最大泡壓法測(cè)定明膠等電點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

屈宜春,李 里

(黑龍江大學(xué) 化學(xué)化工與材料學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高他們利用所學(xué)的理論知識(shí)來(lái)解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的能力，使學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中領(lǐng)悟科研探索的思路與方法，各個(gè)高校都在基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中開(kāi)設(shè)了具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。但是這些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，其內(nèi)容的創(chuàng)新性就會(huì)有所降低，所以，不斷研究具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是值得在實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中探索的課題[1]。

明膠的主要成分是氨基酸組成相同而分子量分布很寬的多肽分子混合物，由于它具有極其優(yōu)良的物理性質(zhì)，如膠凍力、親和性、高度分散性、低黏度特性、分散穩(wěn)定性、持水性、被覆性、韌性及可逆性等，被廣泛地用于食品、醫(yī)藥及工業(yè)等行業(yè)。明膠是一種兩性物質(zhì)，明膠的膠團(tuán)是帶電的，在電場(chǎng)作用下，它將向兩極中的某一極移動(dòng)。在某一pH值的溶液中，氨基酸解離成陽(yáng)離子和陰離子的趨勢(shì)及程度相等，明膠分子所帶凈電荷為零，分子呈電中性，此時(shí)溶液的pH稱(chēng)為明膠的等電點(diǎn)。

等電點(diǎn)對(duì)于明膠來(lái)說(shuō)，無(wú)論在生產(chǎn)還是在實(shí)際應(yīng)用中都是一個(gè)非常重要的特性參數(shù)。如在制備高聚物載藥材料時(shí)，必須控制明膠的等電點(diǎn)，從而有利于藥物在體內(nèi)長(zhǎng)距離輸送和靶點(diǎn)釋放[2]，以便使某些特用藥或刺激性較強(qiáng)的藥能在特殊的部位發(fā)揮作用。

明膠在等電點(diǎn)時(shí)會(huì)呈現(xiàn)一些物理化學(xué)特性的變化，如黏度降低[3-4]，濁度增大[5]，滲透壓降低[6]等等。因此大多數(shù)研究明膠等電點(diǎn)的方法都是利用其在等電點(diǎn)時(shí)發(fā)生物理和化學(xué)性能的改變而獲得，如黏度法，乙醇沉淀法[7]、熒光法[8]、 離子交換法[9]等。

表面張力是引起液體表面收縮的單位長(zhǎng)度的力，是由于表面層的分子處于力場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)的環(huán)境中產(chǎn)生的，是物質(zhì)重要的物理化學(xué)性質(zhì)[10]。由于明膠在等電點(diǎn)時(shí)分子的靜電荷數(shù)量是零，那么帶電程度的不同是否會(huì)影響分子間的作用力，進(jìn)而導(dǎo)致明膠的表面張力在等電點(diǎn)時(shí)呈現(xiàn)出一定的變化，能否通過(guò)測(cè)定明膠在不同酸度下的表面張力來(lái)確定明膠的等電點(diǎn)位置，目前研究明膠在等電點(diǎn)時(shí)表面張力變化情況的文獻(xiàn)很少見(jiàn)報(bào)道。

基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用最大泡壓法測(cè)定物質(zhì)表面張力[11-12]，其具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)定快速的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生嘗試設(shè)計(jì)利用最大泡壓法測(cè)定明膠的等電點(diǎn)，研究和探討明膠在等電點(diǎn)時(shí)表面張力的性質(zhì)變化規(guī)律，加深學(xué)生對(duì)表面化學(xué)方面理論知識(shí)以及最大泡壓法實(shí)驗(yàn)原理及技術(shù)的理解，提高他們獨(dú)立思考問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 明膠的等電點(diǎn)

明膠分子由氨基酸分子組成，因此當(dāng)明膠分子處于pH較低溶液中時(shí)帶正電荷，pH較高溶液中時(shí)帶負(fù)電荷。當(dāng)明膠溶液的pH處于每個(gè)數(shù)值時(shí)，明膠分子中的陽(yáng)離子與陰離子數(shù)量恰好相等，即明膠分子的凈電荷為零，此時(shí)的pH值即為明膠的等電點(diǎn)。等電點(diǎn)與明膠的濃度無(wú)關(guān)，取決于明膠的性質(zhì)。明膠的等電點(diǎn)隨膠原的處理過(guò)程的不同而變化不一。一般商品明膠很難具有完全一致的等電點(diǎn)。

1.2 最大泡壓法

一般情況下液體的表面是水平的，而液滴、水中的氣泡的表面則是彎曲的。在一定外壓下，水平液面下的液體所承受的壓力就等于外界壓力，但是由于表面張力的存在，曲面液面下液體不僅要承受外界的壓力，還要受到因液面彎曲而產(chǎn)生的附加壓力。彎曲液面受到的附加壓力，方向總是指向曲率中心。附加壓力與表面張力的關(guān)系可以用拉普拉斯(Laplace)方程表示：

式中，σ為表面張力，r為彎曲表面的曲率半徑，拉普拉斯方程表明彎曲液面的附加壓力與液體表面張力成正比，與曲率半徑成反比，曲率半徑越小，附加壓力越大。

最大泡壓法測(cè)定表面張力的裝置如圖1所示[13]。將被測(cè)液體裝于測(cè)定管中，使玻璃管下端毛細(xì)管端與液面相切，液面沿毛細(xì)管上升，打開(kāi)滴液減壓管的活塞緩緩放水抽氣，則測(cè)定管中的壓力Pr逐漸減小，毛細(xì)管中壓力P0就會(huì)將毛細(xì)管中液面壓至管口，并形成氣泡，其曲率半徑由大到小，直至恰好等于毛細(xì)管半徑r，氣泡曲率半徑達(dá)到最小，根據(jù)拉普拉斯公式，這時(shí)氣泡能承受的壓力差也最大。

圖1 最大泡壓法測(cè)定表面張力實(shí)驗(yàn)裝置圖

隨后大氣壓力將把此氣泡壓出管口。氣泡曲率半徑再次增大，因此氣泡表面膜所能承受的壓力差必然減少，實(shí)際上測(cè)定管中的壓力差卻在進(jìn)一步加大，所以立即導(dǎo)致氣泡的破裂。因此測(cè)得氣泡承受的最大壓差ΔPmax和毛細(xì)管的半徑r，就可以求得液體的表面張力σ。毛細(xì)管的半徑可以通過(guò)測(cè)量已知表面張力的物質(zhì)來(lái)確定。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要儀器

微差儀(DP-AW型，南京桑力電子設(shè)備廠)，超級(jí)恒溫水浴(ZH-2C型，南京桑力電子設(shè)備)，酸度計(jì)(PHS-3C型，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)，可見(jiàn)分光光度計(jì)(722-100型，上海精密儀器儀表有限公司)。

2.2 試劑

1%明膠溶液(明膠，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)，2 mol·L-1NaOH溶液，4 mol·L-1HCl溶液，本實(shí)驗(yàn)中所用試劑均為分析純，水為蒸餾水。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是在恒溫25℃下測(cè)定的。首先通過(guò)測(cè)定純水的最大泡壓來(lái)測(cè)定毛細(xì)管半徑。測(cè)定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 純水的最大泡壓測(cè)定結(jié)果

已知25℃時(shí)純水的表面張力是71.97×10-3N·m-1，將以上數(shù)據(jù)代入拉普拉斯公式，得毛細(xì)管半徑為：

本實(shí)驗(yàn)利用鹽酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)明膠溶液的pH值。明膠溶液在不同pH值下的最大泡壓測(cè)定值與相應(yīng)的表面張力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 明膠溶液在不同pH下的最大泡壓和表面張力

明膠溶液在不同pH值下的表面張力如圖2所示。隨著pH值的增大，明膠溶液的表面張力開(kāi)始顯著降低，pH值在4左右時(shí)表面張力較小，pH值在4～5之間表面張力變化趨勢(shì)非常緩慢，然后隨著pH值的進(jìn)一步增大，表面張力又出現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)。分析認(rèn)為，明膠分子帶電程度不同，分子間的相互作用力將不同。當(dāng)介質(zhì)pH值在等電點(diǎn)附近時(shí)，分子為電中性，此時(shí)分子間作用力較小，根據(jù)表面張力與分子間作用力的關(guān)系，表面張力也較小[9]；當(dāng)介質(zhì)的pH值偏離等電點(diǎn)時(shí)，明膠分子將質(zhì)子化或去質(zhì)子化，從而帶正電或帶負(fù)電，導(dǎo)致分子間作用力增大，表面張力也隨之增大。因此，可以初步得出結(jié)論，明膠的等電點(diǎn)在pH值4～5之間。另外，從圖2可以看出，當(dāng)pH值增加到約為7時(shí)，隨著pH值的繼續(xù)增大，表面張力增大的趨勢(shì)非常小。分析認(rèn)為，這可能是由于此時(shí)介質(zhì)pH值偏離等電點(diǎn)較遠(yuǎn)，明膠分子帶電程度已逐漸趨于飽和，因此導(dǎo)致分子間的作用力變化較小。

圖2 明膠溶液的表面張力和pH的關(guān)系

上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步表明明膠的等電點(diǎn)的范圍應(yīng)在pH值4～5之間，為了確定較精確的等電點(diǎn)位置，進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果如表3所示，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成圖，如圖3所示，可以明顯看出明膠的等電點(diǎn)在pH值約為4.7左右。

表3 明膠溶液在不同pH值下的最大泡壓和表面張力

圖3 明膠溶液的表面張力和pH值的關(guān)系

圖4 吸收波長(zhǎng)400 nm時(shí)明膠溶液的吸光度和pH值的關(guān)系

圖5 吸收波長(zhǎng)600 nm時(shí)明膠溶液的吸光度和pH值的關(guān)系

為了驗(yàn)證以上最大泡壓法的測(cè)定結(jié)果，采用了實(shí)驗(yàn)室中常用的分光光度法測(cè)定了明膠溶液的等電點(diǎn)。如圖4和圖5所示，分別顯示了吸收波長(zhǎng)是400 nm和600 nm時(shí)明膠溶液吸光度與溶液pH值的關(guān)系，從圖中可以看出，在兩個(gè)吸收波長(zhǎng)下，都出現(xiàn)了當(dāng)溶液的pH值接近4.7左右時(shí)，溶液吸光度增大趨勢(shì)顯著，在4.7時(shí)達(dá)到了最大的現(xiàn)象，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，明膠在等電點(diǎn)時(shí)，呈兩性離子狀態(tài)，此時(shí)明膠水合程度小，濁度高，透明度低，因此吸光度大，可以推斷此處為明膠溶液的等電點(diǎn)，由此可見(jiàn)，分光光度法測(cè)定的等電點(diǎn)位置與最大泡壓法測(cè)定的結(jié)果是一致的。

3 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)具有創(chuàng)新性的物理化學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生設(shè)計(jì)利用最大泡壓法測(cè)定明膠的等電點(diǎn)，學(xué)生首先要查閱文獻(xiàn)了解明膠的性質(zhì)、用途等電點(diǎn)的概念，測(cè)定等電點(diǎn)的方法及測(cè)定其的意義，然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方案，獨(dú)立操作完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，明膠在等電點(diǎn)時(shí)由于分子呈現(xiàn)電中性，分子間作用力相對(duì)較小，導(dǎo)致表面張力減小，因此可以通過(guò)最大泡壓法測(cè)定明膠溶液的表面張力隨pH值的變化規(guī)律來(lái)測(cè)定明膠的等電點(diǎn)，測(cè)定結(jié)果與分光光度法測(cè)定結(jié)果相符合。本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展豐富了學(xué)生的理論知識(shí)，提高了他們的實(shí)驗(yàn)技能，也為他們將來(lái)從事科研工作奠定初步的基礎(chǔ)。希望本研究能夠?yàn)閺氖赂咝；A(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同行在教學(xué)改革工作方面提供一些可以借鑒的思路。