摘要

納米材料分散的穩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，特別是對于表面帶有酸性或堿性官能團的化學物質。可通過滴定快速分析一系列溶液，以確定穩定性如何隨配方的 pH 值變化。這對含有蛋白質的配方尤為有用，因為其中的成分通常包含帶正電和負電的側鏈混合物。

引言

布魯克海文儀器公司的自動滴定儀（BI-ZTU）為研究人員提供了一種研究 pH 值對 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，可自動測量合成和生物來源的納米材料（如蛋白質、樹狀大分子、生物大分子和納米顆粒）的等電點。ZTU 使用多個計量泵來抽取不同濃度的酸、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）測量實驗。該系統可以設置為在用戶定義的 pH 值范圍內進行滴定，或進行添加劑滴定，并生成粒徑或 Zeta 電位隨 pH 值或添加劑濃度變化的數據。在以下示例中，我們將討論其對 Zeta 電位的影響。

許多商業化的納米材料會在其表面電荷或 Zeta 電位顯著降低的條件下發生聚集。pH 值是控制表面電荷的一個明確變量，它會導致各種表面基團的電離度（α）發生變化。

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

如圖1所示，堿性側鏈的電離度在低 pH 值時為1，此時胺帶正電（Z = +1），而在高 pH 值時質子被移除，電離度為0。酸性側鏈則相反，它們在低 pH 值質子化時呈中性，此時 Z = 0，而在高 pH 值去質子化時帶電，此時 Z = -1。

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

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

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

結果

一種主要成分基于蛋白質的商業配方在低 pH 值條件下制備而成，隨后使用自動滴定儀測量了Zeta 電位隨 pH 值的變化（圖1）。滴定曲線與零線相交的點可用于估算等電點，因為當凈電荷為零時，Zeta 電位也為零或接近零。

如圖3所示，ZTU 可用于含蛋白質配方 Zeta 電位的自動滴定。從低 pH 值開始，此時我們認為必然存在過量的帶正電基團，導致 Zeta 電位為正值（接近ζ = +25 mV）。當 pH 值接近中性時，帶負電和帶正電的側鏈數量大致相等，凈表面電荷降至接近零。隨著 pH 值的進一步升高，堿性殘基的電荷最終消失，僅留下酸性或帶負電的基團貢獻表面電荷，在 pH 值接近 12 時 Zeta 電位達到極限負值（ζ = -40 mV）。通過該滴定實驗我們可以得出結論：該蛋白質的等電點位于 pH 值 6 附近，此時 ζ 趨近于 0 mV；當 pH 值低于 4 和高于 9 時，Zeta 電位足夠高，足以防止聚集。此外，在堿性 pH 值條件下測得的 Zeta 電位極值高于酸性 pH 值下，這表明該樣品中帶負電的氨基酸多于帶正電的基團。

總結

• 自動滴定儀可用于在較寬 pH 值范圍內測定蛋白質的穩定性。
• 對于含有酸性和堿性側鏈混合基團的材料，零（凈）電荷點通常對應于兩種基團均會被電離的 pH 范圍。
• 研究 Zeta 電位隨 pH 值的變化使我們可以通過實驗確定等電點。