表面活性剂是一类具有表面活性特性的分子。 该行为是由于其带有双亲性的结构，即同时带有极性/亲水端和非极性/疏水端 [1]。
一般根据端基类型对表面活性剂进行分类 [2]：
离子表面活性剂被吸收至表面，生成电荷。 阳离子表面活性剂将导致表面带正电荷，阴离子表面活性剂将导致表面带负电荷。
非离子表面活性剂分子在水介质中不带电荷，但是一般含有高度极性的组分，如聚氧乙烯基团。 两性表面活性剂根据溶液的pH，可带负电荷或正电荷。
在低浓度下，表面活性剂分子是非缔合的单体。 随着表面活性剂浓度的提高，分子之间的吸引力和排斥力会形成自组装现象，从而导致单层膜结构或胶束形成（图1）。 形成胶束的浓度被称为“临界胶束浓度”（CMC）。 胶束的特性可通过表面活性剂分子化学结构的细微变化或通过改变分散相的条件进行控制。 众所周知，pH、离子强度和温度的变化可影响表面活性剂胶束的粒度和形状。 在某些情况下，胶束的粒度可能受到表面活性剂浓度的影响。
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科研人员采用了各种技术来研究表面活性剂胶束 [3-5]。 本应用笔记探讨了光散射技术在表面活性剂表征的各个方面的应用。
动态光散射（DLS）是用于样品，特别是亚微米级样品粒度检测的技术。 该技术检测进行随机布朗运动的颗粒发出的散射光强度随着时间推移发生的波动。 分析这些强度波动可得到扩散系数，从而可通过Strokes-Einstein等式得到粒度。
传统DLS仪器采用90º探测角。该光学配置的敏感度可能不足以保证成功测量表面活性剂胶束。
Zetasizer Nano仪器系列采用非侵入式背侧散射（NIBS）光学元件 [6-8]， 以173°探测散射光。该新颖的光学设计可最大程度地实现散射光探测，同时保持信号质量。 这提供了在低浓度下测量纳米颗粒粒度（如表面活性剂胶束）所需的高敏感性。
本应用报告的所有测量结果均采用Zetasizer Nano S在25ºC下完成。 Nano S带有一个在633nm波长下操作的4mW氦-氖激光器和一个雪崩光电二极管（APD）检测仪。
在Zetasizer Nano S上进行各种表面活性剂胶束的粒度测量。 表1总结了每个样品的Z平均直径（单位：纳米）和多分散指数值。 制备的胶束浓度是表面活性剂临界胶束浓度的两倍。 Z平均直径是指平均流体动力学直径，多分散指数是指分布宽度的估计值。 这些参数均根据国际标准ISO 13321，采用动态光散射技术计算 [9]。
| 表面活性剂 | 临界胶束浓度（mM） | z平均直径（nm） | 多分散指数 |
|---|---|---|---|
| Triton XL-80N | 0.195 | 7.0 | 0.062 |
| Triton X-100 | 0.3 | 7.5 | 0.055 |
| Tween 20 | 0.059 | 8.5 | 0.211 |
| Tween 80 | 0.012 | 10.7 | 0.167 |
| Nonidet P40 | 0.25 | 15.4 | 0.207 |
Zetasizer Nano 系列采用的NIBS光学元件的敏感性可确保快速确定表面活性剂胶束，无需使用大功率激光器。
表面活性剂的临界胶束浓度是采用各种技术计算出来的，如导电性、表面张力和荧光测量 [3-5]。
动态光散射技术特别适用于确定CMC。 根据本报告总结的结果，对去离子水制备的Triton X-100的不同浓度进行测量。 在CMC以下，每种浓度下探测到的散射光强度与从水中获得的强度相似。 此外，获得的自动相关函数表明信噪比非常差，即截距非常低，且无法从该数据中获得尺寸分布信息。 但是，一旦达到CMC，由于存在胶束，散射光的强度增强，相关函数的截距也更高。 图2显示了分别在 0.05mM（低于CMC）和0.6mM（高于CMC）的Triton X-100浓度下获得的相关函数。
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图3以Triton X-100浓度（mM）的函数，表示散射光的强度（单位：每秒1000计数）和胶束粒度（单位：纳米）。 强度数据表明，当低于CMC时，探测到的Triton X-100浓度的散射与去离子水的散射类似。 当达到CMC时，散射强度随着浓度的提高表现出线性增长。 0.25mM浓度下两条线之间的相交点与Triton X-100的CMC对应，这与文献数据非常吻合 [10]。
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胶束聚合数目是指每个胶束的表面活性剂分子数量，通常取决于分散相的条件 [11]。 如果已知胶束的分子量和表面活性剂单体，可确定胶束的聚合量。
可采用静态光散射技术确定绝对分子量 [12]。 但是，制备该技术所需的样品非常耗时。 使用流体动力学直径和分子/颗粒构象之间的实验关系，便可根据DLS测量结果估算分子量值。 该分子量计算器已经结合到Zetasizer Nano软件中。
流体动力学直径为7.5nm的球状颗粒，如Triton X-100胶束可估算72KDa的分子量。 Triton X-100单体的平均分子量为631Da [10]。 因此。Triton X-100胶束的聚合量为114。 这与采用其它技术获得的文献资料所报告的类似数据相符 [13, 14]。
动态光散射是研究表面活性剂胶束的理想技术，因为它是一种非侵入式技术，可在样品的原本溶液环境下进行测量。
表面活性剂浓度和分散条件对表面活性剂胶束的粒度和粒形条件的影响已经有广泛报告 [15-17]。 为了说明DLS研究这些效应的应用，在存在0.1M 溴化钠时测量各种浓度的离子表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）。 图4显示了在0.1M溴化钠中制备的DTAB在不同浓度下的Z平均直径（单位：纳米）。 测量到的粒度随着表面活性剂浓度的提高而逐渐变小。 根据获得的粒度可知，DLS技术能够监控小于1纳米的变化。
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据报道，胶束粒度之所以随着表面活性剂浓度的增加而变小，是由于DTAB胶束之间的高电荷排斥力引起的，该排斥力提高了胶束的扩散速度 [15]。 这与流体动力学直径的降低相对应。
动态光散射是对表面活性剂胶束进行表征的理想技术。 本文报告的结论说明了DLS在各种胶束表征的各种研究领域的应用。
[1] D.H. Everett, Basic Principles of Colloid Science (1988) The Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK.
[2] Colloid Science: Principles, Methods and Applications [Ed. T Cosgrove] (2005) Blackwell, Oxford, UK.
[3] K.S. Birdi, Handbook of Surface and Colloid Chemistry (1997), CRC Press, Boca Raton, FL.
[4] A. Dominguez, A. Fernandez, N. Gonzalez, E. Iglesias, and L. Montenegro (1997) J. Chem. Educ.74, 1227.
Y： Nakahara, T. Kida, Y. Nakatsuji and M. Akashi (2005) Langmuir21, 6688.
[6] German patent 19725211
[7] US patent 6016195
[8] Japan patent 2911877
[9] International Standard ISO 22412:2008 Particle size analysis - Dynamic light scattering (DLS)
[10] Handbook of Industrial Surfactants [Compiled by M. Ash and I. Ash] (1993), Gower, UK.
[11] G.D.J. Phillies and J.E. Yambert (1996) Langmuir 12, 3431.
[12] K. Mattison and M. Kaszuba (2003) American Biotech. Lab. June
[13] C.J. Biaselle and D.B. Millar (1975) Biophys. Chem. 3, 355.
[14] P.J. Tummino and A. Gafni (1993) Biophys. J. 64, 1580.
[15] M. Pisarcik, F. Devinsky and E. Svajdlenka (1996) Colloids and Surfaces 119, 115.
{16}S Ozeki and S. Ikeda (1982) J. Colloid. Int. Sci. 87, 424.
[17] V.K. Aswal and P.S. Goyal (2000) Physical Review 61, 2947.
