俘泡法（Captive Bubble method）測(cè)量接觸角的特點(diǎn)和應(yīng)用

Captive Bubble method是指把樣品浸泡于待測(cè)液體相內(nèi)，通過在液體相中產(chǎn)生氣泡并把氣泡俘獲或捕捉住在樣品（朝下的）表面來進(jìn)行接觸角或表面潤濕性的測(cè)量和表征，所以被稱為俘泡法或捕泡法。與通常的接觸角測(cè)量法（在空氣相中）相比，二者的差異在于（參見圖-1）：

• 普通接觸角測(cè)量法：樣品表面和測(cè)試液體在相互接觸前都處于大氣相中，二者之間通過空氣相分離；當(dāng)液滴轉(zhuǎn)移到樣品表面時(shí)，液滴相通過往外排擠原先與樣品表面相接觸的空氣相而實(shí)現(xiàn)在樣品表面的鋪展，所以測(cè)量得到的接觸角值比較接近前進(jìn)接觸角值 [ref. 1, page 73]（動(dòng)態(tài)接觸角及其測(cè)量）。

• Captive Bubble測(cè)量法：樣品表面和測(cè)試氣體（如采用空氣）在相互接觸前都處于測(cè)試液體相中，二者之間通過液體相分離；當(dāng)氣泡轉(zhuǎn)移到樣品表面時(shí)，氣體相通過往外排擠原先潤濕樣品表面的液體相而實(shí)現(xiàn)其在樣品表面的鋪展，所以測(cè)量得到的接觸角值比較接近（液體的）后退接觸角值 [ref. 1, page 73]（動(dòng)態(tài)接觸角及其測(cè)量）。

• 采用Captive Bubble法測(cè)量時(shí)，由于樣品表面浸泡在測(cè)試液體中，而且時(shí)間往往比較長，使得液體有足夠的時(shí)間去滲入樣品表面，并與樣品表面發(fā)生（物理、甚至化學(xué)性質(zhì)的）相互作用，從而影響或改變樣品表面的屬性（包括表面形態(tài)）。這與采用普通接觸角測(cè)量法時(shí)，液體只有有限的時(shí)間（從液滴接觸樣品表面起到測(cè)量結(jié)束）與表面發(fā)生接觸和相互作用，是有較大區(qū)別的：滲入到樣品表面的液體層將不太可能再被后來的氣體相所排擠走。

圖-1：Captive Bubble測(cè)量法（左）與普通接觸角測(cè)量方法（右）對(duì)照

所以只有對(duì)于一些非常完美的樣品表面（此時(shí)接觸角的滯后效應(yīng)，contact angle hysteresis，幾乎不存在），而且采用的液體又不會(huì)與表面發(fā)生任何相互作用時(shí)，才可能出現(xiàn)采用二個(gè)不同的測(cè)量方法獲得基本一致的接觸角測(cè)量值的情況。所以實(shí)際中的多數(shù)樣品，采用普通接觸角測(cè)量法和俘泡法獲得的某一液體在固體表面的接觸角值一般是有區(qū)別的，但存在（正比的）關(guān)聯(lián)性。所以具體選擇采用哪一種方法來考察樣品表面的接觸角值或潤濕性，應(yīng)更多地從樣品的本質(zhì)和具體應(yīng)用環(huán)境出發(fā)來考慮；在不少情況下，二個(gè)不同的測(cè)量方法能夠很好相互互補(bǔ)，使得同時(shí)運(yùn)用二種方法能夠?qū)λ疾斓捏w系作出更全面的評(píng)價(jià)。

比起通常的接觸角測(cè)量方法，俘泡法在實(shí)際中使用的頻率低得多，其中的很大一部分原因是由于操作比較麻煩。但對(duì)于一些具體的應(yīng)用環(huán)境或樣品，俘泡法擁有通常的測(cè)量法無法提供的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。這些應(yīng)用環(huán)境和樣品首數(shù)多數(shù)的生物醫(yī)用材料（bio-/biomedical-materials），包括接觸鏡片（contact lenses），醫(yī)用植入材料（medical implant materials）和生物醫(yī)學(xué)用水凝膠（biomedical hydrogels）等。出于生物相容性的目的，這些材料的表面基本上是親水的，而它們的應(yīng)用環(huán)境是人體或生物體，長時(shí)間地 “浸泡” 在生理液中，表面處于水合狀態(tài)（hydrated surface）。對(duì)于處于這樣應(yīng)用環(huán)境下的材料表面的潤濕性表征方法采用俘泡法顯然要比通常的接觸角測(cè)量方法適合得多：讓待考察的材料浸泡于接近生理液屬性的液體相中來模擬其在真實(shí)的應(yīng)用環(huán)境（包括合適溫度的控制）下的（水合）狀態(tài)，通過俘泡法來測(cè)量處于模擬環(huán)境下的該材料表面的接觸角（包括動(dòng)態(tài)接觸角）和潤濕性，這樣可以很好地通過生物體外（in vitro）的測(cè)量來考察材料在生理環(huán)境中（in vivo）的性能和表現(xiàn)。對(duì)于這樣的應(yīng)用材料和環(huán)境，如果我們采用通常的接觸角測(cè)量法（參見圖-1中的右圖），即使在測(cè)量前先讓樣品在待測(cè)液體相浸泡而讓其 “飽和”，顯然也無法反映其在實(shí)際使用環(huán)境中的表面潤濕性行為，因?yàn)樵跍y(cè)量過程中樣品表面由于暴露在空氣中，會(huì)因?yàn)椴粩?“失水”（dehydration）而改變其狀態(tài)；也很難控制這一 “失水” 的程度來進(jìn)行各個(gè)樣品之間、在同一（水合）狀態(tài)下的潤濕行為的相互比較 [ref. 2，page 73]。

俘泡法的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是用于表征接觸鏡片的潤濕性，它被ISO標(biāo)準(zhǔn)采納為檢測(cè)硬性透氧接觸鏡片（rigid gas-permeable contact lenses）潤濕性的指定方法。接觸鏡片處于眼淚相中，后者在其表面形成一薄膜/層。眼淚相在鏡片表面的接觸角越小，它的鋪展程度就越大，形成的眼淚薄膜也越穩(wěn)定：當(dāng)眼睛睜開時(shí)，眼淚薄膜在鏡片表面收縮，對(duì)應(yīng)的接觸角為后退接觸角；當(dāng)眼睛閉上時(shí)，眼淚薄膜在鏡片表面擴(kuò)展，對(duì)應(yīng)的接觸角為前進(jìn)接觸角。對(duì)于軟性接觸鏡片（soft contact lenses），雖然目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)指定具體的潤濕性檢測(cè)方法，但基于其水凝膠的水合特性，俘泡法事實(shí)上也被廣泛地作為 “標(biāo)準(zhǔn)” 方法用于這類鏡片的潤濕性表征。采用與人的眼淚屬性盡量接近的液體相，包括各種組分、所含的表面活性成分、pH值以及控制合適的溫度，通過俘泡法可以最充分地模擬接觸鏡片在人體的真實(shí)使用環(huán)境（in vivo），以考察在這種環(huán)境下鏡片的各種性能和潤濕性。

由于俘泡法經(jīng)常被用于表征親水性表面的潤濕性，水在這類表面上的接觸角一般都比較低，所以氣體在這類表面上形成的俘泡一般具有較大的氣相接觸角（參見圖-2），因?yàn)楹笳吲c水相接觸角互為補(bǔ)角關(guān)系。所以分析、計(jì)算俘泡法一般情況下只有運(yùn)用Laplace-Young方程擬合法才能獲得準(zhǔn)確、可靠的結(jié)果（接觸角測(cè)量儀的準(zhǔn)確性的檢驗(yàn)）。

圖-2：俘泡法測(cè)量樣品表面的水接觸角：氣泡體積3微升，采用 Laplace-Young方程擬合法

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OSA系列的儀器均可以配置俘泡法測(cè)量的附件，包括液體樣品池，樣品固定、調(diào)節(jié)架，J-型針頭，自動(dòng)加液系統(tǒng)等；儀器所配備的軟件都支持 Laplace-Young方程擬合法 和 TrueDrop計(jì)算法，可確保采用俘泡法進(jìn)行接觸角測(cè)量時(shí)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

1. Nathan Efron, Contact Lens Practice, 2nd Edition, Butterworth-Heinemann 2010 (eBook ISBN: 9780702047633).

2. Amit Bandyopadhyay and Susmita Bose, Characterization of Biomaterials, Elsevier 2013 （ISBN: 978-1493301379）

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