儀器: BI-ZTUNanoBrook 系列
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(dh)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 pka值,并在 pH>pka 時(shí)帶電。相比之下,堿性側(cè)鏈在 pH<pka 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(Znet),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)。
