キャプティブバブル方式

キャプティブバブル法は、液滴形状解析を用いて液体と固体の接触角を測定する方法である。 ^[1]この方法では、静置滴法の場合のように固体の上に液滴を置くのではなく、固体の下に空気の泡を注入し、その表面が液体中にある。液滴形状解析を使用して、液体と固体を入れ替える。^[2]

この方法は、液体が広がる表面エネルギーの高い固体に特に適しています。ソフトコンタクトレンズを構成するようなハイドロゲルは、標準的な配置ではアクセスできないため、このような場合にもキャプティブバブル法が使用されます。^[3]接触角は、滑らかで周期的に不均質な固体表面に形成されます。固体表面上では、液滴が流体に浸されています。接触角の測定は通常、産業界における固体の表面エネルギーの測定に寄与しています。静置滴法などの接触角を測定する他の方法とは異なり、キャプティブバブル法で使用されるシステムでは、液体の泡が下から固体表面に付着しており、液体の泡と固体の両方が流体と相互作用します。

システムは固体表面と液滴から形成されるため、システムの自由エネルギーによってエネルギーの最小値と最大値が生成されます。固体表面が粗い、または均質な場合、システム (固体、液体、流体で構成) には、異なる最小点の自由エネルギーから生成される複数の最小値が存在する可能性があります。これらの最小値の 1 つは、グローバル最小値です。グローバル最小値は、システム内で最も低い自由エネルギーを持ち、安定した平衡状態として定義されます。さらに、その他の最小値は、システムの準安定平衡状態を示します。これらの最小値の間には、システム内のさまざまな準安定状態間のエネルギーの動きを妨げるエネルギー障壁があります。準安定状態間のエネルギーの遷移は、システムへの外部エネルギーの利用可能性によっても影響を受けます。これは、固体表面上の液滴の体積に関連しています。そのため、液体の体積は、最小点の位置に影響を与える可能性があり、それが固体と液体によって生成される接触角に影響を与える可能性があります。接触角は固体表面が理想的であるかどうか、言い換えれば滑らかで不均一な表面であるかどうかに直接関係しています。^[4]

出典: ^[5]

キャプティブバブル法による接触角の測定は、膜の性能研究における逆浸透膜の表面分析にも役立ちます。接触角の分析により、粗さなどの膜の特性を判断できます。膜の粗さは有効表面積を示し、さらに表面の親水性と疎水性の特性を調査することができます。研究により、膜分析では、接触角が大きいほど表面が疎水性であることがわかりました。膜分析におけるキャプティブバブル法の性能では、バブル量、液体の種類、張力など、いくつかの要因が接触角に影響を与える可能性があります。

出典: ^[6]

他の場合の接触角測定におけるキャプティブバブル法の使用と比較すると、肺サーファクタント単層の研究では、バブルの天井の水和寒天ゲルの特性により、接触角は 180 度一定に保たれます。肺サーファクタントの研究に適用されるシステムは、漏れのないシステムになるように設計されており、プラスチックの壁、障壁、出口などの他の材料や物質からバブルの表面フィルムが独立していることを保証します。余分なチューブを追加したり、針でバブルの空気と水の界面に穴を開けたりする代わりに、水性媒体を追加または除去して密閉サンプルチャンバー内の圧力を調整し、バブルサイズとバブル表面の不溶性フィルムの表面張力を制御してこの密閉システムを作成します。

気泡の体積はサンプル室内の圧力を変更することによって制御されるため、気泡の体積が減少すると、気泡表面の界面活性剤膜の表面積と表面張力が減少します。

この場合、気泡の形状は表面張力に応じて球形から楕円形まで変化します。表面張力は気泡の高さと直径の測定によって計算できます。表面張力の測定に加えて、気泡の形成は肺サーファクタントの吸着の測定にも利用できます。これは、物質が肺サーファクタントの気液界面に蓄積して膜を形成する速度を定義します。

キャプティブバブルによる吸着を測定する方法は 2 つあります。

1. 吸着を測定するために気泡を形成する方法の 1 つは、直径 10 mm のチャンバー内で直径 2～3 mm の小さな気泡から始めて、後で膨張または圧縮することです。気泡は、50 uL マイクロシリンジに取り付けられた小さなプラスチックチューブで最初にチャンバーに導入されます。次に、キャプティブ バブル内の圧力が急激に低下するか、ガラス シリンダーの端にあるピストンを動かしてチャンバーの容積が増加すると、気泡が膨張します。正確な吸着率を計算するには、容積変更前の気泡表面の界面活性剤の初期量を考慮する必要があります。
2. 吸着を測定する別の方法は、気泡チャンバーの底部の入口に針を取り付けて、特定のサイズや直径ではなく、固定容量の気泡を発生させることです。開始時の固定容量は通常 200 ml で、直径は約 7 mm です。最初の方法と同様に、吸着の正確な速度を評価するには、気泡形成中に気泡表面に蓄積される物質を計算する必要があります。

静滴法は接触角を測定するもう 1 つの一般的な方法で、固体表面に 2 次元の液滴を置き、液滴内の液体の量を制御することによって行われます。静滴法とキャプティブ バブル法は、どちらも対称性の特性に基づいているため、実験を行う際に通常は互換性があります。具体的には、液滴またはバブルの対称軸により、液滴またはバブルと固体表面の接触線が円形になります。これにより、液滴またはバブルの接触半径に対応する観察可能な接触角が作成されます。

しかし、接触角の測定では、液滴と気泡は粗い均質な表面と相互作用し、測定プロセスでそれぞれ異なる動作を示します。これは、液体の体積と接触角に関連しています。

1. 粗い均質表面では、観察された接触角は、粗い表面では観察できない可能性があるため、局所的な傾斜を持つ実際の接触角を表していない可能性があります。粗い表面で観察された接触角は見かけの角度とも呼ばれ、液滴または気泡の接触傾斜の接線における固有接触角と局所的な表面傾斜の合計に相当します。静置滴法では、観察された接触角は通常、粗い表面の固有接触角を過小評価しますが、キャプティブバブル法で観察された接触角は、粗い表面の固有接触角を過大評価します。^[7]
2. 静滴法とキャプティブバブル法による接触角の測定値について、液滴またはバブル内の液体の体積と測定された接触角に関してそれぞれグラフをプロットすると、幾何学的な関係は各方法の異なる特性を示します。液滴またはバブル内の特定の体積に対する接触角と接触位置の関係を考慮すると、体積に対する最大および最小の接触角は、2 つの方法で互いに異なる依存関係にあります。
3. グラフに示されている振動の振幅については、比較的低い接触角では、液滴とキャプティブ バブルの両方が同様の大きさを示しています。一方、接触角が比較的高い粗い表面では、液滴の振幅はキャプティブ バブルの振幅よりも大きくなります。可能な最低接触角と最高接触角の振動の振幅は、液滴法とキャプティブ バブル法の違いを示しています。キャプティブ バブル法のグラフの振幅は、静置液滴法のグラフの振幅よりも比較的大きくなっています。
4. グラフの波長に関して言えば、どちらの方法の波長も固体表面上の液体の広範囲の体積に渡っています。液滴と泡の挙動の違いは、接触角が最小から最大まで変化します。^[8]