表面化学是研究任意两相之间界面发生的物理化学过程的科学。根据两相物理状态不同，界面可以分为气-液、液-液、气-固、固-固等。通常将气相参与组成的相界面叫做表面，其他相态的叫做界面。液体表面最基本的特性就是倾向于收缩，极力表现为小液滴球形，如木质桌面上的小水银珠和荷叶上的水珠，以及液膜自动收缩等现象，均是表面张力和表面自由能导致的结果^[1]。液体表面张力的测定方法有很多种，如毛细管上升法、Du Noüy环法、Wilhelm板法、旋滴法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法等。不同测试方法具有不同的特点^{[2, 3]}，且其应用条件也不同。

毛细管上升法是表面张力测试中最为经典的方法之一^[4]，可用于测定静态平衡的表面张力。但是对于不能完全润湿管壁的液体的表面张力测试过程中需要重新估算接触角，程序复杂，这种检测方法的实际应用并不是特别广泛。旋转液滴法主要应用于测定超低界面张力的测定^[5]，可用于多体系的超低界面张力研究，比如聚合物熔体、原油、沥青、微乳液等物质界面张力测试以及提高石油采收率方面的应用^{[6, 7]}。

最大气泡压力法是测定液体表面张力的一种常用方法^{[8, 9]}，测定时将被测液体放到毛细管中，当毛细管下端端面与被测液体相切时，液体沿着毛细管上升，打开抽气瓶的活塞放水抽气，测定管中的压力逐渐减小，毛细管中压力将管中液面压至管口，形成气泡，曲率半径由大变小，直至恰好等于毛细管半径后，此时所受的压力差为最大，依据拉普拉斯(Laplace)公式(ΔP=2γ/r=ρg-l)获得待测物质的表面张力。这种检测方法设备简单，操作方便，但是由于采用气泡法所产生的气泡是一个不断生成的过程，会扰动液面平衡，导致液体表面温度易发生改变，不易控制气泡形成的速度，气泡在逸出的瞬间读取的气泡最大压力值的准确性也很难保证，毛细管的半径也不易准确测定。

悬滴法依据在水平面上自然形成的液滴的形状测定待测物质的表面张力^{[10, 11]}，其测试表面张力的方法设备复杂，操作麻烦，数据处理也较为复杂，并且需要知道待测物质的物理性质。滴重法是一种较准确的统计计量测算法^[12]。恒温条件下，将待测液体通过管尖，缓慢地形成液滴落入容器内，待收集到足够量的液体时称量，根据液滴的总滴数计算出每滴液滴的平均重量，从而算出其表面张力。这种检测方法是一种经验方法，不能用来测定达到平衡较慢的液体表面张力。

Du Noüy吊环法基本原理是将浸在液面上的金属环(铂丝制成)脱离液面，测定所需的最大拉力值，所得的最大拉力值等于吊环的自身重量加上待测液体的表面张力与被脱离液面周长的乘积之和^[13]。Wilhelmy吊片法的测试原理是将长度为l、厚度为l′的薄片浸入液面，当拉起此薄片时，其周边受到表面张力的作用，记录吊片脱离液体所需与表面张力相抗衡的最大拉力F，其中，F等于液体的表面张力与薄片周长的乘积与吊片自身重量之和^[14]。应用此法测试液体的表面张力，通常假设液体与薄片的接触角为0°，吊片很薄，其厚度可以忽略不计。可以看出这两种测试表面张力的方法都是通过测量力的方法来计算液体的表面张力，对样品润湿性要求较高。Wilhelmy吊片法具有操作简单、不需校正、精度高等优点，并且还可用于界面张力的测定；缺点是样品用量大，升温速度慢，不适合用于复杂的气氛环境下以及高压环境下的表面张力的测定。由于使用的吊片或吊环的材料通常为铂金，对于含有阳离子表面活性剂水溶液的表面张力测试中，待测物质容易吸附于铂金固体表面，使表面变得疏水而不易被水溶液润湿，测试得到的表面张力数据误差较大。为了改进这些缺陷，Padday等^[15]首先提出了用湿润的棒代替薄片，所得结果与上述两种方法完全一致，精度可以达到±0.01mN·m^-1，这是一种全方位平衡的方法。Petereit等^[16]提出了通过测量在薄片或盘向上提起时弯月面液相的重力来计算表面张力的方法，此法可广泛应用于纯液体，阴、阳离子和中性的表面活性剂溶液表面张力的测定。Padday随后提出了用圆锥代替薄片^[17]，并计算了圆锥常数，这种方法具有更高的稳定性，能用于较高温度条件下易挥发溶液的表面张力测定，准确度在±0.01mN·m^-1以内。圆锥最大拉力法也是绝对法，不需要标准物质进行校正，只要圆锥符合要求，且锥面与弯月面形成的接触角保证为零度，就可准确测定溶液的表面张力。

目前商品化的表(界)面张力测定仪大部分是依据于测力法的原理(Wilhely吊片法、Du Noüy吊环法)，因为所采用的电子分析天平传感器具有很高的灵敏度和精确度。本文介绍了结合Du Noüy吊环法、Wilhely吊片法、Padday圆锥最大拉力法于一体的探针型表面张力仪测试表面张力的方法，这种方法使用一种合金制成的探针代替传统的铂金环和铂金板。这种探针能抗化学腐蚀、具有良好的表面润湿性能，测试粘度大的液体时可以避免因为使用铂金板和铂金环因其材质太软而易变形导致的测量结果不准确。本文论述了基于最大拉力法改进的探针法表面张力仪的基本组成及相关原理，并且详细的阐述了这类表面张力测试技术在生物研究、药物研发、环境监测等领域的应用。

探针型表面张力仪是基于Du Noüy吊环法/Wilhelmy吊片法的一种改进，它结合Padday圆锥最大拉力法，将铂金环(板)替换为一种合金探针来测试液体的表(界)面张力。

表面张力是作用于单位长度上的力。这类仪器的组成主要是由微量分析天平、主机、抗化学腐蚀的探针组成。微量分析天平使用的是一种新的精度超过0.2μg的微量天平，将具有灵敏度的微量天平与“最大拉力”原理相结合。探针法测试液体的表面张力的原理是基于高精度的Du Noüy方法，最早是由Padday等所提出的^[14]。测量时，首先将一根细杆(不是一个环或板)浸没到样品中(图 1)，液体沿着圆锥面(探针)形成轴对称的弯月面，然后慢慢拔出，记录弯液面(粘附在探针上的液面)的重量，依据Padday提出基于圆锥最大拉力法的理论公式换算^[17]，并根据天平上记录的最大拉力F[F=πx²ρg+2πxγsinφ，x代表的是弯液面与圆锥(探针)相交截面的半径，ρ代表的是待测液体的密度，φ是液面切线与X轴的夹角，γ是待测液体的表面张力]，然后计算出所测试液体的表面张力γ(γ=ρg(F_max/C)^2/3，C是圆锥常数，可以利用文献^[14]中所提供的方法计算获得)。

应用探针型表面张力测试技术可以获得药物的疏水性、化合物真实的比表面积、临界胶束浓度(CMC)等化合物理化性能的关键参数，这些参数在药物代谢动力学、药剂学、药物血脑屏障、磷脂质病体等方面的研究中发挥了重要的作用。

血脑屏障吸收对于中枢神经系统药物的临床结果至关重要，对于预测治疗中枢神经外围的候选药物对中枢神经系统的潜在副作用也同样重要。Hsu等^[18]很好地利用表面活性分析预测难溶性药物的血脑屏障穿透。通过使用探针型表面张力测试仪获取表面张力数据以及临界胶束浓度CMC (图 2)，并计算出单体化合物的最大表面压力、截面积、空气-水分配系数等参数，从而找出这些参数与体内logbb (血/脑分配系数的对数)值的一一对应关系。

药物吸收是指药物由给药部位进入血液循环的过程。影响药物吸收的因素很多，比如药物的理化性质、剂型、制剂和给药途径等，其中给药途径与药物在体内吸收强弱最为显著。常见的给药途径可分为口服给药、直肠给药、舌下给药、注射给药、吸入给药、经皮给药等^[19]。

口服类药是一种常见的给药方式，大多数口服药物是通过在肠道中进行吸收从而发挥其药效性。因此，药物在胃肠道的溶解度是判断其生物药效性的一个重要因素，药物在体内的溶解度与药物成分中的化合物本身的物化性质密切相关。Merchant等^[20]应用探针表面张力检测技术测试了几种动物胃肠道液的表面张力(图 3)，研究了口服药(美沙拉嗪、脱氢皮质醇)在动物胃肠道内的溶解性。研究发现，口服药在胃肠道的溶解度与胃肠道液的表面张力存在着一定的相关性。具体表现为：胃肠道液的表面张力越大，药物在胃肠液中的溶解度越小，胃肠道液的表面张力越小，药物在胃肠液的溶解度越大。

Clarysse等^[21]应用探针表面张力检测技术测试了人体内十二指肠液的表面张力，并应用了相应的检测手段分析了十二指肠液的成分。通过测试了人体十二指肠液在食用不同营养成分的餐食后不同时间段的表面张力，分析了其与十二指肠液成分的组成之间的相关性。这为人体内药物在胃肠液的溶解性能及相关药代动力学方面的临床研究提供了参考。

药物的活性成分通常为有机小分子化合物，不易溶于水。口服类药物通常都是通过在胃肠道液内吸收进入血液循环而发挥其药效性的，因此药物必须具备一定的水溶性。为了改善这类药物的水溶性差的缺点，一般采用的是在药物制成药剂的过程中，在药物辅料中添加亲水的表面活性剂，表面活性剂分子能够吸附于药物粒子表面，有效地改变药物粒子表面的润湿性质，使难溶性的药物粒子易被水分湿润，加速药物的溶出过程，从而促进药物在体内的吸收。药物的润湿性与药物的表面张力存在一定的相关性，所测药物的表面张力越小，胃肠道液对于药物的润湿性越好^[22]，药物越易溶解在胃肠道液中。

口服膜剂作为一种新的药物传递系统，其大小、形状、厚度类似邮票，将其置于舌下，在唾液中能快速溶解、释放，从而实现快速给药。Asma等应用探针表面张力检测技术开展了硫酸沙丁醇胺口服膜剂的研究^[23]，通过热喷墨打印技术将沙丁醇胺药物加载于醋酸纤维薄膜上，制备出口服膜剂，测试了含有不同组分的辅料及原料药的药剂的表面张力，对表面张力的数据进行分析，结果显示药剂的表面张力与药剂在薄膜剂中的沉积量存在着一定的相关性。

表面活性剂是指一种加入量少，却能使其溶液体系的界面状态发生明显变化的物质，具体表现为降低溶液体系的表(界)面张力。表面活性剂行业作为国民经济的重要组成部分，开发出温和、安全、高效的功能型和环境友好型表面活性剂是近年来表面活性剂研发的热点。表面活性剂素有“工业味精”之美誉，不仅在日用化工以及其他众多传统工业和技术领域中有着广泛的应用，在材料、能源以及生命科学等高技术领域也已广泛应用。表面活性剂在环境保护领域方面也有广泛的应用，比如表面活性剂可作为药剂用于工业的三废处理；作为增溶剂、吸附剂应用于环境保护领域中的土壤修复；作为缓蚀剂、阻垢剂、杀菌剂用于工业冷却水处理等应用。

表面活性剂具有分散絮凝作用可以使废水中的悬浮固体、胶体物质以及一些溶解物从废水中分离出来，因此工业上通常使用添加表面活性剂来处理废水。Sood等^[24]使用高通量探针型表面张力检测技术开发了一种能够应用于水的净化及矿物富集的双子表面活性剂。应用探针型表面张力仪测试了三种不同长度的联接基团的双子表面活性剂在卤化物盐溶液中的表面张力。通过分析测试的表面张力数据，并且结合动态光散射、差热分析等技术，研究了这类新型双子表面活性剂的相关性质，获得了一类新型的双子表面活性剂，可应用于悬浮剂、分散剂、乳化剂方面的制备。

表面活性剂还可以作为增溶剂有效地将有机污染物从受污染的土壤中解吸出来，可以应用于环境保护的土壤修复。土壤表现出的斥水性是土壤受到污染的一种具体表现形式，土壤中含有的有机物污染成分包裹在土壤颗粒的表面，阻止了水分渗透到土壤中。土壤的斥水性降低了地表水的渗入，加剧了土壤受侵蚀的风险，影响地表植被的生长，改变土壤的斥水性是土壤修复工作中的一个主要技术手段。

Grabera等^[25]应用探针型表面张力仪测试了经过不同种类斥水性土壤后的水的表面张力。分析了不同土壤中的有机物成分及表面活性剂成分对土壤润湿过程的影响。同时对土壤润湿过程的机制进行了研究，为土壤修复相关性研究提供了较好的理论依据。

我国大部分表面活性剂使用后没有经过妥善处理即排放到河流、海洋等自然水体中，这不仅消耗了水中的溶解氧，影响水体的质量，同时还具有一定的生物毒性，威胁到水生动植物生存。水体中若存在一定量的表面活性剂时会危害水体中的水生生物的生存，影响海洋经济，并危及到人类健康。因此，如何对饮用水源、地表水、海洋、生活污水及工业废水等水体中表面活性剂进行监测显得尤为重要。近些年来，相关科学研究工作者开展了探针型表面张力技术在水体环境中表面活性剂的监测方面应用的研究。例如，Oya等^[26]研究了污染水体的生物降解过程中表面活性剂的活性与水生生物毒性性能之间的相关性。使用探针表面张力检测技术测试了各种水体环境中水的表面张力(图 4)，详细地研究了水体的表面张力与水中表面活性剂引起的生物毒性、生物降解率之间的相关性。

Oya等研究了河水的硬度、海水盐度、水中吸附剂的含量对水体环境中水生生物的生物毒性^{[27, 28]}及水体的表面张力的影响。应用探针型表面张力测试技术获得了不同水体的表面张力。研究结果表明，所测水体的表面张力越小，水体的水生生物毒性越大。水体的水生生物毒性又与河水的硬度及海水的盐度具有正相关性，在高硬度的河水、高盐度的海水中，水体的水生生物毒性更大。水中加入一定量高岭土吸附剂后，水体的水生生物毒性明显降低。

基于探针技术的高通量表面张力仪能够快速准确地测试出溶液体系的表(界)面张力，这种新型的表面张力测试技术实现了新型表面活性剂产品开发的高效性。上述相关应用研究表明，选择合适的实验分析方法可以将表面张力检测技术应用于表面活性剂的开发及其在环境保护中应用的表面活性剂的监测。

细胞是生物体的形态结构和生命活动的基本单位，生物膜是细胞的重要组成部分，细胞膜和内膜系统总称为生物膜。生物膜起到保护细胞的作用，又承担着转运物质、传递信号等重任，是整个细胞新陈代谢的基础。人们对生物膜做了许多的研究工作，主要是在生物膜的结构和应用方面展开的相关研究。磷脂是构成细胞膜脂质双分子层的主要脂类之一，磷脂膜的脂质双分子层具有一定的稳定性和流动性，使细胞膜具有很好的伸缩性能，能够承受较大的表面张力。生物膜通常比较薄，而使用探针型表面张力仪对生物膜表面张力测试时不会破坏生物膜的表面，从而使这种测试技术在对生物膜的压力测试的相关研究中发挥了很重要的作用。

Rinaldi等^[29]应用这种表面张力测试技术研究了透明颤菌中的血红蛋白与细胞中磷脂膜的相互作用。通过使用探针型表面张力测试技术研究了血红蛋白与磷脂膜的结合能力，并深入分析了血红蛋白在不同浓度下与磷脂膜的结合能力，研究了不同磷脂膜表面初始压力下血红蛋白浓度对磷脂膜表面压力的影响。

Sood等^[30]则应用了探针表面张力检测技术分析了抗菌肽与模拟生物膜之间的结合作用，通过分析测试生物膜表面张力的变化情况，证实了抗菌肽在与磷脂分子膜相互作用时方向上的一致性。

本文介绍了一种综合Du Noüy吊环法、Padday圆锥法于一体的探针型表面张力仪的原理及应用。同时概述了这类表面张力检测技术近些年在药物开发、生物应用研究、环境监测等方面的具体应用。这类探针型表面张力测试技术因其在使用高精度的分析天平传感器同时采用了合金型的探针，测试所需的样品少，能够准确的反映液体界面处的表(界)面张力，有望在一些新兴的自然科学研究领域中发挥重要的作用。