Wilhelmy吊片法測定磷脂溶液的表面張力等溫線

李遠非，楊訓方，王桂玲，郭瑩，王煦，李馨儒，周艷霞，謝英

北京大學藥學院，北京 100191

隨著藥劑學新技術的發展，新型藥物遞送系統如脂質體(Liposomes)[1]、脂質乳(Lipid emulsions，LE)[2]、膠束(Micelles)[3]以及脂質納米粒(Lipid nanoparticles，LNPs)[4]等，在解決藥物溶解度、保護藥物穩定性、實現靶向遞送以及提高藥物治療指數等方面具有顯著的優勢。在這些藥物遞送系統中，磷脂作為重要的組成部分起到了關鍵作用。其不僅可通過自組裝形成穩定的類細胞膜結構囊泡用以裝載藥物[1,3]，還可作為表面活性劑降低納米粒與水之間的界面張力[2,4]，從而起到穩定納米粒的作用。

磷脂作為雙親性分子，是一種有代表性的表面活性劑。磷酸甘油酯(phosphoglycerides，PG)是磷脂的主要存在形式[5]，其分子包含一個親水極性頭部和兩個疏水尾部，甘油骨架上1和2位羥基被脂肪酸酯化，3位羥基被連有其他基團的磷酸基酯化(如圖1所示)。磷脂的表面活性與疏水脂肪酸的種類和親水端磷脂酸的極性有關，通常以芘探針法測定臨界膠束濃度表征其表面活性[6]。隨著界面張力儀的應用開發，采用Wilhelmy吊片法[7]測定磷脂溶液的表面張力等溫線能夠獲得更多的分子性質信息，如表面超量、臨界膠束濃度以及分子橫截面積等，這對于選擇磷脂種類、設計新型磷脂分子構建新型藥物遞送系統具有一定的指導意義。

圖1 磷脂種類和分子結構

在目前的藥學本科實驗教學中，關于表面性質的教學內容主要采用最大泡壓法測定乙酸的表面張力等溫線[8]。該實驗研究體系簡單、測定方法單一，不能滿足現代教學要求。隨著新型表面活性劑的出現和科學測量儀器的進步，及時更新教學內容，使學生掌握先進的實驗技術和數據處理方法，對于提升學生的實驗興趣，提高實驗教學質量，培養藥學創新人才具有重要意義。本文采用界面張力儀研究磷脂溶液的表面性質，不僅能為磷脂的選擇應用提供參考信息，還對于其他表面活性劑的評價具有一定的借鑒價值。

1 實驗目的

(1) 使學生掌握界面張力儀的操作原理和使用方法；

(2) 學會數據處理，繪制表面張力等溫線，并計算磷脂的表面超量和分子橫截面積。

2 表面張力測量原理

Wilhelmy吊片法[7]測定液氣界面張力是基于垂直懸浮在界面中的鉑片上的拉力、表面張力、重力和浮力之間的平衡作用(如圖2所示)：

圖2 Wilhelmy吊片法測量原理示意圖

式中L為鉑片與液面接觸的周長，約為鉑片寬度的2倍；θ為接觸角，因鉑片經過特殊處理，接觸角θ → 0，故cosθ ≈ 1；d為鉑片浸入液面的深度，實驗過程中先將鉑片浸沒于溶液中，然后提升至浸沒深度d = 0時保持靜止，進行測量。

因此，測量拉力F與表面張力σ的關系式為：

測量過程中，首先將鉑金片安裝在界面張力儀上，歸零，即F = mg，此時，σ = 0；當鉑金片浸入樣品溶液后，界面張力儀測得F，經過儀器內算法的換算，溶液的表面張力可在界面張力儀中直接讀出。

3 實驗方法

3.1 儀器和材料

二硬脂酰基磷脂酰膽堿(DSPC，MW= 790 Da，S01005，日本精化)和二棕櫚酰基磷脂酰膽堿(DPPC，MW= 733 Da，S01004，日本丘比) (上海艾偉拓醫藥科技有限公司)；氯仿、無水乙醇(北京市通廣精細化工公司)；樣品槽(C5227-60 mm，表面積S = 2.826 × 10-3m2，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，超純水系統(Synergy，法國密理博)；表面張力儀(Sigam703D，Biolin Scientific AB，瑞典)。

3.2 樣品溶液配制

分別準確稱量DSPC和DPPC，以氯仿為溶劑配制2.0 mg?mL?1的DSPC和DPPC溶液。

3.3 溶液表面張力的測定

① 室溫(25 °C)下，將界面張力儀在空氣中調零，向樣品槽中加入40 mL超純水，升高樣品臺，使鉑金板浸入液面以下3 mm左右，然后緩慢降低樣品臺直到鉑金片下沿恰好與液面持平，待儀器示數穩定，記錄數值，為水的表面張力；

② 用10 μL微量進樣器在鉑金片附近水氣界面上加入1 μL樣品溶液(如圖3所示)，待儀器示數穩定，記錄溶液的表面張力數值；

圖3 磷脂溶液動態表面張力測定示意圖

③ 重復步驟②，繼續在同樣位置加入1 μL樣品溶液，記錄溶液表面張力；直至隨加入樣品量增加，溶液表面張力不再顯著降低，實驗結束。

④ 下降樣品臺，輕輕取下鉑金板，用乙醇清洗后再用酒精燈燒結處理后備用。用蒸餾水清洗樣品槽3次，加入超純水，重復步驟①、②、③，測定下一個樣品溶液。

3.4 數據處理

① 記錄加樣體積對應的表面張力；

② 采用OriginPro 2019b軟件繪制樣品溶液的表面張力–加樣量(σ–m)曲線；

③ 在σ–m曲線表面張力快速下降區和穩定區分別做線性關系擬合，解二元一次方程組求同解，得到磷脂溶液的最低表面張力σmin和飽和吸附質量mmax(μg)；

④ 根據下式求算飽和吸附量Γm(mol?m?2)，以及估測磷脂分子橫截面積A (m2)。

其中MDSPC= 790 g?mol?1，MDPPC= 733 g?mol?1，S = 2.826 × 10-3m2。并通過式(4)計算磷脂分子的截面積。

其中LA= 6.02 × 1023mol?1。

4 結果和討論

4.1 DSPC和DPPC的表面張力等溫線

DSPC與DPPC在結構上具有相同的親水基頭部，僅DPPC中兩條疏水基烴鏈較DSPC少2個亞甲基(分子結構如圖4A所示)。以氯仿為溶劑，2.0 mg?mL?1的DSPC或DPPC持續加入至水中均造成溶液表面張力的迅速下降(如圖4B、C所示)，符合表面活性劑的表面張力曲線特征。

圖4 (A) DSPC和DPPC的分子結構；(B) DSPC溶液表面張力等溫線；(C) DPPC溶液表面張力等溫線

4.2 DSPC和DPPC的表面性質

根據DSPC和DPPC溶液表面張力等溫線，計算得到兩種磷脂的表面性質參數，如飽和吸附質量mmax、飽和吸附量為Γm和分子橫截面積A，如表1所示。

表1 DSPC和DPPC的表面性質參數

從結果可見，與DSPC比較，DPPC飽和吸附量Γm較高，分子橫截面積較小，與其分子結構相符合。DPPC分子橫截面積與Chaban V[9]采用計算模擬測得的結果相一致，說明測定方法具有一定的可靠性。

5 實驗拓展建議

磷脂在水溶液中的溶解度較低，易溶解在氯仿、乙醇等有機溶劑中[5]。采用界面張力儀測定磷脂水溶液的表面張力，需先將其溶解在有機溶劑中，然后滴加在水相進行測定[9]。有機溶劑的加入有可能對磷脂溶液表面張力測定產生一定的影響。本文選擇了氯仿作為溶劑來測定磷脂溶液的表面張力等溫線，在具體教學實踐中，也可以選擇乙醇作為溶劑進行磷脂溶液表面張力等溫線的測定，進行拓展性實驗。也可以安排學生對采用氯仿和乙醇為溶劑測量的結果進行比較，說明導致兩者的行為出現差異的原因。此外，改變磷脂的氯仿溶液的濃度，也會影響表面張力的測量。可以安排學生準確稱量適量DSPC，以氯仿為溶劑配制10.0 mg?mL?1、2.0 mg?mL?1、0.4 mg?mL?1DSPC溶液，采用3.3小節方法測定溶液的表面張力，并安排學生分析溶液濃度影響表面張力測量的原因，加深對表面膜結構模型及其對表面張力影響的理解。拓展實驗可在12學時內完成。

6 結語

以磷脂作為代表性表面活性劑，應用界面張力儀測定了DSPC和DPPC溶液的表面張力等溫線，計算了相應的表面性質參數。該實驗操作性強、數據重現性好、實驗體系穩定，能夠在4學時內完成。通過對傳統實驗的改進，可以實現物理化學實驗與科研前沿的對接，使實驗內容與藥學的銜接更加緊密，有利于激發學生的學習興趣，更好地理解表面活性劑的性質，提升學生分析問題和解決問題的能力。通過拓展實驗，也可以將該實驗拓展設計成綜合實驗，探究溶劑的選擇對于磷脂溶液表面張力等溫線測定的影響，可以讓學生理解體系中的分子相互作用，學會為表面活性劑測定體系選擇合適的溶劑。對于培養學生探索表面活性劑功能和結構的關系，提高分析問題解決問題的能力具有積極的意義。