Topik Covered
Latar belakang
Apa Potensi Zeta?
Bagaimana Potensi Zeta Diukur?
Potensi zeta dan Elektrolit
Potensi Menentukan Ion
Potensi zeta dan flokulasi
Belajar Potensi Zeta
Emulsi Lemak Intravena
Formulasi Protokol
Korelasi Masalah Stabilitas Emulsi dengan Potensi Zeta
Penargetan Obat dan Sistem Pengiriman
Non-berair Sistem
Latar belakang
Meskipun ukuran partikel dan pengukuran yang secara intuitif akrab dengan teknologi partikel, konsep potensi zeta kurang banyak dipahami dan diterapkan. Hal ini sangat disayangkan karena setidaknya sama pentingnya dengan fundamental ukuran partikel dalam menentukan perilaku bahan partikulat, terutama mereka dengan ukuran dalam kisaran mikrometer koloid di bawah ini. Zeta potensial adalah berkaitan dengan muatan pada permukaan partikel, dan pengaruh berbagai macam sifat bahan koloid, seperti stabilitas, interaksi dengan elektrolit, dan reologi suspensi.
Apa Potensi Zeta?
Ketika sebuah partikel direndam dalam cairan, berbagai proses menyebabkan antarmuka untuk menjadi bermuatan listrik. Beberapa mekanisme pengisian yang paling sering ditemukan termasuk adsorpsi surfaktan dibebankan ke permukaan partikel (misalnya dalam emulsi distabilkan oleh surfaktan ionik), hilangnya ion dari kisi kristal padat (partikel halida perak yang digunakan dalam emulsi fotografi) dan ionisasi permukaan kelompok (karboksilat dalam polimer mikrosfer). Proses ini mengarah pada produksi kepadatan muatan permukaan, dinyatakan dalam coulomb per meter persegi, yang merupakan ukuran fundamental biaya di antarmuka. Muatan tidak dapat diukur secara langsung, tetapi hanya melalui bidang listrik itu menciptakan sekitar partikel. Dengan demikian muatan permukaan biasanya dicirikan dalam hal tegangan pada permukaan partikel, potensi permukaan, daripada densitas muatan, meskipun satu biasanya dapat dihitung dari yang lain. Potensi zeta terjadi pada jarak dari permukaan dan ini akan berbeda dengan potensi permukaan. Dalam pendekatan sederhana, potensi meluruh secara eksponensial dengan jarak dari permukaan partikel (Gbr. 1). Seperti akan kita lihat, tingkat kerusakan tergantung pada isi elektrolit cairan.
Gambar 1. Aproksimasi potensial zeta sebagai fungsi jarak dari permukaan partikel '.
Bagaimana Potensi Zeta Diukur?
Sejauh ini, kita tidak didefinisikan potensi zeta, dan untuk melakukan ini kita perlu memahami metode dasar untuk pengukuran, yang merupakan elektroforesis. Bagi banyak orang, metode ini sudah akrab karena penggunaannya untuk pemisahan makromolekul, dan elektroforesis partikel adalah sebuah fenomena serupa. Partikel-partikel dalam medium menangguhkan mereka ditempatkan dalam medan listrik, jika dikenakan, mereka akan hanyut di lapangan, partikel positif hanyut ke arah elektrode negatif, dan partikel negatif hanyut ke arah elektrode positif. Namun, partikel tidak melayang pada mereka sendiri, mereka membawa lapisan tipis ion dan pelarut sekitar mereka. Memisahkan permukaan media stasioner dari partikel bergerak dan ion terikat dan pelarut disebut permukaan geser hidrodinamik, dan potensi zeta adalah potensial pada permukaan ini. Akibatnya potensial zeta dapat ditentukan dengan mengukur kecepatan drift partikel dalam medan listrik kekuatan dikenal. Instrumen awal untuk tujuan ini (aparat elektroforesis Peringkat mikro) menggunakan observasi manual partikel, prosedur yang penuh dengan kesalahan dan juga sangat lambat. Untungnya, kita sekarang memiliki berbagai instrumen yang mengukur kecepatan dengan menggunakan pergeseran doppler cahaya tersebar dari partikel bergerak - yang Malvern Zetasizer seri. Teknik sinyal muka pemulihan andal mengukur pergeseran doppler kecil karena gerakan partikel (hanya beberapa puluh Hz di 1015 Hz) dan secara otomatis menghitung distribusi potensi zeta dalam sampel. Biasanya nilai ini terletak dalam kisaran + / - 100mV untuk kebanyakan sistem tenggelam dalam media air.
Gambar 2. The Zetasizer Malvern untuk pengukuran potensial zeta.
Potensi zeta dan Elektrolit
Salah satu kegunaan utama dari potensi zeta adalah untuk mempelajari interaksi koloid-elektrolit. Karena kebanyakan koloid, terutama yang distabilkan oleh surfaktan ionik, dikenakan biaya, tidak mengherankan bahwa mereka berinteraksi dengan elektrolit dalam cara yang kompleks. Ion yang berlawanan muatan dengan yang dari permukaan (counterions) tertarik untuk itu, sementara ion biaya seperti (co-ion) yang ditolak dari itu. Akibatnya konsentrasi ion dekat permukaan tidak sama dengan yang di sebagian besar solusi (yaitu pada jarak jauh dari permukaan) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Akumulasi counterions dekat permukaan menyebabkan biaya partikel yang akan disaring, sehingga mengurangi potensi zeta. Ion mudah dapat dibagi menjadi tiga kelas tergantung pada bagaimana mereka berinteraksi dengan permukaan:
Gambar 3. Konsentrasi ion dekat permukaan partikel dalam larutan.
Ion peduli adalah mereka yang hanya tertarik pada permukaan berdasarkan muatan mereka dengan cara yang murni elektrostatik, sebuah proses yang dikenal sebagai non-spesifik adsorpsi. Jika kita mengukur potensial zeta dari koloid sebagai fungsi dari konsentrasi ion tersebut, kita menemukan bahwa efek pemutaran ion secara bertahap mengurangi potensi zeta (bukan potensial permukaan), dan ini asimtot ke nol pada konsentrasi elektrolit yang tinggi ( Gambar 4a).
Gambar 4. Zeta potensial sebagai fungsi dari konsentrasi elektrolit untuk elektrolit acuh tak acuh (a) dan untuk elektrolit khusus diadsorpsi (b).
Ion kimia khusus teradsorpsi berinteraksi dengan permukaan, misalnya dengan kompleksasi dengan kelompok-kelompok di permukaan. Akibatnya sebagai konsentrasi mereka meningkat, mereka juga layar potensi zeta, tapi kimia tambahan (yang berbeda dari elektrostatik) yang mengikat pada permukaan penyebab adsorpsi ion yang cukup untuk muatan partikel asli harus dinetralkan dan kemudian terbalik dengan meningkatnya konsentrasi elektrolit ( Gambar 4b). Dalam sistem semacam itu kita melihat titik muatan nol atau PZC pada konsentrasi elektrolit welldefined, sebelum biaya pembalikan.
Potensi Menentukan Ion
Potensi-ion menentukan (PDI) adalah kasus khusus dari ion khusus teradsorpsi, istilah ini biasanya diperuntukkan bagi mereka yang terlibat dalam proses apa pun bertanggung jawab atas muatan partikel. Sebagai contoh, sebagian besar polimer mikrosfer dikenakan biaya karena mereka memiliki gugus karboksilat pada permukaan; ionisasi kelompok ini mengarah untuk mengisi, sehingga H + adalah PDI di permukaan ini. Demikian pula Ag + dan aku-adalah milik PDI pada partikel iodida perak. Perbedaan antara khusus teradsorpsi dan ion menentukan potensial sering kabur, terutama dalam sistem-sistem di mana kimia permukaan tidak sepenuhnya dipahami.
Potensi zeta dan flokulasi
Daerah utama dari aplikasi koloid-elektrolit fenomena adalah untuk memahami stabilitas dan efek flokulasi. Model paling sederhana dari fenomena ini muncul langsung dari Gambar 4, dan dikenal sebagai teori (Deryaguin-Landau-Verwey-Overbeek) DLVO. Ini hanya menyatakan bahwa stabilitas koloid adalah keseimbangan antara kekuatan-kekuatan yang menarik Van der Waals 'dan tolakan listrik karena muatan permukaan. Jika potensi zeta turun di bawah tingkat tertentu, koloid akan agregat akibat gaya tarik menarik. Sebaliknya, potensi zeta tinggi memelihara sebuah sistem yang stabil. Titik di mana kekuatan listrik dan Van der Waals 'tepatnya keseimbangan dapat diidentifikasi dengan konsentrasi elektrolit tertentu, yang dikenal sebagai konsentrasi flokulasi kritis atau CFC (Gambar 5). Ion acuh menyebabkan potensi zeta untuk terus menurun pada konsentrasi tinggi, jadi kami melihat CFC tunggal, dan agregat koloid di semua konsentrasi elektrolit yang lebih tinggi. Sebaliknya, ion khusus teradsorpsi menyebabkan pembalikan biaya yang mungkin cukup untuk kembali menstabilkan koloid. Dalam hal ini kita akan melihat CFC atas dan bawah, dengan wilayah ketidakstabilan di antara mereka.
Gambar 5. Pengaruh konsentrasi elektrolit pada flokulasi.
Belajar Potensi Zeta
Pembahasan sebelumnya menunjukkan bahwa potensi zeta diukur dalam suatu sistem tertentu tergantung pada permukaan kimia, dan juga bagaimana berinteraksi dengan lingkungan sekitarnya. Ini adalah titik paling penting; potensial zeta harus selalu belajar di lingkungan yang didefinisikan dengan baik (khususnya pH dan kekuatan ionik) atau data yang berharga. Hal ini sangat berarti untuk berbicara tentang "potensi zeta permukaan" kecuali kondisi tertentu. Dalam rangka untuk menggambarkan perencanaan studi potensi zeta, hal ini berguna untuk mengambil studi kasus pada sistem tertentu. Kami telah mempelajari emulsi lemak trigliserida selama beberapa tahun, dan penelitian ini memberikan ilustrasi yang berguna dari kekuatan pengukuran potensial zeta dalam memahami stabilitas koloid dalam sistem yang kompleks.
Emulsi Lemak Intravena
Emulsi trigliserida produk medis, mereka sub mikron emulsi minyak sayur dalam air, emulsi dengan fosfolipid, yang memberikan potensi zeta tinggi, dan kehidupan rak panjang Sejalan (2-3 tahun). Emulsi yang digunakan untuk memberi makan pasien intravena yang tidak dapat diberi makan secara oral (misalnya akibat operasi gastrointestinal). Pasien tersebut juga membutuhkan nutrisi lain, termasuk asam amino, glukosa dan elektrolit. Untuk beberapa waktu telah menjadi praktek umum untuk mencampur semua bahan-bahan, dalam proporsi yang bervariasi, dalam campuran cairan tunggal (nutrisi parenteral total atau campuran TPN) dan infus ke pasien, pada laju sekitar 3 liter sehari . Tentu, sedemikian campuran, ada lingkup yang luas untuk interaksi antara komponen-komponen, dan dalam banyak campuran emulsi lemak menjadi tidak stabil, dan menggabung atau flocculates dalam beberapa hari. Dalam kondisi ini tidak cocok untuk infus, sehingga campuran biasanya dibuat hanya sebelum pemberian, menggunakan teknik steril. Pemahaman tentang stabilitas emulsi dalam sistem ini akan membantu dalam memprediksi campuran akan stabil, dan bahkan mungkin dalam memproduksi campuran stabil dengan kehidupan rak panjang.
Formulasi Protokol
Penelitian awal menunjukkan bahwa emulsi itu sendiri, pada pH 7 dan konsentrasi elektrolit yang rendah, memiliki potensi zeta -40 sampai-50mV, yang cukup untuk memberikan stabilitas yang baik dan kehidupan rak minimal 2 tahun. Potensi ini juga jauh dikurangi dengan elektrolit, kation monovalen dengan menjadi acuh tak acuh, sementara kation divalen teradsorpsi khusus dengan PZC dari 3 mM dan tingkat signifikan pembalikan biaya. Ion-ion ini semuanya hadir dalam campuran TPN, dan ini account untuk ketidakstabilan emulsi dalam sistem ini.
Korelasi Masalah Stabilitas Emulsi dengan Potensi Zeta
Itu harus mungkin untuk menggunakan teori DLVO untuk mengkorelasikan stabilitas emulsi dalam campuran tertentu dengan potensi zeta nya, sayangnya ada sejumlah masalah yang terlibat dalam membuat pengukuran. Campuran mengandung sebagian besar fase (1-5%) dari emulsi, dan sehingga sangat keruh, dan harus diencerkan sebelum pengukuran hamburan cahaya dapat dilakukan. Awal pekerja yang tidak memahami sifat potensial zeta hanya mencairkan campuran dengan air suling. Para zeta potensi yang dihasilkan tidak mirip dengan mereka emulsi dalam campuran asli sejak ion dominan dalam konsentrasi berkurang oleh beberapa perintah besarnya! Dalam rangka untuk mendapatkan potensi zeta relevan diperlukan untuk mempertahankan komposisi fase kontinu pada dilusi. Ada dua pendekatan untuk masalah ini, jika komposisi fase kontinu diketahui, dapat disiapkan tanpa komponen emulsi dan digunakan sebagai pengencer. Sebuah situasi yang lebih umum adalah bahwa komposisi fasa kontinyu tidak pasti, bahkan jika Anda tahu apa yang masuk ke dalamnya, adsorpsi ke fase membubarkan mungkin telah habis beberapa komponen. Dalam hal ini, trik yang biasa adalah dengan centrifuge dispersi untuk mendapatkan sampel bersih dari fasa kontinyu untuk pengenceran.
Masalah kedua dengan pengukuran ini adalah kekuatan ion sangat tinggi (0.2-0.4m) yang mengarah ke konduktivitas yang tinggi dan pemanasan sampel akibatnya cepat dan tetes tegangan sel besar. Awal Zetasizer 2 tidak bisa mengatasi dengan baik terutama dengan masalah ini, tetapi saat ini Zetasizer rentang memiliki sel berdenyut tegangan yang membuat arus berarti bawah, dan rekayasa ulang sel elektroforesis telah menghasilkan peningkatan besar dalam stabilitas listrik. Sekarang mungkin untuk menggunakan instrumen ini untuk secara rutin mengukur potensi zeta dalam campuran konduktivitas yang tinggi, dan nilai-nilai yang dihasilkan (± 1-5mV) berkorelasi baik dengan stabilitas emulsi dalam campuran. Studi jenis ini sekarang memungkinkan kita untuk memahami perilaku dalam sistem koloid emulsi kompleks dan menyediakan daya prediksi yang nyata untuk tujuan formulasi.
Penargetan Obat dan Sistem Pengiriman
Emulsi juga telah digunakan sebagai sistem pengiriman obat, dan dalam banyak kasus pemahaman tentang sifat elektroforesis sangat penting dalam desain formulasi. Meskipun kebanyakan obat larut dalam air, peningkatan jumlah yang surfaceactive atau bahkan hidrofobik, dan bahan-bahan tersebut dapat memberikan masalah yang signifikan untuk teknik formulasi konvensional. Akibatnya calon obat hidrofobik biasanya dikirim kembali ke departemen kimia dengan catatan untuk mempersiapkan analog larut dalam air! Dalam beberapa kasus hal ini tidak mungkin, misalnya beberapa produk bahan alami atau bioteknologi, atau di mana modus tindakan yang terkait dengan lipofilisitas, misalnya anestesi, hipnotik, dan obat penenang. Dalam kasus ini pengiriman emulsi semakin digunakan. Contohnya adalah ICI itu Diprivan, obat bius intravena, dan Diazemuls Kabi, obat penenang.
Sebuah contoh masalah yang dapat ditemui dalam pendekatan ini adalah ditunjukkan pada Gambar 6, yang merupakan potensi zeta - pH kurva untuk emulsi yang mengandung obat yang flocculated pada pH 7. Data jenis ini memungkinkan pilihan rasional pH formulasi dan emulsifier untuk memaksimalkan potensi zeta dan karenanya stabilitas emulsi.
Gambar 6. PH dibandingkan data yang potensial zeta memungkinkan optimasi stabilitas emulsi.
Non-berair Sistem
Contoh lebih lanjut dari penggunaan potensi zeta dalam memahami stabilitas suspensi terjadi di suspensi obat dalam propelan aerosol yang digunakan untuk pengiriman obat melalui inhalasi, misalnya untuk bronkodilator. Obat micronised ditunda propelan aerosol dalam, sehingga ketika aerosol dipecat, partikel obat yang disemprot keluar dan dapat terhirup. Hal ini penting untuk mengontrol ukuran partikel dengan mengendalikan potensi zeta, untuk menjamin dosis berulang untuk pasien. Masalah dalam kasus ini adalah bahwa hal itu sangat sulit untuk mengukur potensi zeta partikel tersuspensi dalam media nonaqueous seperti propelan CFC, karena mobilitas partikel sangat kecil. Namun, hal itu dapat dilakukan dengan desain yang tepat dari sel elektroforesis, dan Instrumen Malvern membuat suatu sel untuk mereka Zetasizer . Gambar 7 menunjukkan potensi zeta laktosa (dispersi model solid) dalam kloroform (model non-berair menengah) sebagai fungsi dari konsentrasi lesitin, suatu surfaktan ionik. Lesitin ini jelas menyebabkan perubahan besar potensi bahkan pada konsentrasi kecil, suspensi flocculated dalam ketiadaan lesitin, tetapi menjadi tersebar pada konsentrasi lesitin atas sekitar 10%. Meskipun pemahaman kita tentang elektroforesis non-berair sistem masih primitif, studi tersebut memungkinkan setidaknya pemahaman empiris stabilitas dan adsorpsi surfaktan dalam sistem ini.
Gambar 7. Demonstrasi tentang bagaimana suatu surfaktan ionik dapat mempengaruhi potensi zeta.
Sumber: "Potensi Zeta dalam Formulasi Farmasi", Aplikasi Catatan oleh Malvern Instrumen.
Untuk informasi lebih lanjut tentang sumber ini silakan kunjungi Malvern Instrumen Ltd (Inggris) atau Malvern Instrumen (AS) .