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表面张力是一种使表面分子具有向内运动的趋势，并使表面自动收缩至最小面积的力。表面张力是液体在没有外力影响的情况下，自动收缩成球形的原因。一定条件下的任何纯液体都具有表面张力，20℃时，水的表面张力为 72.75 mN/m。当溶剂中溶入溶质时，溶液的表面张力因溶质的加入而发生变化，水溶液表面张力的大小因溶质不同而改变，如一些无机盐可以使水的表面张力略有增加，一些低级醇则使水的表面张力略有下降，而肥皂和洗衣粉可使水的表面张力显著下降。使液体表面张力降低的性质即为表面活性。表面活性剂是指那些具有很强表面活性、能使液体的表面张力显著下降的物质。此外，作为表面活性剂还应具有增溶、乳化、润湿、去污、杀菌、消泡和起泡等应用性质，这是与一般表面活性物质的重要区别。
表面活性剂之所以能降低液体表面张力，是因为其分子结构中含有两亲基团：亲水基团（极性基团）和亲油基团（非极性基团）。表面活性剂分子一般由非极性烃链和一个以上的极性基团组成，烃链长度一般在 8 个碳原子以上，极性基团可以是解离的离子，也可以是不解离的亲水基团。极性基团可以是羧酸及其盐，磺酸及其盐，硫酸酯及其可溶性盐，磷酸酯基﹑氨基或胺基及其它们的盐，也可以是羟基、酰胺基、醚键﹑羧酸酯基等。如肥皂是脂肪酸类（RCOO - ）表面活性剂，其结构中的脂肪酸碳链（R—）为亲油基团，解离的脂肪酸根（COO—）为亲水基团。
根据分子组成特点和极性基团的解离性质，将表面活性剂分为离子表面活性剂和非离子表面活性剂。根据离子表面活性剂所带电荷，又可分为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和两性离子表面活性剂。
阴离子表面活性剂起表面活性作用的部分是阴离子。
阳离子表面活性剂起表面活性作用的部分是阳离子，也称阳性皂。
这类表面活性剂的分子结构中同时具有正、负电荷基团，在不同pH值介质中可表现出阳离子或阴离子表面活性剂的性质。
这类表面活性剂在水中不解离，分子中构成亲水基团的是甘油、聚乙二醇和山梨醇等多元醇，构成亲油基团的是长链脂肪酸或长链脂肪醇以及烷基或芳基等，它们以酯键或醚键与亲水基团结合，因毒性低，广泛用于外用、口服制剂和注射剂。
高级脂肪酸盐是指肥皂类，通式为（RCOO - ） n M n + 。脂肪酸烃链R一般为C 11 ~C 17 ，以硬脂酸、油酸、月桂酸等较常见。根据M的不同，又可分碱金属皂（一价皂）、碱土金属皂（二价皂）和有机胺皂（三乙醇胺皂）等。它们均具有良好的乳化性能和分散油的能力，但易被酸破坏，碱金属皂还可被钙、镁盐等破坏，电解质可使之盐析。一般只用于外用制剂。
硫酸化物主要是硫酸化油和高级脂肪醇硫酸酯类，通式R·O·SO - 3 M + ，其中脂肪烃链R一般为C 12 ~C 18 。硫酸化油的代表是硫酸化蓖麻油，俗称土耳其红油，为黄色或橘黄色黏稠液，有微臭，约含 48.5%的总脂肪油，可与水混合，为无刺激性的去污剂和润湿剂，可代替肥皂洗涤皮肤，也可用于挥发油或水不溶性杀菌剂的增溶。高级脂肪醇硫酸酯类中常用的是十二烷基硫酸钠（SDS，又称月桂醇硫酸钠、SLS）、十六烷基硫酸钠（鲸蜡醇硫酸钠）、十八烷基硫酸钠（硬脂醇硫酸钠）等。它们的乳化性也很强，并较肥皂类稳定，较耐酸和钙、镁盐，但可与一些高分子阳离子药物发生作用而产生沉淀，对黏膜有一定的刺激性，主要用作外用软膏的乳化剂，有时也用于片剂等固体制剂的润湿剂或增溶剂。
磺酸化物是指脂肪族磺酸化物和烷基芳基磺酸化物等。通式分别为R·SO - 3 M + 和RC 6 H 5 ·SO - 3 M + 。它们的水溶性及耐酸、耐钙、镁盐性比硫酸化物稍差，但即使在酸性水溶液中也不易水解。常用的品种有二辛基琥珀酸磺酸钠（阿洛索-OT）、二己基琥珀酸磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠等，均为目前广泛应用的洗涤剂。
此类表面活性剂的分子结构主要部分是一个五价的氮原子，所以又称为季铵化物，其特点是水溶性大，在酸性与碱性溶液中较稳定，具有良好的表面活性和杀菌、防腐作用。由于毒性较大，只能外用，主要用于皮肤、黏膜和手术器械的消毒。常用品种有苯扎氯铵、苯扎溴铵、度米芬等。
卵磷脂是天然的两性离子表面活性剂。其主要来源是大豆和蛋黄，根据来源不同，又可称豆磷脂或蛋磷脂。卵磷脂的组成十分复杂，包括各种甘油磷脂，如脑磷脂、磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、丝氨酸磷脂、肌醇磷脂、磷脂酸等，还有糖脂、中性脂、胆固醇和神经鞘脂等，其基本结构为：
在不同来源和不同制备过程的卵磷脂中各组分的比例可发生很大的变化，从而影响其使用性能。例如，在磷脂酰胆碱含量高时可作为水包油型乳化剂，而在肌醇磷脂含量高时则为油包水型乳化剂。
卵磷脂外观为透明或半透明黄色或黄褐色油脂状物质，对热十分敏感，在 60℃以上数天内即变为不透明褐色，在酸性和碱性条件以及酯酶作用下容易水解，不溶于水，溶于氯仿、乙醚、石油醚等有机溶剂，是制备注射用乳剂及脂质微粒制剂的主要辅料。
这两类表面活性剂为合成化合物，阴离子部分主要是羧酸盐，其阳离子部分为季铵盐或胺盐，由胺盐构成者即为氨基酸型（R· + NH 2 ·CH 2 CH 2 ·COO - ）；由季铵盐构成者即为甜菜碱型（R· + N·（CH 3 ） 2 ·CH 2 ·COO - ）。氨基酸型在等电点时亲水性减弱，并可能产生沉淀，而甜菜碱型则无论在酸性、中性及碱性溶液中均易溶，在等电点时也无沉淀。
两性离子表面活性剂在碱性水溶液中呈阴离子表面活性剂的性质，具有很好的起泡、去污作用；在酸性溶液中则呈阳离子表面活性剂的性质，具有很强的杀菌能力。
离子表面活性剂广泛用于外用、口服制剂和注射剂，个别品种也用于静脉注射剂。
脂肪酸甘油酯主要有脂肪酸单甘油酯和脂肪酸二甘油酯，如单硬脂酸甘油酯等。脂肪酸甘油酯的外观根据其纯度可以是褐色、黄色或白色的油状、脂状或蜡状物质，熔点 30~60℃，不溶于水，在水、热、酸、碱及酶等作用下易水解成甘油和脂肪酸。其表面活性较弱，HLB值为3~4，主要用作W/ O型辅助乳化剂。
①蔗糖脂肪酸酯。蔗糖脂肪酸酯简称蔗糖酯，是蔗糖与脂肪酸反应生成的一大类化合物，属多元醇型非离子表面活性剂，根据与脂肪酸反应生成酯的取代数不同，有单酯、二酯、三酯及多酯。改变取代脂肪酸及酯化度，可得到不同HLB值（5~13）的产品。
蔗糖脂肪酸酯为白色至黄色粉末，随脂肪酸酯含量增加，可呈蜡状、膏状或油状，在室温下稳定，高温时可分解或发生蔗糖的焦化，在酸、碱和酶的作用下可水解成游离脂肪酸和蔗糖。蔗糖酯不溶于水，但在水和甘油中加热可形成凝胶，可溶于丙二醇、乙醇及一些有机溶剂，但不溶于油。主要用作水包油型乳化剂、分散剂。一些高脂肪酸含量的蔗糖酯也用作阻滞剂。
②脂肪酸山梨坦。脂肪酸山梨坦是失水山梨醇脂肪酸酯，是由山梨糖醇及其单酐和二酐与脂肪酸反应而成的酯类化合物的混合物，商品名为司盘。根据反应的脂肪酸的不同，可分为司盘 20（月桂山梨坦）、司盘 40（棕榈山梨坦）、司盘 60（硬脂山梨坦）、司盘 65（三硬脂山梨坦）、司盘 80（油酸山梨坦）和司盘 85（三油酸山梨坦）等多个品种，其结构如下：
脂肪酸山梨坦是黏稠状、白色至黄色的油状液体或蜡状固体。不溶于水，易溶于乙醇，在酸、碱和酶的作用下容易水解，其HLB值为 1.8~3.8，是常用的油包水型乳化剂，但在水包油型乳剂中，司盘 20 和司盘 40 常与吐温配伍用作混合乳化剂；而司盘 60、司盘 65 等则适合在油包水型乳剂中与吐温配合使用。
③聚山梨酯。聚山梨酯是聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯，是由失水山梨醇脂肪酸酯与环氧乙烷反应生成的亲水性化合物。氧乙烯链节数约为 20，可加在山梨醇的多个羟基上，所以也是一种复杂的混合物。商品名为吐温（Tweens），根据脂肪酸不同，有聚山梨酯 20（吐温20）、聚山梨酯 40（吐温 40）、聚山梨酯 60（吐温 60）、聚山梨酯 65（吐温 65）、聚山梨酯 80（吐温80）和聚山梨酯 85（吐温 85）等多种型号，其结构如下：
聚山梨酯是黏稠的黄色液体，对热稳定，但在酸、碱和酶作用下也会水解。在水和乙醇以及多种有机溶剂中易溶，不溶于油，低浓度时在水中形成胶束，其增溶作用不受溶液pH值影响。聚山梨酯是常用的增溶剂、乳化剂、分散剂和润湿剂。
①聚氧乙烯脂肪酸酯。它是由聚乙二醇与长链脂肪酸缩合而成的酯，通式为R·COO·CH 2 （CH 2 OCH 2 ） n CH 2 ·OH，商品为卖泽。根据聚乙二醇部分的分子量和脂肪酸品种不同而有不同品种。这类表面活性剂有较强水溶性，乳化能力强，为水包油型乳化剂，常用的有聚氧乙烯 40 硬脂酸酯等。
②聚氧乙烯脂肪醇醚。它是由聚乙二醇与脂肪醇缩合而成的醚，通式为RO（CH 2 OCH 2 ） n H，商品有苄泽（Brij），如Brij30 和Brij35 分别为不同分子量的聚乙二醇与月桂醇缩合物；西土马哥为聚乙二醇与十六醇的缩合物；平平加O（PerogolO）则是 15 个单位的氧乙烯与油醇的缩合物。HLB值为 12~18，具有较强的亲水性质。常用做增溶剂及O/W型乳化剂。
本品又称泊洛沙姆（Poloxamer），商品名普郎尼克。根据共聚比例的不同，本品有各种不同分子量的产品。分子量为 1 000~14 000，HLB值为 0.5~30。随分子量增加，本品从液体变为固体。随聚氧丙烯比例增加，亲油性增强；相反，随聚氧乙烯比例增加，亲水性增强。本品作为高分子非离子表面活性剂，具有乳化、润湿、分散、起泡和消泡等多种优良性能，但增溶能力较弱。Poloxamer 188（Pluronic F68）作为一种水包油型乳化剂，可用于静脉乳剂。
当表面活性剂的正吸附到达饱和后继续加入表面活性剂，其分子则转入溶液中，因其亲油基团的存在，水分子与表面活性剂分子相互间的排斥力远大于吸引力，导致表面活性剂分子自身依赖范德华力相互聚集，形成亲油基团向内，亲水基团向外，在水中稳定分散，大小在胶体粒子范围的胶束。在一定温度和一定浓度范围内，表面活性剂胶束有一定的分子缔合数，但不同表面活性剂胶束的分子缔合数各不相同，离子表面活性剂的缔合数在 10~100，少数大于 1 000。非离子表面活性剂的缔合数一般较大，如月桂醇聚氧乙烯醚在 25℃的缔合数为 5 000。表面活性剂分子缔合形成胶束的最低浓度即为临界胶束浓度（CMC）。不同表面活性剂的CMC不同，见表 2.2。具有相同亲水基的同系列表面活性剂，若亲油基团越大，则CMC越小。在CMC时，溶液的表面张力基本上到达最低值。在CMC到达后的一定范围内，单位体积内胶束数量和表面活性剂的总浓度几乎成正比。
表 2.2 常用表面活性剂的临界胶束浓度
当表面活性剂的溶液浓度达到临界胶束浓度时，除溶液的表面张力外，溶液的多种物理性质，如摩尔电导、黏度、渗透压、密度、光散射等多种物理性质发生急剧变化。或者说，溶液物理性质发生急剧变化时的浓度即该表面活性剂的CMC。利用这些性质与表面活性剂浓度之间的关系，可推测出表面活性剂的临界胶束浓度。但测定的性质不同以及采用不同的测定方法得到的结果可能会有差异。另外，温度、浓度、电解质、pH值等因素对测定结果也会产生影响。
表面活性剂分子中亲水和亲油基团对油或水的综合亲和力称为亲水亲油平衡值（HLB）。根据经验，将表面活性剂的HLB值范围限定在 0~40，其中非离子表面活性剂的HLB值范围为 0~20，即完全由疏水碳氢基团组成的石蜡分子的HLB值为 0，完全由亲水性的氧乙烯基组成的聚氧乙烯的HLB值为 20，既有碳氢链又有氧乙烯链的表面活性剂的HLB值则介于两者之间。亲水性表面活性剂有较高的HLB值，亲油性表面活性剂有较低的HLB值。亲油性或亲水性很大的表面活性剂易溶于油或易溶于水，在溶液界面的正吸附量较少，故降低表面张力的作用较弱。
表面活性剂的HLB值与其应用性质有密切关系，HLB值在 3~6 的表面活性剂适合用作W/O型乳化剂，HLB值在 8~18 的表面活性剂适合用作O/W型乳化剂。作为增溶剂的HLB值在 13~18，作为润湿剂的HLB值在 7~9 等。
一些常用表面活性剂的HLB值列于表 2.3。
表 2.3 常用表面活性剂的HLB值
续表
非离子表面活性剂的HLB值具有加和性，例如简单的二组分非离子表面活性剂体系的HLB值可计算如下：
式中， W 表示表面活性剂的量（如质量、比例量等）。如用 45%司盘 60（HLB= 4.7）和 55%吐温60（HLB= 14.9）组成的混合表面活性剂的HLB值为10.31。但上式不能用于混合离子型表面活性剂HLB值的计算。
某制药企业进行溶剂新产品试制，经过配液、滤过、灌装得到的澄明溶剂，灭菌后发现溶液剂出现了浑浊，第二天溶液剂又变澄清透明了。你能分析其中的原因吗？针对该情况，你能提出改进措施吗？
①起昙与昙点。对于聚氧乙烯型非离子表面活性剂，温度升高可导致溶解度下降，表面活性剂析出，溶液出现浑浊，此现象称为起昙，此时的温度称为浊点或昙点。其原因是加热使聚氧乙烯链与水之间的氢键断裂，表面活性剂溶解度急剧下降。当温度降低到昙点以下时，氢键重新形成，溶液恢复澄明。在聚氧乙烯链相同时，碳氢链越长，浊点越低；在碳氢链长相同时，聚氧乙烯链越长则浊点越高。如吐温 20 浊点为 90℃，吐温 60 浊点为 76℃。起昙现象可能影响表面活性剂在制剂中的作用，进而影响制剂的物理稳定性。如含有能产生起昙现象的表面活性剂的制剂，在温度达到昙点时表面活性剂析出，增溶性降低，从而使被增溶的物质析出，在温度下降后难恢复，进而对制剂稳定性产生影响。
②克氏点（Krafft点）。离子表面活性剂一般随温度升高，溶解度增大。当上升至某一温度，其溶解度急剧升高，此温度称为Krafft点，相对应的溶解度即为该离子表面活性剂的临界胶束浓度。Krafft点是离子表面活性剂的特征值，通常也是表面活性剂应用温度的下限；只有在温度高于Krafft点时表面活性剂才能更大程度地发挥作用。如十二烷基磺酸钠的克氏点约为 70℃，室温时不能充分发挥其去污、起泡作用；十二烷基硫酸钠的克氏点约为 8 ℃，冬天时不能充分发挥其良好的乳化作用。
研究发现表面活性剂的存在可能增进药物的吸收也可能降低药物的吸收，取决于多种因素的影响。如药物在胶束中的扩散、生物膜的通透性改变、对胃空速率的影响、黏度等，很难作出预测。
如果药物被增溶在胶束内，药物从胶束中扩散的速度和程度及胶束与胃肠生物膜融合的难易程度具有重要影响。如果药物可以顺利从胶束内扩散或胶束本身迅速与胃肠黏膜融合，则增加吸收，例如，应用吐温 80 明显促进螺内酯的口服吸收。如使用 1.25%吐温 80 时，水杨酰胺的吸收速度为 1.3 mL/ min，而当浓度增加到 10%时，吸收速度仅为 0.5 mL/ min。
表面活性剂溶解生物膜脂质增加上皮细胞的通透性，从而改善吸收，如十二烷基硫酸钠改进头孢菌素钠、核黄素、维生素A等药物的吸收。但长期的类脂质的损失可能造成肠黏膜的损害。
蛋白质分子结构中的氨基酸的羧基在碱性条件下发生解离而带有负电荷，在酸性条件下结构中的氨基或胺基发生解离而带有正电荷。因此在两种不同带电情况下，分别与阳离子表面活性剂或阴离子表面活性剂发生电性结合。此外，表面活性剂还可能破坏蛋白质二维结构中的盐键、氢键和疏水键，从而使蛋白质各残基之间的交联作用减弱，螺旋结构变得无序或受到破坏，最终使蛋白质发生变性。
一般而言，阳离子表面活性剂的毒性最大，其次是阴离子表面活性剂，非离子表面活性剂毒性最小。两性离子表面活性剂的毒性小于阳离子表面活性剂。小鼠口服 0.063%氯化烷基二甲铵后显示慢性毒性作用，而口服 1%二辛基琥珀酸磺酸钠仅有轻微毒性，而相同浓度的十二烷基硫酸钠则没有毒性反应。非离子表面活性剂口服一般认为无毒性，例如成人每天口服4.5~6.0 g吐温 80，连服 28 天，有的人服用达 4 年之久，都未见明显的毒性反应。
表面活性剂用于静脉给药的毒性大于口服。一些表面活性剂的口服和静脉注射的半数致死量见表 2.4。其中，仍以非离子表面活性剂毒性较低，供静脉注射的Poloxamer 188 毒性很低，麻醉小鼠可耐受静脉注射 10%该溶液 10 mL。
表 2.4 一些表面活性剂的半数致死量（mg/kg小鼠）
阴离子及阳离子表面活性剂不仅毒性较大，而且还有较强的溶血作用。例如，0.001%十二烷基硫酸钠溶液就有强烈的溶血作用。非离子表面活性剂的溶血作用较轻微，在亲水基为聚氧乙烯基非离子表面活性剂中，以吐温类的溶血作用最小，其顺序为：聚氧乙烯烷基醚>聚氧乙烯芳基醚>聚氧乙烯脂肪酸酯>吐温类；吐温 20>吐温 60>吐温 40>吐温 80。目前吐温类表面活性剂仍只用于某些肌内注射液中，一般不用于静脉注射。
虽然各类表面活性剂都可以用于外用制剂，但长期应用或高浓度使用可能出现皮肤或黏膜损害。例如，季铵盐类化合物浓度高于 1%即可对皮肤产生损害，十二烷基硫酸钠产生损害的浓度为 20%以上，吐温类对皮肤和黏膜的刺激性很低，但同样一些聚氧乙烯醚类表面活性剂在 5%以上浓度即产生损害作用。
表面活性剂在水溶液中达到CMC后，一些水不溶性或微溶性物质在胶束溶液中的溶解度可显著增加，形成透明胶体溶液，这种作用称为增溶。例如，甲酚在水中的溶解度仅 2%，但在肥皂溶液中，却能增加到 50%。0.025%吐温可使非洛地平的溶解度增加 10 倍。在药剂中，一些挥发油、脂溶性维生素、甾体激素等许多难溶性药物常可借此增溶，形成澄明溶液及提高浓度。
互不相溶的两种液体混合，其中一种液体以液滴状态分散于另一种液体中，这一个过程称为乳化，形成的非均相液体分散体系称为乳剂或乳状液。具有乳化作用使乳剂稳定的物质，称为乳化剂。表面活性剂分子在两种互不相溶的液体的界面定向排列，使界面张力降低，使乳剂易于形成；同时其在分散液滴周围形成保护膜，防止液滴相互碰撞而聚结合并，从而提高乳剂的稳定性。表面活性剂的亲水亲油平衡值（HLB），可决定乳剂的类型（详见任务 2.7 乳剂）。
润湿是指液体在固体表面的黏附现象。促进液体在固体表面铺展或渗透现象的作用称为润湿作用，具有润湿作用的表面活性剂称为润湿剂。在溶液中加入润湿剂后，由于其分子能定向吸附在固-液界面，排除固体表面吸附的气体，降低固-液界面张力，使液体能黏附在固体表面上，从而使固体易被润湿。润湿剂最适合的HLB值一般为 7~9，并应有适宜的溶解度。在制备疏水性药物的混悬液时，常遇到固体微粒不易被润湿，漂浮于液面或下沉现象，此时添加润湿剂可改善固体微粒的润湿性，使其易于均匀分散（详见任务 2.6 混悬剂）。
泡沫是气体分散在液体中的分散体系。一些含有表面活性剂或具有表面活性物质的溶液，如中草药的乙醇或水浸出液，含有皂苷、蛋白质、树胶以及其他高分子化合物的溶液，当剧烈搅拌或蒸发浓缩时，可产生稳定的泡沫。表面活性剂吸附在气-液界面，通过降低液体的界面张力使泡沫稳定。具有发生泡沫和稳定泡沫作用的表面活性剂称为起泡剂，这些表面活性剂通常有较强的亲水性和较高的HLB值，如肥皂、十二烷基苯磺酸钠，常用于皮肤、腔道和黏膜制剂中，通过形成泡沫使药物在用药部分均匀分散且不易流失。
一些含有表面活性剂或具有表面活性物质的溶液，如中草药的乙醇或水浸出液，含有皂苷、蛋白质、树胶以及其他高分子化合物的溶液，当剧烈搅拌或蒸发浓缩时，可产生稳定的泡沫而影响操作。在这种情况下，可加入一些HLB值为 1~3 的亲油性较强的表面活性剂，破坏泡沫，这种用来消除泡沫的表面活性剂称为“消泡剂”。消泡剂可与泡沫液层的起泡剂争夺液膜表面而吸附在泡沫表面上，取代原来的起泡剂，而其本身并不能形成稳定的液膜，故使泡沫破坏。少量的辛醇、戊醇、醚类、硅酮等也可起到消泡的作用。
去污剂或称洗涤剂是用于除去污垢的表面活性剂，HLB值一般为 13~16。常用的去污剂有油酸钠和其他脂肪酸的钠皂、钾皂、十二烷基硫酸钠或烷基磺酸钠等阴离子表面活性剂。去污的机理较为复杂，包括对污物表面的润湿、分散、乳化﹑增溶、起泡等多种过程。
大多数阳离子表面活性剂和两性离子表面活性剂都可用做消毒剂，少数阴离子表面活性剂也有类似作用，如甲酚皂、甲酚磺酸钠等。表面活性剂的消毒或杀菌作用可归结于它们与细菌生物膜蛋白质的强烈相互作用使之变性或破坏。这些消毒剂在水中都有比较大的溶解度，根据使用浓度，可分别用于手术前皮肤消毒、伤口或黏膜消毒、器械消毒和环境消毒等，如苯扎溴铵为一种常用广谱杀菌剂，对革兰阳性和阴性菌如大肠埃希菌、痢疾杆菌、霉菌等经过几分钟接触即可杀灭，皮肤消毒可用0.5%醇溶液，局部湿敷和器械消毒则分别用0.02%和0.05%的水溶液。