表面活性剂的亲水性可以用亲水亲油平衡值(hydrophile and lipophile balance,HLB)来衡量,HLB值是表示表面活性剂亲水性大小的相对数值,HLB值越大,则亲水性越强,亲油性越弱;HLB值越小,则亲水性越弱,亲油性越强。HLB的值可以用下面的公式进行计算:
表面活性剂的HLB值会直接影响到它的性质和应用。在应用时,根据不同的应用领域、应用对象选择具有不同HLB值的表面活性剂。例如,在乳化和去污方面,按照油或污的极性、温度的不同选择合适HLB值的表面活性剂。下表列出了具有不同HLB值表面活性剂的适用场合。
用于水溶液的表面活性剂具有较高的HLB值,常用的表面活性剂HLB值如下图所示。和水不互溶的表面活性剂可以用于脂质制剂。
临界胶束浓度
在胶体和表面化学中,临界胶束浓度 (critical micellar concentration,CMC)定义为表面活性剂分子在溶剂中缔合形成胶束的低浓度。在新药研发中,表面活性剂被广泛用于提高难溶性药物的溶解度和渗透性。在水溶液中,当表面活性剂浓度大于其临界胶束浓度时,表面活性剂会形成聚集体,称之为胶束(micelle)。如下图所示,胶束是自组装形成的结构,有疏水内芯,可以将溶解度低(水溶性)的药物分子固定在胶束内部,从而提高溶解度,其作用机理类似于环糊精。难溶性化合物的溶解度可以通过胶束的方式得到线性提高。一般情况下,表面活性剂的浓度越高,药物的溶解度也越高,但是太大量的表面活性剂有耐受性的问题。比如polysorbate 80的用量超过一定限度时会引起过敏性反应。使用表面活性剂也可以和其它方法联用进一步提高药物的溶解度,如调节pH。不稳定的药物可以通过胶束的形式提高其稳定性,可以将药物分子包封在胶束内,从而提高药物的稳定性。但是,包封也可能会影响化合物的药代动力学,所以需要谨慎。
CMC是表面活性剂的重要特性参数。在表面活性剂浓度达到 CMC 之前,溶液表面张力会随着表面活性剂的浓度改变而发生强烈变化。在达到CMC后,溶液表面张力保持相对恒定或以较低的斜率变化。给定介质中表面活性剂的 CMC 值取决于温度、压力和其他表面活性物质和电解质的存在和浓度。胶束仅在高于临界胶束温度时形成。
测定表面活性剂临界胶束浓度的方法很多,常用的方法有表面张力法、电导法、染料法、浊度法、荧光探针法、光散射法等。但上述各种方法均有其局限性,电导法只适于测量离子型表面活性剂的CMC;染料法测量CMC所需设备简单,但因颜色变化不够明显,影响CMC测量的准确度,有时因加入染料可能对体系的临界胶束浓度有影响,可能导致错误的测量结果;浊度法也因所用烃溶解物影响表面活性剂临界胶束浓度的问题,所测CMC准确度受到影响;荧光探针法操作简单,对体系无特殊要求,探针用量少,对体系的干扰小, 但需要配制芘探针的苯溶液,苯有毒性而且操作过程繁琐;光散射法要求所测溶液非常干净,受限制因素较多。