相关课程表面活性剂化学第8章

第八章表面活性剂在化学中的应用

8.1.表面活性剂在化学催化中的应用

任何化学反应速率均与化学反应环境的性质有密切关系，如果反应环境有利于反应物浓度的增大或增加反应物碰撞的机会，则会起到催化的作用。在表面活性剂参与下，化学反应得以进行，或加速化学反应的进行称为表面活性催化。表面活性剂催化化学反应过程的机理有胶束催化和相转移催化。但胶束催化往往与胶束增溶有关。8.1.1.胶束增溶

化学家利用X光衍射法进行了研究，发现原来在水中不溶或难溶的油类，在添加了一定量的表面活性剂后，也就是在有胶束存在时才开始溶解，而且，随着表面活性剂浓度的增加，其溶解的量增大。这种现象不同于水中添加酒精和丙酮等溶剂时出现的溶解。例如：乙苯基本上不溶于水，但在含有0.3molL-1C15H31COOK的100mL水中可溶解达3g之多。

此种溶解区别于有机物溶于混合溶剂中。因为在增溶作用中，表面活性剂的用量相当少(cmc级），溶剂性质也无明显变化。又比如橙色-OT染料在水中是不溶解的，添加丙酮之后，如果你仔细观察，只有在丙酮的添加量超过50％以上浓度时，才能溶解。低于50％时，并不溶解。但是在水中添加非离子表面活性剂辛基酚聚氧乙烯醚时，即使浓度很低也能明显地溶解。这种现象人们称之为增溶。

增溶现象是因胶束的形成而产生的。胶束增溶也与乳化作用有所区别，乳化作用是不溶液体分散于水中(或另一液体中)，形成热力学上不稳定的多相分散体系，而增溶作用所形成的体系是热力学上稳定的均相体系。

增溶是不溶于水的物质溶入活性剂的胶束中的一种现象，所以促进了胶束的生成，增溶量增大是使胶束变大的因素。也就是说形成胶束的活性剂的亲油基越长，增溶量也越大。

不溶或微溶于水的有机物，由于胶束的存在其溶解度显著增加，并成热力学稳定的各向同性的溶液，这一现象称为增溶。根据早期的X射线以及后来的紫外光谱及核磁共振谱研究认为：增溶作用发生于：(1)胶束的内核；(2)胶束的定向表面活性剂分子之间，形成“栅栏”结构；(3)胶束表面，即胶束-溶剂交界处；(4)亲水基之间。

为了选择对某一憎水性液体有最大增溶量的表面活性剂，可根据它的HLB的值，选择在15～18之间的，这样能获得比较好的增溶量。胶束增溶在分析化学领域被广泛使用，如和光谱法结合形成的胶束分光光度法；和色谱法结合形成的胶束电动色谱；和利用胶束自身的性质发展的浊点萃取法、反胶团萃取和双水相萃取等。特别值得关注的是由胶束增溶而引起的胶束催化对化学反应的影响。

8.1.2．胶束催化

表面活性剂胶团对化学反应的催化或抑制作用引起了人们极大的兴趣，这是因为胶团与细胞膜，胶团催化与酶催化在某些方面有相似之处，胶团可以影响许多有机反应的反应速度、产物、甚至产物的立体化学性质。胶团催化的实质是因为在溶液中出现胶束后，介质的微观物理化学性质发生了改变，从而加速了化学反应速度，此时，胶束起着催化剂的作用，称为胶束催化。

胶团催化具有效率高、避免使用有机溶剂、易于控制等优点。对有些化学反应胶团催化可使其反应速率提高106倍(一般情况下，103左右），具有酶催化的水平。胶束催化在动力学分析中的突出作用是提高方法的灵敏度，加快反应速度，缩短分析时间，从而提高采样频率，使分析更方便，价格更低廉。

1.水溶液中胶束催化作用

在表面活性剂水溶液中对化学反应起重要作用的因素有基质(反应物质)与胶束之间的静电相互作用力、疏水相互作用力、氢键作用力以及水介质的构型变化等。这些因素的影响导致基质在胶束表面、胶束核和胶束附近浓集，从而使分子有效碰撞频率增高，反应速度增大。

但胶束的选择至关重要，否则作用相反。胶束对化学反应的影响可以概括为：(1)局部浓度效应疏水底物增溶于胶束中，使胶束中底物浓度增大。这将导致反应速率加快，但反应速率常数不变。

(2)笼效应胶束能使反应中间体之间有足够的时间发生反应。这一点与溶剂的笼效应相似。例如不对称双苯酮在均相溶液及胶束水溶液中发生光脱羰基反应时，产物有如下的比例：ACOB→AA+AB+BB

均相溶液25％50％25％

CTACl溶液12％76％12％这表明胶束的笼效应有利于自由基A·和B·的结合。

(3)微粘度效应由于胶束内部的粘度比周围水溶液的粘度高，所以进入胶束内的底物分子的平动和转动都会受到很大的限制。无疑会使阿伦尼乌斯公式中的指前因子变化，速率常数降低。

k=Aexp（-Ea/RT）化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式。k为速率常数，R为摩尔其他常数，T为热力学温度，Ea为表观活化能，A为指前因子(也称频率因子)。（4）静电效应离子型胶束是带电荷的，它能与反应的初始态及过渡态作用从而改变反应的活化能。从静电相互作用考虑，表面活性剂形成的胶束与反应的过渡态作用时，若使过渡态的电荷分散，则因过渡态能量降低而使反应速率常数增大，反之则使反应速率常数减小。表现为阳离子胶束能催化中性底物与阴离子的反应，而阴离子胶束则对其有禁阻作用。（5）极性效应据光谱学方面的估计，胶束表面的表观介电常数在10～40之间，非离子型的介电常数小于离子型表面活性剂的。胶束内核和胶束-溶液界面的极性与溶液本体的极性不同，极性大小的顺序为：溶液相>溶液-胶束界面>胶束内核底物的极性决定了它在胶束中的增溶位置。一般而言，碳氢化合物增溶在胶束的内核，极性分子则增溶在栅栏层。一般认为，胶束的极性效应只对对介质极性敏感的化学反应发生作用，而对不敏感的化学反应影响较小。

静电效应不能解释非离子表面活性剂对化学反应的影响。苯甲酰基三氯甲烷在非离子胶束中的反应速率随表面活性剂浓度的增大略有下降，这与有机溶剂对该反应的影响一致。因此，观察到的速率变化可能与底物在非离子型表面活性剂胶束中所处位置的微极性有关。

总之，在胶束中的化学反应受到胶束产生的各种因素的影响，实验中所观察到的速率变化是各种因素对化学反应影响的总结果。例如，酯的碱性水解反应：R-COOR1→R-COO-+HOR1有机酯被增溶于胶束之中，其疏水链进入胶束的核内，酯基(亲水基)处于胶束表面，对于酯的碱性水解反应，如果胶束是由阳离子表面活性剂形成的，胶束的正电荷使水解的中间产物(由于OH-

的加入而带负电荷)易于形成，于是酯的水解反应加速，如果胶束是由阴离子表面活性剂形成的，胶束的负电荷使水解的中间产物难于形成，所以，阴离子表面活性剂拟制酯的水解反应。相反，对于酯的酸性水解反应，阴离子表面活性剂有促进作用，阳离子表面活性剂起拟制作用。当胶束是非离子表面活性剂形成时，胶束表面不带电，对中间产物的形成无影响，所以酯的水解反应速度也无变化。2.非水溶液中胶束催化作用表面活性剂在非水溶液中形成的胶束称为逆胶束(反胶束)，极性基团(亲水部分)处于胶束核内，其催化反应是在胶束核内进行的。(1)在非水溶液中表面活性剂胶束未增溶任何极性物质时对化学反应的催化在非水溶液中，表面活性剂本身能发挥催化作用，反应基质在胶束核内发生特征定向排列，以利于化学键合，促进反应速度加快。例如，烷基脂肪酸铵对2，3，4，6-四甲基--D-葡萄糖的旋光改变和迈森海默尔复合物及对硝基苯脂肪酸酯的分解反应等均具有催化作用。关于表面活性剂溶液的反应速度，使用纯溶剂比纯水增加得更为显著。（2）在非水溶液中表面活性剂胶束增溶水后对化学反应的催化

在胶束核内增溶了大量的水，使胶束核的空间、极性和结构等发生变化，可以创造有利于反应的环境和控制反应速度。如在烷基脂肪酸铵溶液中三(草酸)铬酸盐阴离子的复合反应、二(草酸)二水铬酸盐阴离子的异构化反应、5-三磷酸腺苷的加水分解等都比在纯水中有更显著的促进作用，特别是水合反应比异构化反应更明显。（3）在非水溶液中表面活性剂增溶水以外的极性物质后对化学反应的催化在胶束核内增溶了水以外的极性物质，以改变胶束核的性质，或促进反应进行，或阻碍反应进行。把水以外的极性物质做为增溶体系催化反应的研究实例有咪唑、胺、酸等。例如，在一定浓度的表面活性剂溶液中逐滴加入少量咪唑，研究对-硝基苯乙酸酯的分解反应，反应速度随着咪唑浓度的增加而增大，到一定浓度后达到饱和值。3.影响胶团催化的因素(1)小分子有机物对胶团催化的影响胶团的大小、形状、cmc和其他性质都可影响胶团催化的反应速率和历程，加入小分子有机物可以影响这些性质，从而改变和控制底物的加溶和反应离子与胶团表面的结合。当加入少量有机分子时，它们可参与胶团的形成，增加胶团的尺寸，使反应底物更倾向于向胶团内部渗透，同时导致胶团表面电荷密度减少，不利于反应离子的浓集和反应过渡态的稳定，从而使反应速率减小。

(2)电解质对胶团催化的影响在胶团催化研究的早期，人们已注意到反应离子和惰性离子在胶团表面的竞争，高电荷密度的离子，如OH-或F-能够很容易地被低电荷密度的离子，如Br-、NO3-从阳离子型胶团中取代出来。因此，这些离子能显著地禁阻OH-或F-在阳离子胶团中的反应。盐的作用是由于不同的反离子对胶团表面有不同的亲和能力，惰性反离子竞争结合胶团的头基，可使活性离子被部分挤出，降低了胶团表面电势和对反离子的吸引，减少了同离子的互斥。同时，随胶团对活性离子的亲和力下降，胶团聚集数上升，底物深入胶团内部，反应受到抑制。简单盐(如NaCl)只在浓度较高时影响才明显。大的有机反离子与胶团间同时存在静电作用和疏水相互作用，阻碍了胶团与底物结合，从而对反应起明显抑制作用。中性底物的胶团催化作用，则是同离子起抑制作用，反离子能促进反应。(3)表面活性剂对反胶团催化的影响

如表面活性剂的化学结构，随着表面活性剂链长度的增加，其内部作用强度和界面密度降低，导致胶团的交换速度和渗透速率降低。通常渗透能提高液滴内部的作用及物质交换速度。表面活性剂的浓度也会影响反胶团催化，如随着水与表面活性剂的摩尔比（Wo）升高，胶团尺寸变大。不同体系中，Wo最佳值不同。如在AOT体系中为Wo＝7；在卵磷脂体系中为Wo=4.5；酯化速度最快。8.1.3.吸附胶团催化尽管溶液中胶团催化有许多优点，但在实际应用上却有困难:(1)产物大多集中于水相，形成胶团的表面活性剂也多是水溶性的，这就使产物分离较为困难；(2)胶团的体积很小，可发生反应的胶团表面区域更小，欲达到有实际应用规模产量需大量表面活性剂。因而，20世纪90年代以来，人们从多相催化、表面活性剂在固液界面吸附和表面加溶的研究中得到启发，开始研究吸附于固液界面上的表面活性剂聚集体的催化作用。

固-液界面上形成的表面活性剂吸附聚集体笼统地称为吸附胶团。吸附胶团催化有以下优点:(1)通过改变固体表面性质调节吸附胶团中表面活性剂排列，可以有效地结合某些反应底物和反应离子，大大提高反应速率；(2)在表面活性剂浓度低于其临界胶团浓度(cmc)值时，体相溶液中不能形成胶团，固-液界面上却可以形成吸附胶团并具有催化活性；(3)应用大比表面的固体，可形成远大于溶液中胶团相体积的吸附胶团，以达到可观的反应产率；(4)吸附胶团类似于多相催化剂，反应可连续进行，并易于与产物分离。

在研究吸附胶团催化时，吸附胶团的量不仅与表面活性剂体相溶液浓度有关，而且与固体的量有关。因此，表示吸附胶团催化的效果除了恒定固体量，考察速率常数与表面活性剂体相浓度关系外，通常用速率常数与表面活性剂在固体上吸附量间关系表示。近来有些研究者利用类似于表面接枝改性和强烈的离子交换等手段，将表面活性剂连接于固体表面，形成不溶性固定化表面活性剂体系，并研究了它们的催化性质。

8.1.4.金属胶束催化在化学模拟生物体系的研究中，胶束模拟酶不仅涉及简单胶束体系，而且还包括功能化胶束、混合胶束、聚合物胶束等体系。近年来又将金属酶的简单模型引入胶束体系，由此在胶束仿酶领域又增加了一个新的品种-(metallomicelles)金属胶束。金属胶束顾名思义即指带疏水链的金属配合物单独或与其它表面活性剂共同形成的胶束体系，由金属配合物和表面活性剂形成的金属胶束或共金属胶束的催化体系不仅能模拟酶的活性中心，而且还能模拟酶的疏水微环境，是一种良好的水解酶模型。

胶束能够提供一个类似于酶的疏水性微环境，将金属酶的简单模型引入胶束体系，利用金属离子的特殊作用催化水解反应，而胶束所具有疏水性微环境则对底物有包络作用，反应被认为仍然在胶束的Stern层中发生。金属胶束催化酯水解的共同特征之一是化学键断裂前形成了依靠疏水静电作用的金属胶束-底物超分子复合物。根据超分子化学理论，数目不定的大量表面活性剂自发缔合产生特定的胶束相，形成了超分子有序

体，再结合具有激活酶催化作用的金属离子，形成的金属胶束则为超分子金属催化剂，当其与底物之间结合并反应时，催化作用代表了这种超分子体系功能性质的主要特征。超分子参与化学反应过程，包括在空间上或时间上或两方面都表现出自发的有序性，包括了空间结构及平衡和非平衡结构两者的瞬态动力学的有序性。8.1.5．相转移催化相转移催化技术是70年代初发展起来的应用在有机合成中的新技术。特点：由于相转移催化剂（PTC）能使反应速度加快，产率明显提高，反应条件温和，以及能在非均相系统中进行。1.相转移催化所谓相转移催化反应，通俗地讲是在两个不相容的相间利用相转移催化剂(PhaseTransferCataly-st：PTC)使反应物从一相(水相)转移到另一相(有机相)，再与该相中的另一物质反应得到产物。

可以认为水相是物质(Ⅰ)的“储存库”，而有机相则是能与物质(Ⅰ)起反应的物质(Ⅱ)的“储存库”，相转移催化剂起到了从水相向有机相“搬运”反应物的作用。因此，它们不同于界面反应，也不同于胶束反应，它们是在新的反应场中进行的。

通常相转移催化反应过程至少包括两个步骤：1)一种反应物从本相转移至另一相；2)转移的反应物与没有转移的反应物发生反应。由于反应系统不同，PTC的机理也不同。

在典型的PTC机理中，亲核取代反应发生在有机相，并且是控制步骤。

Starks以亲核取代为例，在季铵盐Q+X一存在下，用下面的模型表示卤代烷RX的阴离子X-被取代而生成RY的机理。

Q+X-+Y-→Q+Y-+X-

水相界面Q+X-+RY←Q+Y-+RX

有机相

其中Q+(如季铵离子)将水相中的负离子(Y-)迁移至有机相中，与溶于有机相中的RX反应生成RY，本身复原成Q+X-，同时进入水相。这样反复循环，发挥催化作用。若无PTC，则Y-不能溶于有机相，反应很难进行。不同的季铵盐(或磷盐)有不同的催化效果。在不同的体系中有不同的催化机理，有的反应不一定在有机相内部进行，而可能发生在相交界面上。

当水相被无机盐饱和时PTC所处的条件最佳，而有机相中的反应不是速度控制步骤，相转移是控制步骤。水相中无机物的浓度不仅影响离子水合的程度，还直接影响相转移的速率。催化剂的有机结构不同则它在有机相中的溶解度也不同。没有一种PTC适合于任何反应，而选择最佳的催化剂结构与反应系统的性质有关。2.相转移催化类型相转移催化包括液-液相相转移催化，固-液相相转移催化和固-液-固、固-液-液相等相转移催化。

(1)液-液相相转移催化在多相体系中加入少量反应物载体物质(如季铵盐)，载体在水溶液中发生阴离子交换后进入溶液反应物的另一相中，两者在该相中进行化学反应生成反应产物和原载体物质，载体复原后返回原相，这样反复循环发挥催化作用。

如具有结构为(C8~10H17~21)3N+CH3Cl-的季铵盐A-1是一种优良的PTC，在酯化、氧化和烷基化反应中其催化活性要优于聚乙二醇和季磷盐，A-1在分离过程中不乳化，因而使合成产品易于分离提纯，该催化剂可循环使用。例如酯化反应：

CH3COONa+ClCH2CH(Cl)CH3

→CH3COOCH2CH(Cl)CH3+ClCH2CH(CH3)OOCCH31,2-二氯丙烷是油相，乙酸钠处于水相中，油水不相溶，使这两种分子碰撞机会极少，不发生反应。但当有PTC季铵盐A-1存在时，季铵正离子(Q+)可以把水相中的乙酸根负离子从水相转移到油相，发生反应:

Q+Cl-(org)+CH3COONa(w)→Q+O-OCCH3(org)+NaCl(w)

使上一反应加速进行。(2)固-液相相转移催化

固-液相的相转移催化是使不溶于有机相的物质与表面活性剂进行离子交换后迁移并溶于有机相中进行反应并获得反应产物。例如用苄基卤化物合成腈时，用固体KCN和18-冠(醚)-6在CH3CN溶剂中进行时获得相应的腈得率在90%以上，而用一般方法时反应至生成醇即结束，不能得到腈。

将KMnO4加到含有烯烃的苯溶液中，沉于烧瓶底部，苯溶液仍为无色，说明烯烃没有被氧化，但如果加入少许18-冠醚-6，则苯相立即变为紫红色，表明KMnO4已进入苯相，烯烃被氧化。在上述实例中，KMnO4被18-冠醚-6复合后,使K+被冠醚环络合，MnO4-被裸露出来，转移到有机相，从而使烯烃发生氧化反应。这种通过络合剂（complexant）络合使反应物活性离子进入有机相的催化反应，即为固-液相转移催化反应。

在固-液相转移催化反应中，为了解决相转移催化剂回收难、价格贵的问题，近年来发展了一种新的相转移催化法。三相催化反应，即将相转移催化剂连接在聚合物载体上，它是一种既不溶于水，又不溶于有机相的固体高分子物，因此称为三相催化剂，也称聚合物催化剂。该法的显著特点是催化剂可定量回收，干燥后活性不受影响，可重复使用。(3)三相催化

将小分子相转移催化剂如季铵盐、冠醚、聚乙二醇等连接于高分子中，形成既具有相转移催化剂的活性，又不溶于水和有机溶剂的固体催化剂。三相催化剂基本是以交联的聚苯乙烯树脂和硅胶为支撑物，把具有相转移催化活性的基团键合在它们之上而制备的。活性基分三类，(a)离子交换基类，如季铵盐。季膦盐等；(b)冠醚和穴醚类；(c)潜溶剂类，这是一类在聚合物上连接有非环多醚的三相催化剂。在此，催化剂和一对反应物分别存在于各自的相中，和其他的多相催化体系不同，Regen将之命名为三相催化作用，这种方法是将普通的相转移催化作用扩大到高分子季铵盐，催化剂只用简单过滤即可分离。(4)温控相转移催化(TRPTC)

均相络合催化的核心问题是过渡金属催化剂的分离及其循环使用。为解决该问题多用水溶性膦配体，将均相催化剂动态“担载”在与产物互不相溶的水相而实现的水/有机两相催化。但以水溶性膦配体和过渡金属配合物为催化剂的水/有机两相催化体系受底物水溶性的限制。为此，人们发展了既有水溶性，又显示非离子表面活性剂的浊点特征的非离子水溶性膦配体。

据此，提出了“温控相转移催化”(Thermore-gulatedPhaseTransferCatalysis)的概念。由非离子表面活性剂与过渡金属形成的络合催化剂在低(室)温时溶于水相，与溶于有机相的底物分处于两相。当温度升至高于浊点温度时，催化剂从水相析出并转移至有机相，催化剂与底物共存于有机相，反应在有机相中进行；反应结束并冷却至浊点以下时，催化剂重获水溶性，

从有机相返回水相，使最终存在于水相的催化剂可通过简单的相分离与含有产物的有机相分开。催化过程与水/有机两相催化的本质区别在于反应不是发生在水相，而是在有机相中进行，不受底物水溶性的限制。

相转移催化产物纯度高，反应转化率高，目的产物的专一性增加，相转移催化化学合成法近年来日益受到重视，并获得应用。8.1.6.胶团催化机理

表面活性剂对有机反应的催化作用，一般认为是与胶束的形成有关，即所谓的胶束催化作用。胶束直径一般为3～5nm，类似于球形酶的大小，因而胶束催化反应的模型能用近似于球形酶催化反应模型来处理。至今已提出了各种关于胶束催化的动力学模型，这些理论对于胶束的催化和抑制作用进行了分析，对于双组分反应认为反应是发生在胶束的表面而不是在胶核内，胶束的催化效率主要取决于拟胶束相内反应物的浓度和反应物由水相迁移到胶束相时其反应活性的改变。

胶束催化反应，可以用相似于酶催化的方法处理。其模型为：

M：胶束化的表面活性剂，S：代表底物，下标W和m分别表示水相和胶束相，k1w、k1m：分别为水相和胶束相中的一级反应速率常数，Ks为底物在胶束相中的结合常数。总的一级反应速率常数k。

因此

F0、Fm代表未复合的与复合的底物的分数。平衡常数Ks

可用浓度来表示，也常用复合的与未复合的底物的分数来表示：在cmc以上时，假设表面活性剂浓度保持不变，则胶束的浓度为：CD为表面活性剂的总浓度，N为聚集数。由此可得：利用上式可以计算一级反应和准一级反应的k1m和底物的结合常数Ks，k、k1w皆由动力学实验求出，聚集数N则自其它实验求出。8.2.表面活性剂在纳米材料研究中的应用8.2.1.表面活性剂的聚集状态及其作用

表面活性剂的有序聚集体都象一个个“微型反应器”，尺寸都在纳米范围内。利用这些微反应器进行化学反应，用于纳米材料的制备，使成核生长过程局限在一个微小的范围内，粒子的大小、形态、结构等都受到微反应器的组成与结构的影响，为实现纳米粒子的人为调控提供了有利的手段。8.2.2反相微乳法反相微乳液本身作为一种非常好的化学反应介质，通过人为控制纳米微水池的大小，进而控制产物的粒径及其他性质。微乳液是相对于细乳液和普通乳液而言的，微乳液颗粒直径约为10～100nm，细乳液颗粒直径约为100～400nm，普通乳液颗粒直径一般在几百纳米到上千纳米。

反相微乳法制备纳米材料的基本原理：

当含有反应物A、B的两个微乳液混合时，这个过程导致微乳液的液滴间相互碰撞，会形成一个瞬时二聚体，瞬时二聚体为两个液滴提供水池通道，水相内增溶的物质在此时交换并发生反应，二聚体的形成过程改变了表面活性剂膜的形状，所以二聚体处于高能状态，会很快分离，在不断地聚合、分离过程中，化学反应发生并生成产物分子，多个产物分子聚集在一起成核，反相微乳法合成纳米微粒的机理

生成的核作为催化剂使反应加快，产物附着在核上，使核成长，最终生成产物粒子。

反相微乳中纳米微粒的形成过程一般包括化学反应、成核和晶核生长三个阶段。当含有两种不同反应物的反相微乳溶液混合后，由于微乳之间的碰撞、融合、分离、重组等过程，使反应物在“水池”内互相交换、传播及混合，发生化学反应，生成产物。含有产物分子的胶束经无数次碰撞后，在“水池”中形成产物的过饱和溶液，达到一定过饱和程度就会产生晶核粒子。

另外一种情况是反应物A增溶在反相胶束中的水核内，而另一反应物B通过水溶液形式(或者以通入气体的形式)与前者混合时，水相内反应物(或气体反应物)穿过微乳界面进入水核内，与另外一种反应物作用产生晶核并生长。第三种情况是：一种反应物在增溶的水核内，然后以光照或加热的方法，使反应物分解或缩合，从而发生反应。反应仍然局限在胶团内。

产生纳米粒子的反应过程可以概括为三种：沉淀、还原和水解。沉淀通常用来合成非水溶性的盐或氧化物；还原过程通常用来制备金属单质，通常使用还原性较强的物质作为还原剂，如N2H4，NaBH4等；水解反应则常常被用来制备金属氧化物纳米粒子，这种方法是利用醇盐的水解反应产生氢氧化物，然后加热产生氧化物。

[H2O]/[表面活性剂]对微乳液滴的大小、形状及界面膜的强度均有显著的影响。所以，不仅决定粒子的尺寸，还影响粒子的形状。也是影响界面膜强度的主要因素。（1）水含量影响当水量低时，水与表面活性剂极性基团的作用很强，可看作是结合水。随着W/O的增大，结合水逐渐饱和，自由水比例增大，使界面膜强度变小。

界面膜强度减小使得反相微乳之间碰撞时，界面膜容易破裂，导致不同水核中的纳米微粒发生聚结，使得颗粒粒径变大且粒径分布难以控制，这与W/O的增大使得“水池”半径变大进而导致生成的纳米微粒的粒径变大相符合。（2）表面活性剂浓度影响表面活性剂浓度不同，在反相微乳中形成的纳米微粒的粒径大小及粒子的稳定性也不同。

当表面活性剂浓度增大时，反相微乳尺寸增大但数目减少，同时使得反相微乳中增溶量增大，因而生成的纳米微粒变大。另一方面，当表面活性剂浓度增大时，过多的表面活性剂分子覆盖在粒子表面阻止晶核的进一步生长，最终结果可能会导致纳米微粒的粒径略有减小。可见表面活性剂浓度对反相微乳中形成纳米微粒的影响是几种因素综合作用的结果。

（3）表面活性剂的结构影响

表面活性剂的结构不仅影响胶束的半径和胶束界面强度，而且很大程度地决定晶核之间的结合点，从而有可能影响纳米粒子的晶型。如在室温下采用反相微乳液制备纳米铁，使用非离子表面活性剂时产物为面心立方结构的-Fe，而使用阳离子表面活性剂季铵盐时得到的产物是体心立方结构的-Fe。

这是因为表面活性剂的结构决定了反应生成的原子形成晶核的结合方式。（4）温度影响选择合适的温度对微乳法制备纳米微粒来说是很重要的。在AOT-水-异辛烷反相微乳体系中制备ZnS纳米微粒时，温度升高会造成微乳结构的不稳定。这是因为随温度的升高微乳界面的AOT分子及结合水分子运动加剧，界面膜难以稳定排列，造成微乳结构的不稳定。

但对于另外一些反应，较低的温度往往不利于反应的进行。盐液膜更稳固，使生成的粒子更规则;盐的加入一般都会减小水与表面活性剂间的相容性，导致微乳液的形成区域减小，增溶水量减少，液滴中水池半径也相应减小。

Zhang等在阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠SDS和庚烷及环己烷组成的反胶团中利用溶剂热法(200℃，18h)成功制备了由棒组成的花簇型SnO2。形成棒状材料的机理可能是，形成的Sn(OH)6-溶解在反胶团的内核中，在周围环境的作用下水解生成SnO2

，由于纳米SnO2高能表面，表面活性剂极性基吸附在产品表面，而把较长的疏水链露在外面，因此晶体在长大过程中就受到空间位阻的影响，只能在疏水链空隙内生长，在温度200℃、18h下表面活性剂失活，最终得到了由棒组成的花簇型产品。8.2.3.液晶模板法

液晶模板法在纳米材料制备中具有下面几个显著的优点：液晶界面为刚性界面，层与层之间为纳米级空间，在此空间内生成粒子的粒径可控；液晶相较大的乳度使得粒子不易团聚、沉降，有利于合成单分散性的粒子；液晶相随表面活性剂浓度的调节可获得不同的形状；液晶模板在合成过程中相当稳定，在一定温度下灼烧即可除去模板剂等。

1.模板类型选择用液晶模板合成有序中介结构无机材料为例说明（介孔材料：指孔径大于2nm，具有显著表面效应的多孔固体，是一类有序孔道结构和孔径均可调的材料）。合成有序形态的中孔SiO2，需水、表面活性剂、硅源、催化剂等。其中硅源决定反应条件。若使用非分子硅源时，如水玻璃、SiO2等，反应体系需从非均相的溶液转变为凝胶，凝胶在（75℃～180℃）范围内水热处理，从数小时到数天可得产物。溶液中表面活性剂浓度在15％～30％。

当用分子形态的硅源时，如硅酸四甲酯（TMOS），TEOS，反应体系可存在均一的胶束溶液。温度低至－14℃时，中孔相可在几秒到几分钟内形成，表面活性剂可低至0.5％。

合成的最终产物为纯净的SiO2中孔相，有三种结构类型：六角相(H或MCM-1)；立方相(Ia3d和Pm3n)；层状相(L)。

在SiO2中的孔道呈有序排列，但无机骨架本身结构是无序的，即为非晶态的结构。在无机材料的宏观结构形成的过程中，表面活性剂的大小、电荷、形状是决定结构类型的重要参数，通常用堆积比g表示。g1/31/21/2-2/31结构立方六角立方层状类型Pm3nP6mIa3d

如改变十六烷基季铵盐C16H33NR1R2R3极性基头的大小可改变液晶的类型。

CnH2n+1N+(CH3)3(n=10，12～16，18)可形成六角形结构MCM-41相，若n>20时，则形成层状相。

CnH2n+1N+(C2H5)3(n=12，14，16，18)可形成立方结构SBA-1相；(C12H25)2N+(CH3)2

增大非极性基的体积，可形成层状结构MCM-50相。2.相转移

室温下或低温下或短时间内形成中孔相，在水热处理时，会发生进一步的结构变化，SiO2浓缩后结构发生重组。已用29SiNMR证实，浓缩时，SiO2骨架结构负电荷密度降低，为维持电荷与结构相匹配，堆积形式必发生改变。如C16H33NMe3

合成层状相→MCM-41六方相Cn－12－m二聚表面活性剂六方相（MCM-41）→立方相MCM-483.除去模板的方法

在表面活性剂组成模板上无机物质聚合形成确定结构后需除去模板导向剂，通常用溶剂萃取、煅烧、等离子体处理、超临界萃取等方法。

溶剂萃取法是利用溶剂从模板材料萃取有机物。如在MCM-41中加入1molL-1HCl的乙醇溶液，固/液为1g/300mL，于70℃搅拌30h，固体中的有机物可100％被萃取，萃取后产物晶胞收缩了11％，这是由于硅烷醇进一步缩合所致。

煅烧法是利用高温灼烧的办法除去有机物质，但灼烧后晶胞会发生收缩。MCM-41样品可在通入N2，O2或空气的情况煅烧除去模板。如540℃煅烧MCM-4110h,(1℃/min)，观察到晶胞常数减少了25％，这和晶体硅酸盐在煅烧时晶胞改变很小（立方沸石0.3％，六方沸石1.3％）形成强烈的对照。等离子处理是用等离子体，即由离子、电子等组成的部分电离的气体与模板材料相互作用而除去模板。超临界萃取常用C2H4，C2H2，CO2，甲苯等，萃取率高。4.液晶模板合成机制液晶模板机理：表面活性剂的液晶相起到了晶核的作用，在晶化溶液体系中，先使表面活性剂等物质形成预定的液晶相结构，无机前驱体在一定温度和压力下就会在其界面上定向和生长，形成的形态和骨架结构与模板剂的形态相似，除去表面活性剂即可得到所需要的分子筛。

液晶模板机理的核心是液晶相或胶束作为模板剂。当表面活性剂浓度较大时，生成六方有序排列的液晶结构，当无机源加入时，由于静电作用，无机离子与有机离子结合，并附着在有机表面活性剂胶束的表面形成无机墙，沉淀在胶束棒之间的孔隙间，聚合固化构成孔壁，从而形成以液晶相为模板的有机-无机复合物。

形成的具有介孔结构的无机-有机复合物可以看作是六方排列的表面活性剂棒状胶束嵌入到无机基体中，同时在溶液中沉淀下来。产物经水洗、干燥、焙烧除去内层的有机物，只留下骨架状规则排列的无机盐网络，从而得到介孔材料。『根据国际纯粹化学与应用化学联合会（IUPAC）的定义：多孔物质孔径孔径大于50nm的孔为大孔(macropore)；孔径介于2～50nm之间的孔为介孔或中孔(mesopore)；孔径小于2nm的孔为微孔(micropore)。』

它有两条可能的合成途径：途径1是当表面活性剂浓度较大时，先形成六方有序排列的液晶结构，然后无机离子填充于胶束周围；途径2是无机离子的加入，与表面活性剂相互作用，按照自组装方式排列成六方有序的液晶结构。液晶模板机理模型示意图①-液晶模板机理；②-协同合成液晶模板机理例如，以非离子表面活性剂C12EO8为模板剂，在酸性介质中室温下形成六方液晶相，将硅酸四甲酯（TMOS）加入其中，水解18h，最后加热至350℃，使模板剂除去后，即可得六方液晶状的中孔二氧化硅。用XRD测出最初晶胞参数a＝4.3nm，与表面活性剂/水二元体系六方结构参数相同.Stucky提出的协同机制

Tanev对Stucky的四条合成途径进行了补充，他们用中性长链伯胺作模板，在水-乙醚二元体系中，室温及酸性条件下水解TEOS，得到六角相SiO2。他们认为中性伯胺胶粒(S°)和中性无机物种(I°)的组配通过氢键进行(TEOS水解产生SiO(C2H5)4-X-(OH)X)。与静电途径相比，S°I°途径合成的中孔相具有较厚的孔壁，进而提高了产物中孔骨架的稳定性。

5.改变孔径的办法

除无机物的结构形态的控制外，其内部孔道的尺寸大小也可调，这是液晶模板制备无机材料的另一特点。在材料的合成过程中，如何控制和调节孔径大小及其尺寸分布，具有十分重要的意义。目前，可以采用以下几种方法:(1)改变表面活性剂链长

由于碳链越长，在形成棒状胶束时，其直径就越大，因此孔径的大小可通过调节表面活性剂的碳链长度来控制。如对于CnN+Me3Br-(n=8,10,12,14,16,18)，来说，每增加一个碳原子，所合成的有序介孔材料的孔径尺寸增加0.225nm左右。可形成中孔结构的最短C数是8，最小孔径为1.5nm，受溶解度和高熔点（n>18）的限制，最大孔径为4.5nm。

(2)改变表面活性剂和共溶剂种类

如使用中性表面活性剂时，由于不存在强的静电作用，与采用带电的表面活性剂相比，它仅通过氢键的键合作用，就使得所形成的有序介孔材料具有更高的长程有序度和墙厚。另外，加入不同的共溶剂如石腊、醇、芳香醇、均三甲苯（TMB）、醚等也可以改变胶团的聚集数和组合方式，从而影响孔径结构和尺寸。

如均三甲苯能渗透到胶团中心增水部分而使胶团膨胀，晶胞增大，进而扩大产物孔径，均三甲苯增溶在胶团后，孔径随均三甲苯浓度的增加而线性增加，直到TMB：Si＝2.5：1，最大晶胞可达6.5nm，而无规则排列的孔道有的可达12.0nm，热稳定性低。用均三异丙基苯可制成孔径均匀，热稳定性高的MCM-41。

而极性物叔戊醇却进入两亲区域，这在很大程度上增加了增水中心的体积，进而使胶团向降低表面曲率的方向转变，由球状胶团转变为棒状胶团。(3)改变反应条件不同的反应时间、温度、溶液的组成、pH值、表面活性剂的去除条件以及添加辅助有机物等因素，都对有序介孔材料的孔径产生影响。如在碱性溶液中，升温可使孔径从3.0nm增到7.0nm，孔径厚度保持在0.6nm，在母液中碱性条件下，孔隙间的SiO2内壁中心部分物质被溶解下来，这些可溶物种被输送到高表面曲率的区域重新沉淀下来，最终导致内壁发生重构而使孔径变大。

小分子醇、醚、羧酸、胺对液晶模板制成的材料孔径也有影响，如在水/甲醇体系中，减小水/醇比例，孔径能连续减小0.5nm。一般情况，助溶剂是通过改变表面活性剂胶团内的分子堆积数目而导致孔径降低。如CuSO45H2O，溶剂在层状液晶中可以两种状态分布，其一是渗透进入两亲双层，其二是表面活性剂的极性基团之间形成溶剂层。溶剂的渗透性增强，存在于溶剂层的溶剂量减少，反之亦然。

对TritonX-100/C10H21OH/H2O体系，层状液晶渗透率很大，可高达52～55%，而使得层状液晶结构中的溶剂层厚度很小，一般小于3nm。故可在此层状液晶中制备水溶性的超微离子是可能的。

在含水量小于60％体系的层状液晶区域内，CuSO4溶解度均小于1.0g/100g水；CuSO4在纯水中的溶解度为20.7g/100g。这是由于溶剂向两亲双层大幅度渗透，使得溶剂层CuSO4过饱和析出。Braun等在六方、层状及立方相液晶中分别制备出CdS纳米粒子，六方液晶中得到的是直径约3nm的棒状CdS，层状液晶中得到的是5nm厚的片状CdS，而立方相液晶中得到了直径约20~100nm的空心球状CdS。这是由于3种结构的液晶体系中的水结构不同，调制着CdS的生长方向，形成不同结构的CdS粒子。8.2.3.囊泡作模板合成介孔材料制备囊泡状介孔材料既可以选择聚合物微球或油包水乳状液作模板,又可以利用不同的表面活性剂作模板,通过选择不同的合成方法,调节反应条件如改变搅拌速率、反应温度、pH值、反应混合物组分、不同类型表面活性剂模板的浓度、盐效应及有机共溶剂如膨胀剂的使用等来控制囊泡状介孔SiO2的组装。

如以嵌段共聚物P123(即EO20-PO70-EO20)为结构导向剂,TEOS作硅源,添加疏水性膨胀剂1,3,5-三异丙基苯（TIPB）,制备出高度规则结构的多层囊泡状介孔SiO2。通过调节TIPB：P123摩尔比来控制介孔SiO2的形貌变化,随着TIPB(P123摩尔比(2.9：1～34.8：1)的增加,煅烧后的介孔SiO2由棒状转变为囊泡状。Hotz等以表面活性剂囊泡为模板制得中空的高分子球，由于囊泡模板的聚集行为不同，制得的中空高分子球粒径从几十纳米到几百纳米，除去表面活性剂后，空心球的形貌并没有明显改变。Hubert等用双十二烷基二甲基溴化铵和双十八烷基二甲基溴化铵阳离子表面活性剂囊泡为模板通过硅氧烷水解制备了SiO2半导体空心球壳，粒径约150nm。

表面活性剂对产物形貌的控制通常通过两种方式来完成：一是表面活性剂作为软模板，在溶液中形成具有特殊形状的胶束，让纳米材料在胶束中受限生长，从而得到具有胶束形状的纳米材料；二是表面活性剂在纳米材料的晶面上有选择地吸附，使得不同晶面的生长速率不一致，导致形成具有特殊形貌的纳米材料。另一种形式是：表面活性剂很容易与其他离子形成络合离子，通过控制络合离子的分解速度，控制产物的成核和生长速度。

例：W/O型微乳液中不同形貌纳米粒子形成机理的探讨若ωo变化，则水池的大小，界面膜的强度要发生变化。在浓度及浓度比和其它条件一定的情况下，在一定范围内，ωo较小时(ωo=11.1)，“水池”直径较小，界面膜强度较大，微乳液滴比较稳定，对其中PrPO4颗粒的生长限制作用较大，形成球形粒径较小的纳米颗粒。

当ωo较大时(ωo=33.4)，“水池”直径较大，界面膜强度变小，PrPO4在其内成核生长时，容易导致微乳液液滴破裂，

PrPO4倾向于各向异性生长，形成细小针状形貌，这些针状颗粒之间强的相互作用将导致针状纳米颗粒的尺度自组织，形成放射针状形貌，如上图所示。8.3.表面活性剂在医药学研究中的应用8.3.1.表面活性剂的应用原理

药物载体是指能改变药物在体内的分布并将药物输送到靶器官的物质。载体可防止药物过早降解、失活、排泄及发生人体免疫反应，从而达到缓释、控释、靶向的目的。表面活性剂所形成的缔合结构在药物载体中有着重要的应用。

如脂质体是研究得最多靶向药物载体，它可与多种药物结合，通过局部或全身给药，特异地与靶组织结合充分发挥治疗作用，可显著降低药物毒性而保持更长时间的活性。脂质体易优先被富含网状内皮细胞的组织摄取。故静脉注射时，易浓集于网状内皮细胞丰富的肝、脾、骨髓，而很少进入其他组织，还可进入实质性肿瘤，比游离药物更易聚集在肿瘤部位。

8.3.2.表面活性剂在纳米药物载体制备方面的应用

在与药物相关的应用中，非离子表面活性剂具有稳定性好、品种多、毒性低等优点，在纳米药物的制备中可根据具体要求选择非离子表面活性剂，作为药物的载体、乳化剂、增溶剂；也可根据纳米粒具体要求选择非离子表面活性剂种类和组成对表面进行修饰使其改性，以提高靶向能力与改变靶向部位。

1.载药表面活性剂缔合结构的组成

纳米药物是以纳米级高分子毫微粒(NP)或微球(NS)、微囊(NC)、微乳液等为载体，与药物以一定方式结合在一起后制成的药物。与常规药物相比，纳米药物具有颗粒小、比表面积大、表面反应活性高、活性中心多、催化效率高、吸附能力强等特性，因此它有许多常规药物所不具有的优点。

如缓释药物，改变药物在体内的半衰期，延长药物的作用时间；制成导向药物后作为“生物导弹”达到靶向输药至特定器官的目的。与以一般的物理化学性质的研究不同，用于药物载体领域的表面活性剂缔合结构的各组分要安全无毒，所形成的缔合结构对药物有较大的包载能力，而且保证药物分子不失去其所具有的生物活性。

（1）胶束

表面活性剂(特别是大分子表面活性剂)胶束作为药物载体的应用前景广阔。胶束能够增加疏水性药物在体液中的溶解度，延长药物的作用时间，提高药物的生物利用度。改造后的靶向胶束能够增加药物到达病变部位的比例，降低药物对正常组织的毒副作用。而且不同形态的胶束作为药物载体具有不同的药物包裹与释放原理，将成为人们研究的新热点。

表面活性剂胶束作为药物载体，目前研究最活跃的体系是大分子表面活性剂嵌段共聚物，如PB(聚1,2－丁二烯)－PEO(聚氧乙烯)、PCL(聚己内酯)－PEO、PEO－PPO(聚氧丙烯)－PEO等，它们形成的大分子胶束作为药物和DNA载体的探索方兴未艾。通过改变亲水基和分子量的大小，嵌段共聚物还可以形成多种形态的胶束结构(如星型胶束和平头胶束)。

与其他表面活性剂相比，它的各种胶束缔合结构的载药量更大而且可以调控，生物兼容性更好，可承载的药物的类型更为广泛。如PEG(聚乙二醇)-PCL嵌段共聚物形成的胶束已经成功地被用来作为二氢睾酮的载体。二氢睾酮在25℃水中的溶解度仅42mgdm-3，而聚合物胶束可以使它的溶解度增加至12.8gdm-3，并且药物的活性没有发生变化。

胶束尺寸大小和病毒相仿，适合于在体内传输。其研究表明，胶束表面嵌上合适的抗体可以将增溶了模型药物的Pluronic胶束定向输送到动物脑部，从而提高药效，降低副作用。Pluronic嵌段共聚物胶束可能成为将多种药物导向特定部位的有效载体。PEO－PPO－PEO三嵌段共聚物(商品名为Pluronics)。

大分子胶束跨膜传输药物的机理也相继被提出。根据Zastre的观点，在胶束表面接枝配体蛋白，这些配体蛋白与细胞膜上特定的受体蛋白通过氢键、离子键、疏水力等相结合，结合在细胞表面的胶束粒子被细胞的双层膜包裹，下陷的脂膜逐渐与细胞膜整体分离而形成小囊泡－胞内体，进入细胞液。在运动中胞内体的pH值不断减小，最终与低pH的溶酶体融合，药物被释放到溶酶体中进而被消化利用，构成胞内体的膜重新回到细胞膜上参与膜循环。（2）微乳

微乳液作为载药系统，具有如下优点：(1)为各向同性、热力学稳定的透明液体，可过滤灭菌，易于制备和保存；(2)O/W型微乳可增加疏水性药物的溶解度，W/O型微乳可增强水溶性药物的稳定性，防止水解，并对水溶性药物的释放起到缓释作用；(3)低乳度，注射时不会引起疼痛；(4)药物分散性好，吸收迅速，可提高生物利用度。微乳载药系统近年来已得到广泛的研究与应用。

水包油(O/W)型微乳液由于具有较强的增溶脂溶性药物分子的能力，又有较高的稀释稳定性，因此受到特别的青睐，尤其是在口服给药及静脉注射方面。抗癌药物喜树碱在水溶液中很难溶解，若改用微乳液则可大大提高它的溶解度，其在微乳液中的溶解量是水溶液中的23倍，是胶束溶液中的5倍，且室温下性质稳定。

微乳液具有较高的扩散性和皮肤渗透性，因而在透皮吸收制剂的研究方面也受到极大关注此外，微乳液在眼黏膜给药方面也有着重要的应用。滴眼液在使用时由于其刺激性及人体自身的条件反射，大部分药液随眨眼和眼泪而流失，因此，滴眼液的生物利用率非常低(1%~10%)。而若将其制成微乳液可以很好的解决这一问题(90%)。

非离子型表面活性剂所形成的微乳液，其液滴表面常因为吸附连续相中的离子而带电。人的眼角膜是带负电的，带正电的微乳液液滴由于电性吸附作用，可以在眼角膜上吸附较长时间，这就减少了药物随眨眼和泪液引流而造成的损失。而药物在角膜上吸附时间的延长又有利于药物的缓慢释放。再者微乳液是透明的热力学稳定体系，外观上和普通滴眼液相似。(3)囊泡作药物载体

囊泡所具有的双层膜结构使其成为潜在的理想的体内药物载体，既可以携带水溶性药物(如氨基酸、多肽、蛋白类药物)，将药物包封在微水相内，也可以携带油溶性药物，将药物增溶在双层膜中。

与胶束、微乳液相比，囊泡体系作为药物载体有如下特点：(a)更大的增溶量；(b)双层膜具有更强的牢固性和稳定性；(c)比表面大，可通过组成、pH、盐来调节粒径的大小和药物分子的渗透率。

由磷脂双分子层组成的单室或多室囊泡－即脂质体，是目前研究最多的靶向药物载体。但脂质体的性能仍存在缺点：

(a)脂质体在体内很容易被免疫系统识别和吞噬，还没有到达靶区，就可能被机体清除掉；

(b)由于其化学不稳定性，制备及贮藏困难，药物包裹率不高且易发生渗漏而失去靶向性；(c)所用原料磷脂难以纯化，且易氧化变质而降低膜流动性导致被包裹药物的渗漏。目前在形成稳定囊泡方面，一个成功的尝试是在囊泡表面键合一定数目的亲水性的聚氧乙烯链以改变囊泡表面的物理化学性质。用以多氧乙烯为亲水基的传统的非离子表面活性剂形成的囊泡比由磷脂形成的脂质体具有更好的稳定性。

聚氧乙烯链为囊泡提供了一个空间屏障，一方面降低血浆蛋白与囊泡表面的相互作用，减少了囊泡被血液中的调理素识别并清除的机会；而且有效地保护了囊泡不被巨噬细胞吞噬，使之可以到达更多的组织器官，提高了体内稳定性；另一方面减少了囊泡-囊泡的相互接触和融合，提高了体外稳定性。。

此外，由表面活性剂性形成的囊泡具有比脂质体更小的粒径，可以在循环系统停留更长的时间，实现持续药效，大大拓宽了囊泡作为药物载体的应用范围。两性嵌段共聚物也可自发形成囊泡，以其良好的稳定性、流动性和渗透性正逐渐引起药物载体研究的兴趣。

长链的-氨基酸酯能形成多肽囊泡，具有良好取向的高密度的反应基团在囊泡中形成肽键。而且聚肽囊泡还具有良好的生物降解性，是潜在的药物载体体系。

非离子表面活性剂囊泡(niosomes)又称类脂囊泡，是合成的非离子表面活性剂与胆固醇(CH)形成的一种单层或多层的药物载体，其结构组成与脂质体相似，不仅具有靶向性、长效性和缓释性，而且化学性质稳定、价廉。因此，由非离子表面活性剂囊泡作为药物载体的研究得到了广泛的关注。

但对水溶性药物来说，包封率普遍较低，如：阿霉素，甲氨蝶呤，长春新碱，利福平，羧基荧光素，头孢唑啉钠等。只有极少数药物的包封率较高，如秋水仙碱。

2.药物载体的几种类型

(1)纳米囊(nanocapsule)

纳米囊结构和微囊相似，但纳米囊粒径小得多，一般为10nm～100nm。纳米囊主要由聚乳酸、聚丙交酯-乙交酯、壳聚糖和明胶等能够生物降解的高分子材料制备，可用于包裹亲水性或疏水性药物。

(2)长循环纳米粒

众所周知，人体的防御功能很强，其强大的网状内皮吞噬系统（RES）对外来异物识别能力很强。因此，载药纳米粒进入人体后，会被RES中的巨噬细胞从血液中迅速清理掉。为避免载药纳米粒很快被巨噬细胞吞噬，解决在体内循环时间短的问题，就需制备长循环聚合物纳米粒。长循环的主要途径是通过表面修饰来改变微粒的表面性质，以达到长循环的效果。

研究表明，将聚合物纳米粒用表面活性剂进行表面修饰后，药物的半衰期会显著地增加，纳米粒在体内的循环时间也相应延长。粒径控制在100nm左右并用亲水性材料如聚乙二醇进行表面修饰的纳米脂质体在静脉注射后兼具“长循环”和“隐形”或“立体稳定”的特点，对减少肝脏巨噬细胞对药物的吞噬、提高药物靶向性、阻碍血液蛋白质成分与磷脂等的结合、延长体内循环时间等具有重要作用。(3)磁性药物制剂

磁性药物制剂是将药物与铁磁性物质共包于载体中。这种载体是用磁性材料和具有一定通透性但不溶于水的骨架材料所组成，骨架材料包括天然表面活性剂如，白蛋白、明胶、卵磷脂以及合成表面活性剂如失水山梨醇脂肪酸酯(Span)类等。这种制剂应用于体内后，利用体外磁场效应引导药物在体内定向移动和定位集中，使药物定位释放，也可能还有磁疗作用。3.载体纳米药物的缓、控释

纳米药物的粒径使它具有特殊的表面效应和小尺寸效应等，与常规药物相比，它颗粒小、表面反应活性高、活性中心多、催化效率高、吸附能力强，因此它具有许多常规药物不具备的优点。当药物颗粒粒径达到纳米水平时，药物的总表面积大大增加，药物的溶出速率随之提高，与给药部位接触面积增大，提高了单位面积药物浓度。

同时由于载药纳米粒较好的黏附性及小粒径，药物与吸收部位的接触时间延长，增加了药物在吸收部位上皮组织黏液层中的浓度，并延长了药物的半衰期，因此提高了药物的生物利用度。控制释放给药系统(controlledreleasedrugdeliverysystem，CRDDS)是指通过物理、化学等方法改变制剂结构，使药物在预定时间内主动按某一速度从制剂中恒速释放于作用器官或特定靶组织，并使药物浓度较长时间维持在有效浓度内的一类制剂，即具备缓释、控释两大特性。这两种特性可克服普通制剂的“峰谷”现象，使体内药物浓度保持平稳，减少给药次数，提高药效和安全度。纳米药物要实现缓释，延长体内的循环时间，可通过表面修饰来改变微粒的表面性质，以达到长循环的效果。

纳米粒表面的亲水性与亲脂性将影响到纳米粒与调理蛋白的吸附结合力的大小，从而影响到吞噬细胞对其吞噬的快慢。一般而言，纳米粒的表面亲脂性越大，其对调理蛋白的结合力越强，故要延长纳米粒在体内的循环时间需增加其表面的亲水性，这是对纳米粒进行表面修饰时选择材料的一个必要条件。常用表面活性剂主要是聚乙二醇、聚氧乙烯、泊洛沙姆、聚山梨醇等。

纳米粒的表面电荷影响到纳米粒与体内物质如调理素等的静电作用力，负电荷表面往往使纳米粒相对于正电荷或中性表面在体内更易被清除，而中性表面更适合于延长纳米粒在体内的循环时间，故常用非离子表面活性剂。这类非离子表面活性剂包衣纳米粒长循环的机制被认为是不带电荷，亲水表面的包衣层以及聚合物的立体排阻效应，有效地阻断了巨噬细胞对纳米粒的吞噬过程。亲水性的包衣能减少纳米粒对血中成分的吸附，从而降低血浆蛋白的调理作用。表面活性剂吸附层度增加使吞噬细胞的吞噬功能下降，一般认为表面层的厚度大于10nm能有效发挥空间位阻作用。8.3.3.脂质体、类脂质体及其作用1.脂质体的类型

近年来，对药物缓控释的研究，产生了一些新型脂质体：(1)温度敏感脂质体脂质膜在由“凝胶态”转到“液晶”结构时，其磷脂的脂酰链紊乱度及活动度增加，膜的流动性也增大，此时包封的药物的释放速率亦增大，此温度称为脂质体的相变温度。根据这一原理制备的脂质体成为温度敏感脂质体。

人们提出使肿瘤或局部感染病灶升温，使局部温度高于相变温度，使脂质体包封的药物在局部快速释放，以提高脂质体的靶向性。如以二棕榈酰磷脂酰胆碱和单棕榈酰磷脂酰胆碱为原料制备了温度敏感多柔比星脂质体，发现其在39℃下迅速释放，前20s释放药物50%，42℃下药物释放达到>60%，具有较好的温度控释特性。(2)pH敏感脂质体根据肿瘤附近的pH值比周围正常组织低的事实，设计了pH敏感脂质体。

采用不同的膜材或调节脂质组成比例，可获得具有不同pH

敏感性的脂质体。要形成稳定的脂质体，还要加入含有滴定酸性基团的物质，最常见的是含有羧基的脂质，如油酸、半琥珀酸胆固醇、棕榈酰同型半胱氨酸等。

目前常用的pH敏感脂质体为二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)。当脂质体处于中性pH环境时，DOPE的羧基离子可提供有效静电进行排斥，使脂质体保持稳定，当pH改变时，双层脂质体可转变成六角相，引发脂质体膜不稳定、聚集、融合、释放内容物。从而将包封物导入细胞质并主动靶向到病变组织，提高药物的靶向性。(3)免疫脂质体免疫脂质体是机体修饰的脂质体的简称。近年来，将癌细胞当作抗原细胞，使产生对抗这种癌细胞的单体。然后将这种抗体结合到脂质体上，从而使这种脂质体能够将药物定向输送到癌细胞，起到良好的疗效。

免疫脂质体携带药物具有靶向性强、毒副作用小、半衰期长、运载量大等优点。(4)掺入糖脂的脂质体将糖脂链的一部分用棕榈酰或具有适当间隔基的胆淄醇基取代得到糖类衍生物，再与含药脂质体混合，在适当的条件下孵育，即得到掺入糖脂的脂质体。这种脂质体可改变其在组织内的分布，且稳定性好。(5)前体脂质体

前体脂质体是将磷脂、药物及附加剂等以适宜方法制成的不具备完整脂质双分子层囊泡结构的一种液态或固态制剂，贮存稳定，经稀释或水化即能转化成脂质体。前体脂质体可在一定程度上克服传统脂质体聚集、融合及药物渗漏等稳定性问题，为工业化生产奠定了基础。

(6)聚合脂质体聚合脂质体是构成脂质体的每个类脂分子通过共价键的形式连接起来的一种新型脂质体，通过共价键把脂质体的双分子膜与表面活性剂分子连接起来。可显著提高其稳定性，降低粒子的融合与聚集，使脂质体中药物渗漏显著降低，延长了有效期。(7)磁性脂质体磁性脂质体是在脂质体中掺入铁磁性物质制成。在体外磁场的作用下，把抗肿瘤药物选择性地输送和定位于靶细胞，从而降低药量，减少毒性，提高疗效。在交变磁场作用下，到达靶区的磁场粒子能迅速升温至有效治疗温度，导致肿瘤组织坏死，而无磁性脂质体的正常组织则不受损伤。

(8)声振波敏感脂质体

将含有声振波敏感分子的脂质体药物给予患者，在其体外施声振波于所选择的靶位区域，使药物在脂质体内释放出，以增加组织细胞对药物的摄取，使靶位的药物浓度升高，从而降低全身毒性。

(9)光敏脂质体

光敏脂质体是将光敏物质的药物包裹在脂质体内，用来进行光学治疗，当在一定波长的光照射时，脂质体膜与囊泡物质间或脂质体之间发生融合作用而释放药物。无论是何种脂质体，都可分为3种类型：小单层状囊；大单层状囊和多层状囊。这3种类型的脂质体各有优缺点。2.脂质体的作用机制脂质体与细胞的相互作用：脂质体属胶体系统，具有靶向和缓释作用，从而提高药物效应，降低不良反应。脂质体与细胞膜相似，能显著增强细胞摄取，延缓和克服耐药性，脂质体在体内细胞水平上的作用有吸附、交换、内吞、融合、渗漏、扩散等。(1)吸附属普通物理吸附现象，受两者离子大小、密度和表面电荷等因素影响。(2)脂交换

脂质体的脂类与细胞膜上脂类发生交换，其过程为脂质与细胞先是吸附，然后在细胞表面的介导下，特异性交换脂类的极性顶部基团或非特异性的交换酰基链。(3)内吞

是脂质体的主要作用机制。脂质体被单核-巨嗜细胞系统细胞，特别是巨嗜细胞作为外来异物吞噬，称内吞作用，通过内吞，脂质体特异地将药物浓集于作用细胞的房内室，也可使不能通过浆膜的药物达到溶酶体内。(4)融合脂质体的膜材与细胞膜的构成物相似而融合，进入细胞内，然后经溶酶体消化释放药物。(5)渗漏渗漏为考察脂质体稳定性指标。当受纤维细胞、肝癌细胞及肝、胆囊细胞等诱导，脂质体内含物质漏出，这也许是细胞表面蛋白质与脂质体相互作用的结果，含适量CH可减少或防止脂质体渗漏。

3.脂质体制备加入到磷脂和胆固醇的有机溶剂的水溶液在超声作用下分散为小水滴。磷脂、胆固醇吸附在水滴表面形成一层单分子膜，从而生成油包水(W/O)微乳液。将微乳液转移到缓冲水溶液上后，有机溶剂中多余的磷脂、胆固醇在与缓冲液的油水界面迅速生成一层单分子膜，在离心作用下，油相中的小水滴穿过油水界面的单分子膜并被其包围，在水相中形成脂质体。4.脂质体作为药物载体的优点

(1)可以在其内水相包封水溶性药物，也可以在外层双层膜包封脂溶性药物。

(2)它和天然生物膜的生物相溶性比较好，在药物学应用中，安全性可靠。然而，脂质体不论其组成、尺寸大小和表面所带电荷如何，它都能够在静脉给药1h后被网状内皮系统(RES)截留。

5.对脂质体表面修饰的目的①延长脂质体的半衰期和提高它在血液循环中的稳定性；②改变脂质体的生物学分布；③产生靶向效应；④使脂质体具有独特的性能，如使它具有对pH、温度和光等外界刺激产生敏感性。8.4.表面活性剂在化学分离中的应用8.4.1.膜分离1.固膜分离：胶束强化超滤法（MEUF）

Michaels1968提出年胶束强化超滤法。

胶团强化超滤(micellarenhancedultrafiltration，MEUF)是直接利用了表面活性剂分子的胶团作用和胶团的增溶作用等性质，并通过超滤膜来实现分离的。用于处理低浓度的金属离子和小分子的溶解性有机物废水。

超滤是一种以静压差为推动力，根据相对分子质量的不同来进行分离的膜技术。超滤膜的孔径约为3～30nm，其压力差为1～10kg/cm2，透过物质的分子量一般小于1000，被截留物质的分子量为1000～300000。传统的超滤通常只能分离水溶液中的大分子物质，无法去除小分子有机物和金属离子。

而在MEUF技术中，金属离子和有机物经过表面活性剂胶团的吸附/溶解后有效直径增大，可以采用大孔径的超滤膜来过滤废水，获得较大的渗透通量。与传统的超滤相比，MEUF技术的成本降低了很多，而且更能有效地去除水中的金属离子和溶解性有机物，对Pb2+，Zn2+，Ni2+，Cu2+和Ca2+等的截留率均大于99.0%，浓缩液中的有色金属离子还可提取再生利用。(1)超滤原理描述超滤传质的动力学过程和机理主要有几种，其一为孔模型，Lacey认为溶质被截留是因为溶质分子太大，不能进入膜孔；或者由于摩擦力，大分子溶质在孔中流动受到的阻碍大于溶剂和水分子溶质。该模型认为大分子溶质不能百分之百的截留，是因为膜孔径有一分布。由孔模型可以预料到，膜的透水量正比于操作压力，而溶质的截留率与压力无关。

其二，索里拉金认为，超滤不仅仅是一种筛孔过滤的过程，它由两个因素决定膜的分离特性：(1)溶质-溶剂-膜材质的相互作用，相互作用力包括范德瓦尔力、静电力、氢键作用力。溶质分子在膜表面或膜孔壁上受到吸引或排斥，影响膜对溶质的分离能力；(2)溶质分子尺寸与膜孔尺寸的相对比较，即膜的平均孔径和孔径分布影响膜的分离特性。(2)MEUF法的原理

在含有有机溶质的污水中加入表面活性剂，其浓度远高于临界胶束浓度cmc。胶团的形成可将原来不溶或难溶于水的有机物带到胶团的内核或表面或“栅栏”之间，从而使该有机物溶解于水中，此即为胶团的增溶作用。通常饱和烃、环烷烃以及其他非极性有机物将被增溶于胶团的内核，而较长碳链的极性有机物如长链醇、胺等则增溶于胶团的“栅栏”之间，同时胶团的体积将增大。

将此溶液通过超滤膜，若超滤膜的孔径小于胶团的直径，则绝大部分表面活性剂分子携带被增溶的有机溶质不能通过超滤膜而被截留，而透过超滤膜的是大量的水和极少数表面活性剂单分子，从而实现水和有机溶质的有效分离。由于截留液的体积相对于处理液要小得多，因此给进一步处