摘要

納米材料分散的穩(wěn)定性通常取決于其較高的表面電荷。這些電荷往往與 pH 值相關(guān)，特別是對(duì)于表面帶有酸性或堿性官能團(tuán)的化學(xué)物質(zhì)。可通過滴定快速分析一系列溶液，以確定穩(wěn)定性如何隨配方的 pH 值變化。這對(duì)含有蛋白質(zhì)的配方尤為有用，因?yàn)槠渲械某煞滞ǔ０瑤д姾拓?fù)電的側(cè)鏈混合物。

引言

布魯克海文儀器公司的自動(dòng)滴定儀（BI-ZTU）為研究人員提供了一種研究 pH 值對(duì) Zeta 電位（ζ）影響的工具。ZTU 是一款配件，與 NanoBrook 系列儀器配套使用，可自動(dòng)測(cè)量合成和生物來(lái)源的納米材料（如蛋白質(zhì)、樹狀大分子、生物大分子和納米顆粒）的等電點(diǎn)。ZTU 使用多個(gè)計(jì)量泵來(lái)抽取不同濃度的酸、堿以及可能的其他滴定劑。該滴定儀可直接與 NanoBrook 連接，用于 Zeta 電位（ζ）和粒徑（d_h）測(cè)量實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)可以設(shè)置為在用戶定義的 pH 值范圍內(nèi)進(jìn)行滴定，或進(jìn)行添加劑滴定，并生成粒徑或 Zeta 電位隨 pH 值或添加劑濃度變化的數(shù)據(jù)。在以下示例中，我們將討論其對(duì) Zeta 電位的影響。

許多商業(yè)化的納米材料會(huì)在其表面電荷或 Zeta 電位顯著降低的條件下發(fā)生聚集。pH 值是控制表面電荷的一個(gè)明確變量，它會(huì)導(dǎo)致各種表面基團(tuán)的電離度（α）發(fā)生變化。

可滴定側(cè)鏈通常分為兩大類：酸性和堿性。酸性側(cè)鏈通常具有較低的 pk_a值，并在 pH>pk_a 時(shí)帶電。相比之下，堿性側(cè)鏈在 pH<pk_a 時(shí)帶電，而在高 pH 時(shí)不帶電。在 pH 滴定中，我們通常只考慮在 pH 值 2- 12 之間可滴定的質(zhì)子；因此，在僅考慮羧酸和胺的簡(jiǎn)單情況下，從低 pH 值到高pH 值的相關(guān)轉(zhuǎn)變是 R-CO₂H 到 R-CO₂^-1，以及 R-NH₃⁺¹ 到 R-NH₂。

如圖1所示，堿性側(cè)鏈的電離度在低 pH 值時(shí)為1，此時(shí)胺帶正電（Z = +1），而在高 pH 值時(shí)質(zhì)子被移除，電離度為0。酸性側(cè)鏈則相反，它們?cè)诘?pH 值質(zhì)子化時(shí)呈中性，此時(shí) Z = 0，而在高 pH 值去質(zhì)子化時(shí)帶電，此時(shí) Z = -1。

為了理解這對(duì)含有酸性和堿性基團(tuán)混合物的樣品（這在蛋白質(zhì)和其他生物樣品很常見）有何影響，我們需要關(guān)注凈電荷（Z^net），而非單個(gè)側(cè)鏈電荷。下面以簡(jiǎn)化情形為例進(jìn)行說明，即每種類型僅存在一個(gè)側(cè)鏈（圖 2）。

合成納米顆粒通常具有單一的主導(dǎo)表面化學(xué)性質(zhì)，這意味著這些顆粒在不同 pH 條件下要么帶電，要么不帶電，其電荷的正負(fù)由表面化學(xué)性質(zhì)決定。而生物來(lái)源的材料，如蛋白質(zhì)或其他生物大分子，通常含有酸性和堿性的混合基團(tuán)。pH 滴定可以作為一種有效的方法，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定未知材料的等電點(diǎn)。

如下文所示，pH 依賴性將取決于表面化學(xué)性質(zhì)；對(duì)蛋白質(zhì)而言，常見的可滴定基團(tuán)是各種氨基酸的側(cè)鏈。常見的酸性氨基酸包括谷氨酸和天冬氨酸，它們都含有羧基側(cè)鏈，而堿性氨基酸如組氨酸、賴氨酸和精氨酸則含有胺基側(cè)鏈。

結(jié)果

一種主要成分基于蛋白質(zhì)的商業(yè)配方在低 pH 值條件下制備而成，隨后使用自動(dòng)滴定儀測(cè)量了Zeta 電位隨 pH 值的變化（圖1）。滴定曲線與零線相交的點(diǎn)可用于估算等電點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)凈電荷為零時(shí)，Zeta 電位也為零或接近零。

如圖3所示，ZTU 可用于含蛋白質(zhì)配方 Zeta 電位的自動(dòng)滴定。從低 pH 值開始，此時(shí)我們認(rèn)為必然存在過量的帶正電基團(tuán)，導(dǎo)致 Zeta 電位為正值（接近ζ = +25 mV）。當(dāng) pH 值接近中性時(shí)，帶負(fù)電和帶正電的側(cè)鏈數(shù)量大致相等，凈表面電荷降至接近零。隨著 pH 值的進(jìn)一步升高，堿性殘基的電荷最終消失，僅留下酸性或帶負(fù)電的基團(tuán)貢獻(xiàn)表面電荷，在 pH 值接近 12 時(shí) Zeta 電位達(dá)到極限負(fù)值（ζ = -40 mV）。通過該滴定實(shí)驗(yàn)我們可以得出結(jié)論：該蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)位于 pH 值 6 附近，此時(shí) ζ 趨近于 0 mV；當(dāng) pH 值低于 4 和高于 9 時(shí)，Zeta 電位足夠高，足以防止聚集。此外，在堿性 pH 值條件下測(cè)得的 Zeta 電位極值高于酸性 pH 值下，這表明該樣品中帶負(fù)電的氨基酸多于帶正電的基團(tuán)。

總結(jié)

• 自動(dòng)滴定儀可用于在較寬 pH 值范圍內(nèi)測(cè)定蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。
• 對(duì)于含有酸性和堿性側(cè)鏈混合基團(tuán)的材料，零（凈）電荷點(diǎn)通常對(duì)應(yīng)于兩種基團(tuán)均會(huì)被電離的 pH 范圍。
• 研究 Zeta 電位隨 pH 值的變化使我們可以通過實(shí)驗(yàn)確定等電點(diǎn)。