醫(yī)藥配方中的zeta電位

醫(yī)藥配方中的zeta電位

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1、醫(yī)藥配方中的ZETA電位CliveWashington,英國諾丁頓大學(xué)藥學(xué)系盡管粒度專家技師們對(duì)顆粒的尺寸和測量很熟悉,但是zeta電位的概念很少得到廣泛的理解和應(yīng)用。這很遺憾,因?yàn)樗跊Q定顆粒材料的特性中與粒度測量一樣至關(guān)重要,特別是對(duì)那些小于微米的膠體顆粒。Zeta電位與顆粒表面的電荷有關(guān),并影響膠體材料的許多特性,例如穩(wěn)定性、與電解質(zhì)的相互作用和懸浮液的流變性。什么是zeta電位?當(dāng)顆粒浸入一種液體時(shí),很多原因會(huì)引起顆粒的表面帶上電荷。一些最常見的帶電機(jī)理包括:顆粒表面吸附帶電的表面活性劑(如在由離子型表面活性劑穩(wěn)定的乳化液中),固體晶格失去離子(在照相感光乳劑

2、中使用的銀色鹵化物顆粒)和表面基團(tuán)的離子化(聚合物微球中的羧酸鹽)。這些過程產(chǎn)生的表面電荷密度,用庫倫/平方米表示,這是表達(dá)表面電荷的基本方法。電荷不能直接測得,只能通過顆粒產(chǎn)生的電場來測量。因此表面電荷通常由顆粒的表面電位來描述,而不是電荷密度,盡管他們通??梢韵嗷Q算。與表面電位不同,Zeta電位是距離顆粒表面一定距離處的電位。在最簡單的近似計(jì)算中,電位的衰減與顆粒表面距離呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。(見圖1)如我們所見,衰減率取決于電解質(zhì)溶液的組成。如何測量zeta電位?到目前為止,我們還沒有對(duì)zeta電位進(jìn)行定義,為此我們需要理解它的基本測量方法——電泳。對(duì)許多熟悉利用此

3、法進(jìn)行高分子分離的人來說,顆粒電泳也是一個(gè)類似現(xiàn)象。懸浮于介質(zhì)中的顆粒被置于一電場中;如果帶電他們會(huì)在電場產(chǎn)生流動(dòng),陽性顆粒朝負(fù)極流動(dòng),陰性顆粒朝正極流動(dòng)。然而,顆粒并不是獨(dú)自流動(dòng),他們周圍會(huì)攜帶一薄層離子和溶劑。這一分離固定媒介與移動(dòng)顆粒及其攜帶的離子和溶劑的界面叫做流體剪切面,而zeta電位正是這一界面的電位。因此zeta電位可以通過測量顆粒在已知電場中的流速來測定。早期的測量儀器(Rank微電泳儀)通過充滿誤差,慢速度的手動(dòng)方法觀察顆粒。幸運(yùn)地是我們現(xiàn)在有了一系列的利用移動(dòng)顆粒中的散射光多普勒位移測量此速率的新儀器—Zetasizer系列?,F(xiàn)代信號(hào)復(fù)元技術(shù)能夠可

4、靠的測量顆粒移動(dòng)中的微小變化(在1015赫茲中僅僅幾十赫茲),并自動(dòng)計(jì)算樣品中zeta電位的分布。大多數(shù)系統(tǒng)在水介質(zhì)中的這一值在±100mV范圍內(nèi)。圖1圖2Zeta電位與電解質(zhì)Zeta電位的主要用途之一就是研究膠體與電解質(zhì)的相互作用。由于許多膠質(zhì),特別是那些通過離子表面活性劑達(dá)到穩(wěn)定的膠質(zhì)是帶電的,它們以復(fù)雜的方式與電解質(zhì)產(chǎn)生作用。與它表面電荷極性相反的電荷離子(抗衡離子)會(huì)與之吸附,而同樣電荷的離子(共離子)會(huì)被排斥。因此,表面附近的離子濃度與溶液中與表面有一定距離的主體濃度是不同的。(如圖2所示)??拷砻娴目购怆x子的積聚屏蔽了表面電荷,因而降低了zeta電位。離

5、子可以根據(jù)他們與液體表面的相互作用簡單的分為三類:非選擇離子是指那些僅通過純粹的靜電方式被吸附在表面的離子,是一個(gè)非特定吸附的過程。如果我們通過這類離子的濃度函數(shù)測量膠質(zhì)的zeta電位,會(huì)發(fā)現(xiàn)離子的屏蔽效應(yīng)逐漸降低了zeta電位(非表面電位),這條漸近線在高電解質(zhì)濃度時(shí)趨于零(圖3a)。圖3特定吸附離子與表面產(chǎn)生化學(xué)相互作用,例如與表面基團(tuán)絡(luò)合。由于他們的濃度增加,從而屏蔽了zeta電位,但是由于離子濃度的增加,表面的化學(xué)鍵合(與靜電截然不同)引起了大量的離子吸附于原來的顆粒使電荷產(chǎn)生中和并發(fā)生逆轉(zhuǎn)。(見圖3b)在這樣的體系中,我們看到在電荷逆轉(zhuǎn)前在某一特定的電解質(zhì)濃

6、度中有一個(gè)零電荷點(diǎn)(PZC)。電位決定離子(PDI)是特定吸附粒子的特例;這一術(shù)語通常專指那些在任何過程中引起顆粒帶電的離子。例如,大多數(shù)聚合體微球帶電是因?yàn)樗鼈儽砻嬗恤人猁};這些基團(tuán)的離子化導(dǎo)致其帶電,所以H+是這一表面的PDI。同樣,Ag+和I-是碘化銀顆粒的PDI。特定吸附離子和電位決定離子的區(qū)別經(jīng)常會(huì)被混淆,特別是在那些沒有完全理解其表面化學(xué)的體系中。膠質(zhì)現(xiàn)象的主要應(yīng)用領(lǐng)域是了解穩(wěn)定性和絮凝效果。這些現(xiàn)象最簡單的模型直接由圖3產(chǎn)生,這就是DLVO理論(Deryaguin-Landau-Verwey-Overbeek)。這一理論簡單的說明了膠體的穩(wěn)定性是由范德華

7、吸引力和表面電荷電斥力達(dá)到平衡來實(shí)現(xiàn)的。如果zeta電位降到某一水平之下,膠體會(huì)由于吸引力而聚合。相反的,高zeta卻保持了穩(wěn)定的體系。電斥力和范德華力正好達(dá)到平衡時(shí)的電解濃度稱為臨界絮凝濃度或CFC(見圖4)。非選擇離子引起了zeta電位在高濃度時(shí)的連續(xù)下降,所以我們看到一個(gè)單獨(dú)的CFC,膠體在更高濃度的電解質(zhì)中也都凝聚。相反,特定吸附離子引起的電荷逆轉(zhuǎn)足夠使膠體重新穩(wěn)定。在這種情況下,我們可以看到一個(gè)高位和低位的CFC,它們之間有一個(gè)不穩(wěn)定的區(qū)域。圖4研究zeta電位前述的討論向我們證明了zeta電位在特定體系中的測量取決于表面的化學(xué)性質(zhì)和與周圍

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