兩性離子表面活性劑(簡(jiǎn)寫為ZS)是指分子結(jié)構(gòu)中同時(shí)含有陽(yáng)離子親水基團(tuán)和陰離子親水基團(tuán)的表面活性劑。有關(guān)這類表面活性劑的報(bào)道始見(jiàn)于1937年的美國(guó)專利,1940年美國(guó)杜邦公司首次報(bào)道了甜菜堿型ZS的研制,1948年德國(guó)的Adolf等報(bào)道了氨基酸類ZS抗電解質(zhì)的性能及其在外科殺菌等方面的應(yīng)用。50年代后,各國(guó)對(duì)ZS的研究日漸重視,其原因是ZS不僅具有普通表面活性劑的性能,而且還具有許多獨(dú)特的性質(zhì),尤其是其低毒性和對(duì)皮膚及眼睛的低刺激性,良好的生物降解性,基本上無(wú)公害和污染以及耐硬水及高濃度電解質(zhì)性,可吸附在物質(zhì)界面,而又不生成憎水薄層等許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),使其成為人們倍感興趣的產(chǎn)品。但是,由于以前ZS在制備方法上有一定難度,成本較高,使其研究和應(yīng)用受到限制。近年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,ZS的生產(chǎn)成本在不斷降低,尤其是人們對(duì)溫和型日化產(chǎn)品以及環(huán)境保護(hù)的要求日益高漲,加之ZS還在許多領(lǐng)域有著特殊應(yīng)用,特別在分析檢測(cè)中的應(yīng)用。因此它在分析化學(xué)中的研究與開發(fā)成為新的熱門課題,不僅其產(chǎn)量顯著增大,而且品種也在迅速增多,已成為近年來(lái)發(fā)展最快的一類表面活性劑,年增長(zhǎng)率6%～8%,超過(guò)了陰離子型(年增長(zhǎng)率2%～3%)､非離子型(年增長(zhǎng)率4%～6%)和陽(yáng)離子型表面活性劑(年增長(zhǎng)率～5%)。
由于ZS分子具有與眾不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),所以除了將其作為一般表面活性劑應(yīng)用外,還在許多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用,如在分析檢測(cè)中的應(yīng)用。在分析化學(xué)中應(yīng)用則是近年來(lái)的新發(fā)展,尤其在色譜分離技術(shù)､毛細(xì)管電泳等領(lǐng)域已取得了令人驚喜的效果。作者著重介紹ZS在分析檢測(cè)中的部分應(yīng)用。
1 ZS的特性——pH依賴性
根據(jù)ZS的兩性特征對(duì)介質(zhì)pH的依賴程度,將其分為pH敏感型和不敏感型。前者在溶液中存在等電點(diǎn)(pI),若ZS分子的陽(yáng)離子基團(tuán)和陰離子基團(tuán)均對(duì)pH敏感,有3種存在形式,如氨基酸類衍生物(RN+H2CH2COO-)在介質(zhì)的pH
ZS的pI值主要取決于負(fù)電荷中心載體的酸性解離常數(shù)pKa和正電荷中心載體的堿性解離常數(shù)pKb:pI=(pKa+pKb)/2。若pI<7時(shí),表明其負(fù)電荷中心的解離強(qiáng)度大于正電荷的解離強(qiáng)度,需要外界提供質(zhì)子來(lái)抑制負(fù)電荷中心的解離,使正､負(fù)電荷中心維持平衡;反之亦然。此外,ZS的pI值與其疏水鏈長(zhǎng)度也有一定關(guān)系,一般pI隨碳原子數(shù)增多稍有增大,如表1所示。
2 ZS在分析檢測(cè)中的應(yīng)用
2.1 在色譜分離技術(shù)中的應(yīng)用
近年來(lái),ZS被大量地用于色譜分離技術(shù)中。起初作為固定相,即把ZS以半膠束的形式吸附到用十八烷基硅(ODS)填充的分離柱中,其機(jī)理可用二元雙電層理論(EDL)和瞬時(shí)離子對(duì)(TIPs)理論來(lái)解釋。對(duì)于一個(gè)用電解質(zhì)洗提劑處理過(guò)的ZS固定相,會(huì)形成一個(gè)EDL。以磺基甜菜堿為例,洗提劑中的陽(yáng)離子在ZS帶負(fù)電荷的磺酸基周圍形成二元EDL,而其中的陰離子則在ZS帶正電的季銨鹽周圍形成二元EDL,且磺基在分子末端,離ODS的表面最遠(yuǎn),結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在這種EDL里,陰離子和陽(yáng)離子以等摩爾比存在,當(dāng)把樣品注射到二元雙電層的固定相中,樣品中的陽(yáng)離子將不會(huì)停留,因?yàn)樗鼈儗⑹艿轿挥诙p電層上半部分陽(yáng)離子層的排斥作用。相反,被檢測(cè)的陰離子將進(jìn)入二元雙電層中而停留,這樣陰離子就能得到分離。此現(xiàn)象也可進(jìn)一步用離子對(duì)的概念來(lái)解釋,此理論由Bjerrum在1926年首先提出,當(dāng)時(shí)是表述電解質(zhì)溶液中陰､陽(yáng)離子的相互作用。現(xiàn)有人可將其用來(lái)解釋雙電層中離子的相互作用,即樣品中的陰離子能進(jìn)入陽(yáng)離子-EDL的外層中,促成中性離子對(duì)的形成,但同時(shí)也受到陰離子-EDL的斥力,這樣趨向與陽(yáng)離子-EDL形成離子對(duì)的陰離子有較長(zhǎng)的停留時(shí)間,而那些不易形成離子對(duì)的離子將有較短的停留時(shí)間而先流出。形成離子對(duì)的平衡常數(shù)K可用來(lái)估計(jì)樣品中陽(yáng)離子的停留時(shí)間,如圖2所示。
Hu等人的研究結(jié)果表明,用稀釋的電解質(zhì)作洗提劑,用甜菜堿型ZS作固定相能達(dá)到很好的分離陰離子的效果。若增大ZS兩荷電基團(tuán)之間的烷基鏈長(zhǎng)度,使兩荷電基之間的距離增大,那么用這類ZS作固定相,由于極性離子的結(jié)合度要小一些,所以相對(duì)于用一般的作固定相的ZS分離速度要快,并且對(duì)極性離子的選擇性高､分離效果好。此種方法已大量應(yīng)用于海水中I-的分離測(cè)定。
對(duì)于一般的ZS,若以水作流動(dòng)相,既能分離陽(yáng)離子,又能分離陰離子,但如果以電解質(zhì)作流動(dòng)相,不同的表面活性劑可分離電性相反的離子。如果用C12H25N+(CH3)2(CH2)3SO-3作固定相,以Na2SO4作流動(dòng)相,只可分離陰離子,而不能分離陽(yáng)離子;若用十二烷基膽堿磷脂(C17H38NO4P)作固定相,以KSCN作流動(dòng)相,則只可分離陽(yáng)離子。若以四硼酸鈉作洗提離子,檢測(cè)離子的停留時(shí)間可通過(guò)改變洗提離子的濃度來(lái)控制,此法靈敏度高,已被應(yīng)用于雪和雨水中陰離子的檢測(cè)。
隨著色譜技術(shù)在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用,甜菜堿型ZS又被作為流動(dòng)相使用,即把ZS溶解于電解質(zhì)溶液中,此流動(dòng)相能快速洗提含蛋白質(zhì)的生物樣品。對(duì)生物樣品來(lái)說(shuō),不能直接注入色譜柱中,因其中所含的Cl-將引起其他分析離子峰的重疊,蛋白質(zhì)也將吸附在固定相上,從而縮短分離柱的使用壽命。以前都是采用預(yù)處理的辦法將這兩種物質(zhì)除去,但預(yù)處理過(guò)程耗時(shí),使體系不穩(wěn)定,甚至有時(shí)由于氧化或還原改變其他物質(zhì)的性質(zhì),且預(yù)處理過(guò)程所用的物質(zhì)將污染體系,增加分析誤差。而用ZS作流動(dòng)相能克服上述缺點(diǎn),在此流動(dòng)相中的ZS主要有兩方面的作用:①它能保持固定相中的ZS數(shù)量恒定,從而增加被分析離子停留時(shí)間的穩(wěn)定性;②兩性膠束能通過(guò)除去蛋白質(zhì)中的洗提劑而達(dá)到清洗分離柱的效果,延長(zhǎng)了分離柱的使用壽命。此法已成功應(yīng)用于尿液和血清樣中許多陰離子的檢測(cè)。
膠束電動(dòng)色譜(MEKC)是以表面活性劑形成的膠束作為固定相,根據(jù)溶質(zhì)分子在膠束準(zhǔn)固定相和水溶液相間的分配差異達(dá)到分離目的。使用MEKC不僅可分離離子樣品而且可分離中性溶質(zhì)。ZS在MEKC中一般作為調(diào)節(jié)劑或在混合膠束中應(yīng)用,ZS與其他類表面活性劑相比,選擇性差異較大。Greve采用一種帶有胺基和磺酸基的ZS在其cmc附近使多種小肽得到很好分離。NassQ等把ZS同硫酸和陰離子表面活性劑混合作緩沖劑,通過(guò)提高電滲流和產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的膠束電泳流的方法,達(dá)到延長(zhǎng)遷移時(shí)間的效果,此法已成功地用于各種非法毒品的分析檢測(cè)中,其不僅能很好地分離主要成分鴉片,對(duì)于海洛因中的一些中性和酸性的摻雜物質(zhì)也能在酸性條件下很好地分離出來(lái)。
2.2 在毛細(xì)管電泳中的應(yīng)用
毛細(xì)管電泳(CE)是近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種分離技術(shù),其應(yīng)用范圍十分廣泛,并且分辨率高,速度快。在毛細(xì)管電泳技術(shù)中,電滲流的控制和管壁化學(xué)是許多分離的關(guān)鍵。近年來(lái),蛋白質(zhì)的分離技術(shù)對(duì)毛細(xì)管的管壁提出了新的挑戰(zhàn),因?yàn)榈鞍踪|(zhì)會(huì)吸附到管壁,從而導(dǎo)致分離效果差,蛋白質(zhì)回收率低,遷移時(shí)間可重現(xiàn)性差等缺點(diǎn)。由此也發(fā)展了許多方法來(lái)克服上述缺點(diǎn),其中一種方法就在毛細(xì)管管壁上加涂層。Cunico等人通過(guò)改性劑使毛細(xì)管柱內(nèi)壁帶正電荷,電滲流由通常的正極到負(fù)極方向變?yōu)樨?fù)極到正極方向,從而減少了蛋白質(zhì)在毛細(xì)管內(nèi)壁的吸附,提高分離度。LiW等采用線性聚丙烯酰胺靜態(tài)涂柱法研究了PEG修飾血紅蛋白的毛細(xì)管電泳行為。這些靜態(tài)涂層雖然取得了一定的效果,但是加這些涂層往往很繁雜且耗時(shí),于是后來(lái)發(fā)展了動(dòng)態(tài)涂層。如用低濃度的兩性表面活性劑CASU (RCONH CH2CH2N+(CH3)2CH2CH(OH)CH2S0-3,R=C8-C18)動(dòng)態(tài)涂層分離陽(yáng)離子蛋白質(zhì)產(chǎn)生了很好的效果,它能在較大范圍內(nèi)壓縮電滲流,其機(jī)理可用半膠束模型來(lái)解釋,如圖3所示。
即ZS以半膠束的形式吸附到毛細(xì)管管壁上,半膠束表面的定域電荷密度是頭基電子間排斥和吸引的結(jié)果。硅烷醇雖仍能存在于管壁上,但卻由于被吸附的表面活性劑而使之與體相溶液隔離。電滲流是由陽(yáng)離子同硅烷醇的締合體遷移所引起的,所以ZS的存在使這些陽(yáng)離子在管壁遷移須通過(guò)一有序且具有黏性的介質(zhì),從而使電滲流大大降低。但這種CASU涂層的唯一缺點(diǎn)是壓縮的電滲流不能使陰､陽(yáng)離子蛋白質(zhì)產(chǎn)生自發(fā)分離。改進(jìn)方法是在流動(dòng)涂層中加入合適物質(zhì)。如Boryla等用5mmol/LKClO4和1mmol/LCASU配制緩沖劑作動(dòng)態(tài)涂層,使陰､陽(yáng)離子蛋白質(zhì)產(chǎn)生了很好的分離,即ClO-4的加入產(chǎn)生了一很強(qiáng)的陰極電滲流,使陰､陽(yáng)離子蛋白質(zhì)同時(shí)快速分離。所以用兩性表面活性劑CASU作動(dòng)態(tài)涂層,既能有效防止蛋白質(zhì)吸附又能壓縮電滲流,是一種理想的毛細(xì)管涂層。此外Bullock等還用相對(duì)分子質(zhì)量大的聚氧乙烯動(dòng)態(tài)涂層的毛細(xì)管電泳法研究了PEG5000-SOD的修飾度分布。
另外,還可同時(shí)應(yīng)用動(dòng)態(tài)和靜態(tài)涂層來(lái)分離蛋白質(zhì),如Masanobu等用ZS(CH3(CH2)13N+(CH3)2 (CH2) 3SO-3)作動(dòng)態(tài)涂層,C8相毛細(xì)管來(lái)分離卵白素及其相關(guān)的化合物,效果非常好。在分離過(guò)程中,ZS的烷基部分被認(rèn)為位于涂在管壁的C8相的辛基上,親水部分伸向溶液,而兩性離子則位于毛細(xì)管涂層的表面,因而此種表面活性劑既能壓縮EOF又能阻止蛋白質(zhì)和管壁的相互作用,是一種理想的動(dòng)態(tài)涂層。
隨著分離技術(shù)的提高,單鏈的表面活性劑已經(jīng)不能滿足需要,于是出現(xiàn)了雙鏈的混合表面活性劑形成的一種半持久的涂層。KenK -C Yeung等已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變兩性表面活性劑和陽(yáng)離子表面活性劑的比例,可以很好地調(diào)節(jié)電滲流,ZS所帶的正電荷為零,這樣當(dāng)兩者混合時(shí)可以稀釋管壁上的正電荷,通過(guò)改變兩者的比例,使電滲流的強(qiáng)度從完全的反相到零變化,這種控制反相電滲流的方法可以提高分離度。此外對(duì)于單鏈的表面活性劑,要得到穩(wěn)定的電滲流需要表面活性劑的濃度到達(dá)cmc以上,這樣緩沖液中的膠束將和陰離子發(fā)生相互作用,從而影響分離。而對(duì)于雙鏈的表面活性劑來(lái)說(shuō),由于其有兩個(gè)疏水的尾巴,更易形成圓柱狀的分子幾何結(jié)構(gòu),這樣ZS單體就在管壁上聚集形成平坦的雙層結(jié)構(gòu),更均勻的涂層和更大的表面覆蓋率提高了管壁涂層的穩(wěn)定性,同時(shí)多余的表面活性劑也能在分離之前從緩沖液中除去。這是一種分離多種離子復(fù)雜體系的一種比較好的方法。
在毛細(xì)管區(qū)帶電泳(CZE)中,ZS也得到了廣泛的應(yīng)用。海水中微量離子的分離一直是比較難以解決的問(wèn)題,C.Tu等在背景電解液中加入ZS,其可以選擇性地與陰離子作用,而這種相互作用又能使陰離子間的流動(dòng)差異加大,選擇性的控制被分析陰離子的流動(dòng),這樣檢測(cè)的靈敏度得到了提高,海水中一些微量的離子也能很好地分離出來(lái)。
3 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述,兩性表面活性劑由于具有特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),在分析化學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著生物分離技術(shù)的提高,許多樣品的分離提純都要借助兩性表面活性劑。通過(guò)選擇合適的表面活性劑,可以分離更多復(fù)雜的體系。相信兩性表面活性劑在分析檢測(cè)中將有更廣闊的應(yīng)用前景。
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