 f 与活动边的长度l成正比, 可以表示为 f=2l (4-1) 其中代表液体的表面张力系数，是垂直通过液体表面上任一单位长度、与液面相切的收缩表面的力，常简称作表面张力 (surface tension)。 式(4-1)中有系数2是因为图4-1所示液膜有两个表面。表面张力是液体的基本物理化学性质之一。表面张力通常以mN/m（ 毫牛顿每米）为单位。 液体表面自动收缩的现象也可以从能量的角度来研究。考虑液膜面积变化过程的能量变化。在图4-1所示的体系中，当作用于活动边上的外力大于总表面张力2l时，活动边沿合力方向运动。于是，液膜扩大，外力对体系做功。此功属于有用功之列。在可逆情况下 外力等于 2l 。活动边位移距离d时，体系自由能增量（G）为 G = 2 l d = A (4-2)其中 A = ld, 是体系表面积的改变量。于是， G / A (4-3)这就是说，乃恒温恒压下增加单位表面积时体系自由能的增量，称作比表面自由能，简称为表面自由能(surface free energy)。常用单位为 mJ/m2（毫焦耳每平方米）。不难看出，表面自由能与表面张力两个物理量的量纲相同。实际上，表面张力和表面自由能分别是用力学方法和热力学方法研究液体表面现象时采用的物理量，是从不同角度对同一事物的两种描述方法，具有共存性。当采用适宜的单位时，二者同值。例如，最常见的液体是水，它在250C时的表面张力和表面自由能分别为72mN/m和72mJ/m2。 那么,液体为什么会有表面张力和表面自由能呢? 在液体与其蒸气平衡的体系中，液体的分子间距离虽不固定，但有一定的平均值。维持平均距离不使液体分子借热运动而飞散，全靠液体分子间的相互吸引作用。这种相互作用是短程的，只存在于有限距离内的分子之间。在液体内部，每个分子所受周围分子的吸引是各向同性的，就同一分子而言，所受合力为零，故处于溶液内部的分子可以自由运动。处于表面的分子则不同。即使在液体与它的蒸气成平衡的情况下，由于气相密度小得多，表面分子从气相方面受到的吸引也小得多，这使得表面分子受到指向内部的合力（图4-2）。当分子从内部移向表面时必须克服此力的作用，故需供给能量。增加液体的表面积就是把一定数量的内部分子变为表面上的具有较高能量的分子。为此，外界必须对体系做工，导致体系能量升高。体系这样获得的能量便是表面过剩自由能。对液体表面自由能作出贡献的分子间相互作用力随液体的组成和状态而异，可以是范德华力的各种成分、氢键、金属键等。由于作用力的性质不同或强度不同，液体的表面自由能不同。分子间相互作用越强的物质,其表面张力便越高。总之，表面上存在过剩能量和表面张力现象是构成界面的两体相性质(组成、密度等)不同和分子间存在相互作用的结果。图4-2 表面自由能的微观解释 实际上，表面过剩自由能和表面张力现象并不仅限于液体表面，而是存在于一切相界面上。从上述表面自由能和表面张力的形成机制来看，这是可以理解的。特别是在两种不相混溶的液体界面上普遍存在张力，一般称为界面张力。研究最多的是水和有机液体所形成的界面张力。通常将有机液体通称为“油”，并把这些界面通称为油水界面。由于油水两相分子间的相互作用的差异一般都小于 气相和水相的差异，故油水界面张力一般小于水的表面张力。例如，在20时正辛烷和水的界面张力为50.8mN/m，极性有机液体与水的界面张力更小于非极性有机液体与水的界面张力。4.1.2 表面活性与表面活性剂1. 溶液的表面张力分类溶液至少由两种分子组成。由于溶液表面与溶剂表面的化学组成不同，形成单位溶液表面体系所增加的能量亦不同。因此，溶液的表面张力受溶质的性质和浓度影响。若力场较溶剂弱的分子聚集于表面，其表面张力必然降低。人类活动中最重要的溶液是水溶液。水溶液的表面张力随浓度之变化可分为三类，如图4-3所示。它们的特点是：第1类（曲线A）：溶液表面张力随浓度增加而缓慢升高，大致成直线关系。多数无机盐，如NaCl，Na2SO4，NH4Cl，KNO3等的水溶液及蔗糖、甘露醇等多羟基有机物的水溶液属于这一类型。第2类（曲线B）：溶液表面张力随浓度增加而逐步降低。一般低分子量的极性有机物，如醇、醛、酸、酯、胺及其衍生物属于此类。此类曲线的特点是一级微商和二级微商皆为负值。第3类（曲线C）：溶液表面张力在浓度很低 时急剧下降，很快达到最低点，此后溶液表面张力随浓度变化很小。达到最低点的浓度一般在1%以下。属于这一类的主要是由长度大于8个碳原子的碳链和足够强大的亲水基团构成的极性有机化合物, 例如高碳的羧酸盐、硫酸盐、烷基苯磺酸盐、季铵盐和烷基、芳基聚氧乙烯醚等。 图 4-3 溶液表面张力曲线 2. 表面活性溶质使溶剂表面张力降低的性质叫做表面活性（ surface activity )，可以用-（d/dc)c0值来描述。此值大于0的溶质具有表面活性，为表面活性物质，反之为表面非活性物质，此数值越大者表面活性越强。鉴于水的重要性，通常按照水溶液表面张力曲线的特性将溶质划分为表面非活性物质（A型曲线）、表面活性物质（B型和C型曲线）和表面活性剂（C型曲线）。 3. 表面活性剂显示第三种表面张力曲线的溶质，即表面活性剂（surface active agents，Surfactants）的特点是具有不对称的分子结构。整个分子可分为两部分，一部分是亲油的(lipophilic)非极性基团，又叫做疏水基(hydrophobic group)或亲油基；另一部分是亲水的极性基团，叫做亲水基(hydrophilic group)。因此，表面活性剂分子具有两亲性质，被称为两亲(amphipathic)分子。例如肥皂的主要成分，脂肪酸盐的疏水基是碳氢链，亲水基是羧基。并不是所有具有两亲结构的分子都是表面活性剂。例如，甲、乙、丙、丁酸都具有两亲结构，但并不是表面活性剂，而只是具有表面活性而已。只有分子中疏水基足够大的两亲分子才显示表面活性剂的特性。对于正构烷基来说碳链长度一般须在八个碳原子以上。如果疏水基过大，则溶解度太小，应用受到限制。不过，最近十年中, 基于两亲分子不溶膜的LB技术作为分子组装术的重要手段而引起广泛兴趣，两亲分子不溶物也因此受到重视。多数表面活性剂的疏水基呈长链状，故形象地把疏水基叫做“尾巴”，亲水基叫做“头”。整个表面活性剂分子常以图4-4所示图形示意。 图 4-4 表面活性剂分子结构特征示意图4.1.3 表面活性剂的类型 根据使用者的要求和方便，表面活性剂可按不同方法来分类。从表面活性剂的应用功能出发，可将表面活性剂分为乳化剂、洗涤剂、起泡剂、润湿剂、分散剂、铺展剂、渗透剂、加溶剂等。也可以按照它的溶解特性分为水溶性表面活性剂和油溶性表面活性剂。这些分类方法虽然为某些应用者提供了方便，但均不能说明表面活性剂的化学特性，也不能指示某种表面活性剂可能有哪些别的用途。在表面活性剂科学中广泛采用的是按照它的化学结构分类。鉴于表面活性剂的许多性质和功能与其亲水基的结构有很大关系，这种分类首先是按亲水基的类型来分的。表面活性剂亲水基的种类很多，按照它们的电性质分为两个大类，即离子型(ionic)和非离子型(nonionic)。前者在水溶液中存在的表面活性品种为带电的离子；后者则是中性的表面活性分子。离子型又分为正离子型(cationic)、负离子型(anionic)和两性型(amphoteric)。此外还有近来发展较快的、既有离子型亲水基又有非离子型亲水基的混合型表面活性剂。下面举例说明这五种主要类型的表面活性剂。1. 阴离子型 此类表面活性剂含有带负电的极性基，主要为羧酸盐(RCOO-M+)、磺酸盐(RSO3M) 、硫酸酯盐(ROSO3-M+)、和磷酸酯盐(ROPO3-M+，R1O（R2O）PO2-M+)等。此类表面活性剂的性质容易受无机盐的影响。其中，主要起作用的是与表面活性离子电荷相反的离子。如果亲水基是弱酸性基团，例如羧基，其性质随溶液pH显著变化。一般在pH高的溶液中显示良好表面活性和溶解性，中度pH时表面活性更好但溶解性逐步降低，而pH低的时候，因溶解度过低而失去表面活性剂的功能。2. 阳离子型 其分子中含有带正电的极性基，主要是季铵盐(RNR3+A-)、烷基吡啶盐(RC5H5N+A-)、胺盐（RnNHm+A-, m = 13, n = 13, 几个R基团也可以不同）等。其中季铵盐和烷基吡啶盐为强电解质，性能随溶液pH变化不大；而胺盐则不然，其表面活性随溶液pH改变，并在pH高时失去表面活性剂的功能。季铵盐阳离子表面活性剂除具表面活性外，其水溶液有很强的杀菌能力，这是与其它表面活性剂不同的特点。据此医学上常用作消毒、杀菌剂。可以这样来解释杀菌原理，是因为细菌的细胞一般带负电，易吸引带正电的阳离子表面活性剂，于细胞膜上相互作用，在两相界面产生物理化学变化（如降低界面张力）而致细胞膜破裂。3. 非离子型它的极性基不带电，其亲水基主要是具有一定数量的含氧基团，主要有聚氧乙烯类化合物（ROC2H4OnH）、亚砜类化合物(RSOR)、氮氧化合物(R1R2R3NO)以及多元醇类化合物（如蔗糖、山梨糖醇、甘油、乙二醇等的衍生物）等。还包括聚氧乙烯和聚氧丙烯构成的聚合型表面活性剂。非离子型表面活性剂在水中不电离，不易受强电解质无机盐类存在的影响，也不易受酸碱的影响。与其它类型表面活性剂的相容性好，能很好的混合使用。在水及有机溶剂中都有良好的溶解性能（视结构不同而有一定差别）。由于在溶液中不电离，故在一般固体表面上亦不易发生强烈吸附。非离子型表面活性剂的毒性和溶血作用较小，可与大多数药物配伍，常用作增溶剂、分散剂、乳化剂、混悬剂等。非离子表面活性剂中应用最多的是聚氧乙烯类表面活性剂。它们是由聚氧乙烯链通过醚键或酯键或氮碳键与疏水基结合而成。按结合键的性质可以分为： （1）酯型，例如聚氧乙烯脂肪酸酯 （2）醚型， 例如聚氧乙烯烷基醇醚（平平加类） ； 聚氧乙烯烷基苯酚醚（OP类） ； 失水山梨糖醇脂肪酸聚氧乙烯醚（吐温Tween类） （3）胺型，例如聚氧乙烯脂肪胺 及 聚氧乙烯烷基酰胺 及 4. 两性型 此类表面活性剂分子中带有两个亲水基团，一个带正电，一个带负电。其中的正电性基团主要是胺基和季铵基，负电性基团则主要是羧基和磺酸基。胺基丙酸、咪唑啉、甜菜碱、牛磺酸是四类最主要的两性型表面活性剂。它们的基本结构是： 胺基丙酸 RN+H2CH2CH2COO- 咪唑啉 甜菜碱 RN+(CH3)2CH2 CH2COO- 牛磺酸 RN+(CH3)2CH2SO3- 这四种两性表面活性剂都具有良好的水溶性。其中带有羧基的两性表面活性剂的性质随溶液pH值而改变。其中胺基丙酸和咪唑啉类化合物，在pH较低时（等电点），则呈阴离子性，只在等电点时处于两性离子状态。甜菜碱类化合物在等电点以下呈阳离子性，而在等电点以上则形成内盐，为典型的两性离子状态。牛磺酸类化合物的性质基本上与溶液pH无关。这种表面活性剂的阳离子是季铵离子，阴离子是磺酸根，都是强电离基团。它在溶液中总是以“内盐”形式存在。在任何pH值均处于等电状态，故其性质基本不受pH值影响。蛋黄里的卵磷脂与豆类中的豆磷脂就是天然的两性离子型表面活性剂。卵磷脂是由磷酸酯型的阴离子部分与季铵盐型的阳离子部分所组成，其结构式如下：由于它有两个较大的疏水基R1、R2，故不溶于水，但对油脂的乳化作用很强，油球分散很细，制成的乳剂不易破裂，常与其它乳化剂合用，以制备注射用乳剂。混合型 此类表面活性剂分子中带有两种亲水基团，一种带电，一种不带电。例如：醇醚硫酸盐 R(C2H4O)nSO4Na和乙氧基化季铵盐 Rn（CH3）N+（C2H4O）mX-。（其中X-代表阴离子，n+m=3。） 即是实例。 同一类型的表面活性剂随着亲水基和疏水基结构的不同性质亦有差异。因此，有时也按疏水基来分类。主要可以分为碳氢表面活性剂、碳氟表面活性剂和硅表面活性剂三大类。 碳氢表面活性剂以碳氢基团为疏水基。它的主要来源有： 脂肪酸 由三酸甘油酯水解得到，主要是饱和脂肪酸，也有一些不饱和的成分，最有用的是碳链长度为12-18碳原子的脂肪酸。 石蜡 来自原油。主要用碳原子数为1020的饱和碳氢化合物，通常混有分支异构体及芳烃。 烯烃 通常是由乙烯或丙烯齐聚或石油高分子馏分裂解得到的碳原子数为1020的烯烃，包括双键位于末端的烯烃和一般烯烃。 烷基苯 由烯烃和苯反应得到，通常烷基链长为812碳原子。碳链长度为8-18的醇可以由催化水解脂肪酸酯得到，也可以由乙烯齐聚体氧化得到。 烷基芳基 由酚与烯烃反应得到。通常是各种同系物和同分异构体的混合物。 聚氧丙烯 由环氧丙烷齐聚得到，主要用来与环氧乙烷一起制备聚合型表面活性剂。 碳氟表面活性剂以碳氟链为疏水基。制备途径有二，一是电解脂肪酸氟化物，使氟取代脂肪酸碳氢链上的氢，形成碳氟链化合物；二是由四氟乙烯聚合得到。 硅表面活性剂以硅氧烷链为疏水基；一般是二甲硅烷的聚合物。 表4-1示出表面活性剂的分类系统。表4-1 表面活性剂的分类系统64.2 表面活性剂的物理化学特性4.2.1 疏水效应表面活性剂的结构特征是具有一头亲水一头疏水的不对称结构。构成亲水部分的极性基可以与水分子发生强烈的吸引作用或形成氢键而显示很强的亲和力。所以，亲水基赋予表面活性剂一定的水溶性。亲水基极性越强则表面活性剂水溶性越佳。构成表面活性剂分子疏水部分的是非极性基团。它们与水分子之间只有范德华引力。这种作用力比水分子之间的相互作用弱得多，因而疏水基不能有效地取代水分子的近邻而形成疏水基与水分子的结合。这种分子相互作用的特性，在宏观上就表现为非极性化合物的水不溶性。相应地，表面活性剂的疏水基赋予表面活性剂分子水不溶性因子。当亲水基和疏水基配置适当时，所成化合物可适度溶解。处于溶解状态的此类溶质分子的疏水基存在于水环境中，必然隔断了周围水分子原有的氢键结构（参见图4-5a）。氢键破坏会导致体系能量上升，在恒压条件下表现为体系焓增加。由于降低体系的能量是天然过程，疏水基周围水分子可以通过从原来在纯水中的随机取向改为有利于形成氢键的取向，而形成尽可能多的氢键以降低体系的能量。于是在水溶液中的疏水基周围形成氢键网，或称为笼式结构7。图4-5b示出此种结构之一。水溶液中水分子在溶质疏水基周围形成的这种结构又称为疏水水化或疏水水合作用。此类水结构与冰的结构有相似之处，常称为冰山结构。虽然此种结构并不是固定不变的，而是活动的；其中氢键的强度也并不比纯水中的强，而且由于键长键角的变化往往弱于纯水中的氢键；但是，冰山结构形成使水的有序度增加，导致体系熵减少。不论焓增加还是熵减少都使体系自由能上升，其逆过程疏水基离开水环境则为焓降低、熵增加过程。在恒温恒压下体系自由焓因此而降低，这使疏水基离开水环境的过程得以自动进行。这就是疏水效应。水分子（b）(a)在表面活性剂水体系中，实现疏水基逃离水环境的途径有二：一是表面活性剂分子从溶液内部移至表面，形成定向吸附层以疏水基朝向气相，亲水基插入水中，满足疏水基逃离水环境的要求。这就是溶液表面的吸附作用。二是在溶液内部形成聚集体表面活性剂分子以疏水基结合在一起形成内核，以亲水基形成外层，形成胶团等多种类型的两亲分子有序组合体同样可以达到疏水基逃离水环境的要求。 图4-5 水溶液中疏水基周围水的笼式结构74.2.2 吸附作用1. 溶液表面吸附物质在界面上富集的现象叫做吸附。人们早就知道，木炭可以除臭，可以使溶液脱色。前一情况下，木炭把散布在空气中的臭气吸附到表面上使空气清新；后者则是木炭吸附溶解在溶剂中的有色物质而达到脱色的效果。这里涉及的分别是物质在固气界面和固液界面上的吸附。溶液和空气之间的界面-即溶液表面上，也存在吸附作用。它表现为物质在溶液表面的浓度与内部的不同。由于液体表面与体相之间存在物理的不可分离性，其吸附现象既难于观察又难于直接测量。英国著名胶体与表面化学家McBain和他的学生们1，用刀片从表面活性物质水溶液表面上飞快地刮下一薄层液体，收集起来分析其浓度，即著名的“刮皮实验”，结果证明表面层的浓度确实高于内部溶液浓度。由此可见，溶液与气相的交界处存在着一个浓度和性质与两体相不同的区域，这就是界面相。界面相一般只有几个分子的厚度，它的组成和性质都是不均匀的。图4-6示意出溶液表面附近的浓度分布。这种吸附现象还不限于溶液表面，在两种不相混溶的液体构成的液液界面上也有类似的现象。 图 4-6 各种组份在溶液表面附近浓度分布示意图 a 界面相 b 溶剂的浓度 c 表面活性剂的浓度 d 表面非活性物的浓度2. Gibbs吸附公式一百多年前(1875)，Gibbs从经典的吸附热力学研究得出著名的吸附公式，解决了溶液表面吸附研究的关键性问题吸附量测定，成为这一领域绝大部分研究工作的基础。Gibbs应用热力学方法得到溶液成分在溶液表面的浓度i与溶液表面张力随溶液各组分活度的变化率相关，其关系式可以写作- d = i d mI (4-4)其中mi 是i组分的化学势。这就是Gibbs吸附公式的原形。 根据热力学基本关系，上式可改写为 - d = i RT dln ai (4-5)及 Gi = -(1/RT) (d/dlnai)j (4-6)其中ai是i组分的活度, T为绝对温度, R为气体常数，(d/dlnai)j 中的下标j代表除I以外的其他组分。原则上说，溶液中某一组分i的吸附量可以应用式(4.6)自溶液表面张力测定结果计算得到。 对于由两个组份，即溶剂和一种非电解质溶质构成的体系。Gibbs吸附公式具体化为: -d = 1 RT dln a1 + 2 RT dln a2 (4-7)下标1和2分别指示溶剂和溶质。如果以两均匀体相间的全部过度区域为体系，根据Gibbs-Duhem公式，对于二组分溶液相，在恒温恒压下可以得到 -d = 2 - 1（x2/x1） RTdlna2 (4-8) 2(1) = 2 - 1 （x2/x1）= -(1/RT) (d/dlna2) (4-9) 其中x2和x1分别是溶质和溶剂的摩尔分数。对于一般的非离子表面活性剂，公式中的活度可以用浓度代替。此式说明，可以从溶液表面张力随浓度变化率测定结果计算出溶质的吸附量2(1) 。这样计算得到的吸附量的意义是单位面积表面相所含有的溶质量与单位面积表面相所含有的溶剂处于溶液中时所拥有的溶质量之差。它实际上是一种表面过剩量。但是对于表面活性剂溶液来说，由于溶液浓度比之表面浓度要小得多，这样得到的吸附量可以看作表面浓度而误差不大。对于一般表面活性物质则不能作这样的近似。对于离子型表面活性剂情况则复杂了。离子型表面活性剂水溶液中存在多种溶质成分：表面活性离子（R+或R-），反离子（A或M），还有与之相关的H OH以及可能存在的水解产物弱酸或弱碱分子。各种成分在溶液表面吸附特性不同，在应用Gibbs吸附公式求算吸附量时,须对体系做具体分析后采用适当的方法。最常用的离子型表面活性剂是表面活性离子和表面非活性离子都是一价的化合物。在不存在其他成分的情况下，Gibbs吸附公式写作G 2（1）= - 1/(2RT)dg/dlna2(4-10)若加入过量具有与表面活性离子有共同反离子的无机盐，或采取适当措施使体系在表面活性剂浓度变化时溶液离子强度和反离子浓度皆保持恒定，适用的Gibbs吸附公式仍然是公式（4-9）。 不难看出，吸附量2(1) 的符号可正可负，取决于表面张力随浓度的变化率d/dc2, d/dc2若为负值，即表面张力随浓度增加而降低，溶质发生正吸附；这时溶质在表面上的浓度比溶液内部的大。 各类表面活性剂和表面活性物质水溶液均属此类。 d/dc2若为正值，即表面张力随浓度增加而升高，则溶质发生负吸附，这时溶质在表面上的浓度比溶液内部的小，也就是说，此时表面上溶剂的含量更多。一般无机盐类和多元醇类化合物水溶液表面属于此类。本世纪30年代，McBain和他的学生们用刮皮法，后来又有人用起泡法、乳液法、放射性示踪法等多种方法直接测定界面区溶质的浓度来计算表面过剩量。所得结果与Gibbs公式计算结果相符很好，进一步证明了Gibbs公式的正确性。3. 吸附等温线物质是处于不断的运动之中的。吸附在溶液表面上的分子与处于溶液内部的分子也不断交换。在一定的表面浓度(即吸附量)和内部浓度间达到平衡。由于温度直接影响分子间的相互作用和分子的运动，因而对吸附平衡有明显影响。故通常在恒温条件下研究吸附随溶液浓度的变化关系, 所得结果表示为吸附等温线，即一定温度下的吸附量随溶液浓度变化的曲线。图4-7就是一个典型的例子。 图中十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液表面的吸附曲线是测定溶液表面张力后应用Gibbs 吸附公式计算得到的。点是用放射示踪法直接测定的。曲线表明，在低浓度时吸附量随浓度直线上升，然后上升速度逐步降低并趋向一极限值。此极限值通常称作极限吸附量或饱和吸附量。 42 2 4 6 8 C/mmoldm-3C12H25SO4Na (0.1mol/L NaCl) 25/10-10mol/cm2 图4-7十二烷基硫酸钠水溶液吸附的吸附等温线4. 吸附分子面积自吸附量可按下式算出平均每个吸附分子所占表面积a。 a = 1/N0 (4-11)自m则可算出饱和吸附时平均每个吸附分子所占面积am。 表4-2列出一些表面活性剂水溶液的极限吸附量m 和极限吸附分子面积a m。 表4-2 一些表面活性剂在水溶液表面的极限吸附量及极限分子面积6表面活性剂温度极限吸附量mol/m2极限分子面积nm2n-C10H21SO4Na272.90.57n-C12H25SO4Na253.30.50n- C16H33SO4Na603.30.509n- C10H21SO3Na253.220.52n- C14H29N(CH3)3Br302.70.62n- C14H29N(C3H7)3Br301.90.88n- C14H29N(C5H5)Br302.80.59n- C16H33N(CH3)3Br253.10.54n- C12H25O(C2H4O)6H253.70.45n- C12H25O(C2H4O)9H232.30.72n- C12H25O(C2H4O)12H231.90.875. 表面活性剂在溶液表面吸附的规律各类表面活性剂在溶液表面的吸附有如下规律: (1) 表面活性剂分子横截面积小者饱和吸附量较大。决定分子横截面积的可以是它的亲水基，也可以是它的疏水基，视在吸附层中定向排列时何者较大而定。不过，多数是水合亲水基的截面积起决定作用。聚氧乙烯类非离子表面活性剂的饱和吸附量通常随极性基聚合度增加而变小；溴化十四烷基三甲铵的饱和吸附量明显大于溴化十四烷基三丙铵的，都是亲水基变大使分子面积变大的结果。这时，极限吸附分子平均占有面积am体现表面活性剂极性基的大小。有的情况下， 疏水基的截面积大于亲水基的，则疏水基大小决定表面活性剂饱和吸附量。例如，具有分支的疏水基的表面活性剂的饱和吸附量一般小于同类型的直疏水链的。 (2) 其它因素可比时，非离子型表面活性剂的饱和吸附量大于离子型的。这是因为吸附的表面活性离子间存在同电性间的库伦斥力，使其吸附层较为疏松。 (3) 同系物的饱和吸附量差别不太大。一般的规律是随链长增长饱和吸附量有所增加，但疏水链过长(碳原子数16）往往得到相反的效果。 (4) 温度影响的规律是： 温度升高饱和吸附量减少。不过，在低浓度时非离子型表面活性剂的吸附量往往随温度上升而增加。这是吸附效率提高的结果。 (5) 加入无机电解质对离子型表面活性剂的吸附有明显的增强作用；对非离子型表面活性剂吸附影响不明显。因为只有在离子型表面活性剂溶液中，电解质浓度增加会导致更多的反离子与吸附层中的表面活性离子结合而削弱表面活性离子间的电性排斥，使吸附分子排列更紧密。 (6) 在两种或两种以上表面活性剂组成的混合溶液表面上，存在各表面活性成分的吸附，形成混合吸附膜。这时，吸附量和吸附分子平均占有面积可以按下法测定。保持各组分浓度比例不变，测定溶液表面张力随溶液浓度的变化曲线。由此得到表面张力随浓度的变化率d/dc，在应用公式（4-9）或(4-10)即可计算出该体系的表面总吸附量。根据总吸附量值，应用式(4-11)可算出吸附分子平均占有面积。对于表面活性剂同系物的混合体系，吸附量变化不大；而不同类型的表面活性剂混合体系的吸附量通常大于单一表面活性剂溶液的吸附量。其极限分子面积小于单一体系的数值。6. 吸附层的结构自吸附量可按式(4-11)算出相应浓度时溶液表面上每个吸附分子所占面积(a)。比较分子占有面积和分子的结构尺寸可推断吸附层中分子排列的情况。以十二烷基硫酸钠为例，25时0.5 mol/dm3 NaCl溶液表面吸附分子平均占有面积列于表4-3。 从分子结构来看，十二烷基硫酸离子呈棒状（图4-8），它的最大长度约2.1nm，宽度约0.470.5nm。由此估计分子平躺时应占有面积在 1nm2以上，直立则占有约0.25nm2。将此数据与表4.3所列数据对比，可以看出在溶液浓度较大时（3.210-5 mol/dm3），吸附分子已不可能都在表面上成平躺状态。而当浓度到达8.010-4mol/dm3时，吸附分子只能是相当紧密的直立定向排列。只有溶液浓度很稀的时候，溶液表面吸附的表面活性离子很少，才有可能采取较为平躺的方式存在于界面上。图 4-9是吸附的表面活性剂分子或离子可能的状态示意图。由此可见表面活性剂在溶液表面的饱和吸附层从结构上可分为伸入溶液中的极性基层和伸向气体的非极性基层。非离子表面活性剂吸附层的极性基层由极性基和水(大部为水化水)组成。聚氧乙烯链可能采取卷曲结构8(图4-10)以减少它的碳氢部分与水的接触而有利于体系能量降低。许多实验结果表明，卷曲的聚氧乙烯链可能采取不规则的形状和定向。表4-3 十二烷基硫酸钠在0.5mol/dm3 NaCl溶液表面吸附分子平均占有面积溶液浓度（mol/dm3)51.33215080200400800分子面积 (nm2)4.751.751.00.720.580.450.390.34 图4-8 C12H25SO4-离子 图4-9 吸附分子状态示意图 图4-10 聚氧乙烯链在水中的卷曲结构示意图8离子型表面活性剂吸附层的极性基层则以扩散双电层的形式存在。其机制是：表面活性离子因具有疏水效应而吸附于表面，形成定向排列的、带电的吸附层。离子型表面活性剂的反离子并无表面活性，不具有在表面上富集的能力。但是，由于表面活性离子吸附产生表面电场，在电场的作用下，反离子被吸引，一部分反离子与吸附的表面活性离子结合进入吸附层（固定层），另一部分以扩散形式分布，形成双电层结构（图4-11）。固定层扩散层 图4-11 离子型表面活性剂吸附层结构示意图 以上是从吸附量数据推断的吸附分子排列的状况，得出饱和吸附时成定向排列的论断。随着科学技术的发展，近二十年来已经有一些探测的方法可以提供吸附层结构的知识。1989年Lee等9应用中子反射技术研究了溴化十烷基三甲铵在空气/水界面上吸附膜的结构。他们的结果不仅表明在饱和吸附时吸附分子采取直立的定向排列，而且在很低浓度时，吸附层尚未达到饱和，吸附分子已经基本采取直立取向。 若比较吸附分子的极限面积和疏水基的截面积，可以看出前者总是大于后者，有时可以大很多。例如月桂醇三十聚氧乙烯醚的极限吸附平均分子面积为0.93nm2，而十二烷基的横截面积只有0.21nm2。由此可见，疏水基尺寸并不是决定极限吸附量的关键因素。实际上，是亲水基之间的排斥作用使吸附的表面活性剂分子保持一定的分子独占面积，从而形成极限吸附量。除了极性基固有的空间尺寸外，它们之间的排斥力的性质和强度也影响其独占面积的大小，因而也影响其极限吸附量。一般说来，离子型表面活性剂的极性基以库仑力互相排斥了；非离子型表面活性剂分子间不存在库仑斥力，而主要是水化斥力。所谓水化斥力是指两极性基的水化层靠近到一定程度产生的空间排斥作用。后者发生作用的距离一般小于库仑斥力。因此，具有同样疏水基和差不多大小的亲水基的非离子型表面活性剂分子的极限吸附量显著大于离子型表面活性剂。表面活性剂极限吸附分子面积是表面活性剂的重要特性，不仅关系其表面吸附特性及功能，而且与它在溶液中形成聚集体的结构和性能有关。7. 表面活性剂在液液界面上的吸附 液液界面是两种不相混溶的液体相接触而形成的物理界面。液液界面大量存在于生物体及自然界中，例如, 奶就是一种大家都熟悉的包含大量液液界面的体系。表面活性剂在液液界面的吸附及吸附膜对于生命现象、工业生产及日常生活均极为重要。 在油-水二相体系中，当表面活性剂分子处于界面上，将亲油基插入油中、亲水基留在水中时分子势能最低。根据Maxwell-Boltzmann分布定律，由于势能不同, 表面活性剂在界面上的浓度将高于在油相或水相中的浓度。因此，象在液体表面一样，表面活性剂也在使界面张力降低的同时在液液界面上吸附。应用Gibbs吸附公式自界面张力曲线得到界面吸附量也是研究液液界面吸附的通用方法。 液液界面吸附体系的共同特点是至少存在三个组分，即两个液相成分外加至少一种溶质。故应用Gibbs吸附公式于液液界面也就困难得多。 只有在下列三种情况下才能应用Gibbs吸附公式从d12/dln a3得到溶质在界面上的吸附： 第二液相无界面活性，即 2a = 0; 溶质及液体1在第二液相中完全不溶解，溶质与液体1在两相中的摩尔比相同，即x3o/x1o = x3w/x1w，其中上标o和w分别指示油相和相，下标1、2、3分别代表水、油和溶质 。 这时，Gibbs吸附公式的最简单形式写作 -d12 = 3(1) RT dln a3 (4-12)其中12为界面张力，a3为溶质活度。离子型表面活性剂在液液界面吸附时，也需要像在气液界面吸附那样考虑分子电离的影响，导出适用的吸附公式。/(10-10mol/cm2)液液界面吸附等温线的形式也与溶液表面上的相似。两者相比，表面活性剂在液液界面上吸附等温线有两个特点： 饱和吸附量比较小，例如，25时，C8H17SO4Na和C8H17N(CH3)3Br在空气/水溶液界面上的极限吸附量分别为3.310-10mol/cm2和2.810-10mol/cm2，而同样条件下，庚烷-水溶液界面上的极限吸附量则分别为2.610-10mol/cm2和 2.410-10mol/cm2。 在低浓度区吸附量随浓度增加上升的速度比较快。图4-12示出辛基硫酸钠在气液界面和液液界面的吸附等温线10，从中可清楚看出这些特点。 C/(mmol/L) 图4-12 辛基硫酸钠在气液界面和液液界面上的吸附等温线10液液界面上的吸附层的结构 像溶液表面吸附一样，从吸附量可以算出每个吸附分子平均占有界面面积a。由于界面吸附的极限吸附量比溶液表面上的小，相应的界面吸附分子的极限占有面积am便比在表面上的大。例如,C8H17SO4Na和C8H17N(CH3)3Br在空气/水溶液界面上吸附的极限面积分别为50和0.56nm2,而在庚烷-水溶液界面上的极限面积则为0.64和0.69nm2。由此可以看出油-水界面吸附膜比空气-水界面吸附膜更为扩张。这种现象是由于表面活性剂分子的疏水基与油相分子间的相互作用与疏水基间的相互作用具有非常相似的性质和接近的强度，而不象在空气-水界面上，气相分子既少又小，与表面活性剂疏水基间的相互作用非常微弱。于是，油-水界面吸附层中含有许多油相分子。它们插在表面活性剂疏水链之间，使吸附的表面活性剂分子平均占有面积变大，吸附分子间的凝聚力减弱。也正由于油相分子的吸引作用，在低浓度时液液界面上的吸附量随浓度上升较快。已有实验结果说明，吸附于液液界面的表面活性剂分子疏水链采取伸展的构象，并近于直立地存在于界面上。由此可见，油水界面表面活性剂吸附层的结构应如图4-13所示。吸附层由疏水基在油相、亲水基在水相，直立定向的表面活性剂分子和油分子、水分子组成。吸附的表面活性剂分子疏水基之间插入油分子，它的亲水基间则存在水分子。根据吸附分子平均占有面积和a0数据可知，在吸附层中油分子数多于吸附分子数。因此，吸附层的性质应该与油相分子性质有关。 已有结果表明，同样的表面活性剂在辛烷-水界面上的吸附层比在十六烷-水界面上的更为扩张。这可归之于较小碳链的油分子更容易进入吸附层的结果。 图4-1 表面活性剂在油-水界面吸附层的结构114.2.3 表面活性剂在溶液中的聚集体1. 两亲分子有序组合体英国胶体化学家McBain 和他的学生们在研究肥皂、烷基季铵盐、硫酸盐等一类化合物的溶液性质时首先发现这类体系的许多物理化学性质都在同一个狭窄的浓度范围内显示突变12。图4-14是这种现象的示意图。他们所研究的物质实际上就是离子型表面活性剂。根据这类物质的反常性质，McBain等提出胶团假说，即，此类物质在溶液中，当浓度超过一定值时，会从单体(分子或离子)自动缔合形成胶体大小也就是纳米尺度的聚集体。由于这种胶体粒子是由溶解了的物质自动缔合形成的，故称为缔合胶体。McBain给这种聚集体定名为Micelle，即胶团（也有人将之译作胶束）。带有胶团的液体叫做胶团溶液。此类溶液的性质发生突变时的浓度，称为临界胶团浓度(Critical Micelle Concentration，简称cmc)。此过程称为胶团化作用。McBain等指明胶团化作用具有如下特性：1 是自发过程；2胶团是由溶质单体聚集而成的聚集体；3胶团溶液是热力学平衡体系，处于胶团中的溶质与溶液中的单体成平衡。与一般胶体溶液不同，此类体系具有热力学稳定性；4 胶团内核为疏水微区，具有溶解油的能力。 图4-14 表面活性剂水溶液的一些物理化学性质八十年来的科学实践不仅证明了McBain的胶团假说，而且从理论和应用两方面大大发展了胶团假说。人们发现这种聚集作用可以形成多种多样的缔合结构，包括各种形态的胶团、囊泡、液晶、微乳(图 4-15 )。 图4-15 表面活性剂溶液中的聚集体形成这种结构的体系也不限于胶体电解质，它是各种离子型和非离子型的表面活性剂溶液之共同特性。这些聚集结构形态各异，有各式各样独特的性质和功能。但是，又都有一个共同的特点，即都是由表面活性剂分子或离子以其极性基向着水、非极性基远离水并聚集在一起形成的。从另一个角度可以将这类聚集体看作两亲分子定向排列的单分子层以不同的方式闭合和组合的结果。缔合在一起的非极性基团在水溶液中形成非极性微区。因此，可以将这些聚集结构概括为有序组合体，这类溶液称为有序溶液13。此类有序组合体为不同极性的分子相互接触提供了独特的空间，从而改变这些物质的化学反应特性。有序组合体在尺度上的一个重要特点是它们至少有一维是纳米级大小。如此大小的分子聚集体，可以为形成具有“量子尺寸效应”14,15 的超细微粒提供合适的场所与条件。此类聚集体本身也可能有类似的量子尺寸效应而表现出与大块物质迥异的特性。因此，有序溶液领域引起广泛的兴趣，已成为物理、化学、生物三大基础学科共同瞩目的领域16,17。2. 胶团的结构胶团的基本结构分为两大部分：内核和外层(图4-16)。在水溶液中，胶团的内核由彼此结合的疏水基构成，形成胶团水溶液中的非极性微区。胶团内核与溶液之间为由水化的表面活性剂极性基构成的外层。胶团内核与液态烃相似8。认为胶团内部是液态的根据是：胶团与单体之间的平衡非常快；胶团对于不同结构的疏水分子都有良好的溶解能力。后来又发现胶团的热容和压缩性与液烃相似，这是胶团内核为液态的又一证明。此外，表面活性剂溶液的偏摩尔体积的测定还表明，胶团中的碳氢链比一般液态烃的碳氢链还要松散一些。这更加说明了胶团内核的液态性质。胶团的外层是指胶团内核与水溶液之间的区域，主要是由水化的表面活性剂亲水基构成的。离子型表面活性剂胶团的外层包括由表面活性离子的带电基团和通过电性吸引与之结合的反离子及水化水组成的（图4-16a）。例如，烷基硫酸盐表面活性剂胶团的外层不仅有硫酸根离子，而且有与之结合的Na+等反离子；