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Zeta电位及Zeta电位分析仪
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百特BETTERSIZE

时间: 2023-04-10 23:57 浏览量: 77


一、什么是Zeta电位

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图1. 带电颗粒的电势分布


      颗粒表面带电的状态首先取决于颗粒材料表面的官能团和化学结构,不同化学结构和电负性的官能团将直接影响颗粒表面的电荷种类和数量。然而跟粉末颗粒悬浮在空气中不同,悬液中的颗粒一般周边的介质是极性的溶液(比如水),这就意味着离子和电荷可以实现相对自由的移动,这样紧密吸附的电荷会使颗粒在溶液中形成一个超过颗粒表面界限的双电层:严密层和滑移层。在滑移层内,所有颗粒将会受静电作用一起移动,滑移层以外则看作溶液环境,因此将颗粒滑移层位置的电势值称为Zeta电位,带正电的颗粒电势为正值,而带负电的颗粒电势值为负值,电势值值越大,则说明颗粒表面电荷密度越高。


二、检测Zeta电位的意义?


      既然Zeta电位是反映颗粒表面电荷密度的指标,在同一悬液中化学组分相同的颗粒一般都带有相同种类的电荷,这就意味着颗粒表面的电荷密度越高,Zeta电位越大,颗粒间的电荷排斥力也越大,颗粒越不容易发生凝聚。虽然一个体系的稳定性取决于多种作用方式,例如静电排斥力、范德华吸引力、位阻效应等等,但是作为重要的相互作用力之一,Zeta电位现在已经成为衡量悬液体系中颗粒凝聚稳定性的一个重要指标。通常而言对于足够小的颗粒悬浮体系(不考虑沉降效应),当Zeta电位超过30 mV,那么在热力学理论上是稳定性较好的,更多的应用是通过检测不同环境和配方下体系的Zeta电位进行比较,优化出的方案。


      Zeta电位测量技术已经被广泛的应用于工业和科研各个领域,比如陶瓷生产领域,我们需要测量陶瓷浆料的Zeta电位来考察浆料的存储稳定性;在生物制药领域,我们需要测试蛋白溶液的Zeta电位以尽量避免蛋白大分子的团聚;而在水处理领域则恰恰相反,需要加絮凝剂并将其电位调节到等电点附近,从而让其变得更容易絮凝沉淀以便去除水中的颗粒杂质。


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图2. 较高的Zeta电位有利于维持体系的稳定(左)

较低的Zeta电位下颗粒可能团聚稳定性较差(右)


       Zeta电位既然如此重要,那我们如何才能得到一个悬液体系准确的Zeta电位数据呢?在《Zeta电位的前世今生二》中,将跟大家详细介绍Zeta电位的测量技术。


三、如何检测Zeta电位?

 Zeta电位是反映悬液中颗粒表面带电性质的重要参数,对乳液、凝胶、悬液等体系稳定性研究有重要指导意义。那如何测量悬液中颗粒的Zeta电位呢?现在市面上有很多种技术都可以实现电位测试,比如动态图像电泳法、超声波电泳技术等,但相对为成熟的方法还是电泳光散射技术,其主要测试原理如下:

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图1. 颗粒的电泳和Henry方程


我们知道,对于一个带电的颗粒,如果我们将其置于一个已知强度的电场中,由于电场力的存在,带电粒子就会在电场中进行电泳运动,其中正电荷往负极走,负电荷往正极走。根据Henry方程,在单位电场条件下,颗粒的电泳迁移率将会直接正比于颗粒的Zeta电位。换句话说,只要能够准确测量带电粒子在电场中移动的速度,就可以通过Henry方程得到颗粒的Zeta电位。但对于微观颗粒其尺寸非常小,移动速度又相对较慢,因此常规的测试方法要想准确测得颗粒的移动速度将会面临较大挑战,而电泳+光散射的方式,则恰恰可以较好地解决这个问题。根据光学多普勒效应,一束光照射到一个移动的物体上,散射光的频率将会发生变化,物体移动越快,则反射波频率变化越大,通过测量散射光频率的变化,即可得到颗粒的移动速度,从而计算出颗粒的Zeta电位。


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图2. 多普勒效应


      虽然其理论上已经相对成熟,但要真正实现Zeta电位的准确测试还是会面临很多实际问题和挑战。比如由于颗粒移动速度相对较慢,颗粒移动引起的光波频率变化只有几十到几百赫兹,而本身一束激光的频率在1014赫兹左右,这就意味着这个频率变化非常小,很难准确测到。还有待测颗粒非常小,很多都在纳米级别,这也就意味着散射光信号非常弱,而弱信号对噪音和扰动非常敏感等等。应对于这些难点和测试需求,丹东百特仪器有限公司在BeNano系列仪器中采取了一系列新的技术和设计,比如采用现在先进的拍频+相位分析技术,就是来解决频率变化很小这个难题的。通过使用高灵敏度的APD雪崩光电二极管代替常规的PMT检测器来增加弱信号的灵敏度,同时各种光纤和光路补偿技术的应用极大的优化了光路稳定性,大大拓展了其应用领域和效果。

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图3. 电泳光散射光路示意图


      这样,一台技术先进、结果准确的Zeta电位仪器就研发出来了,但是要想真正让其发挥大的作用,实验过程和条件也缺一不可。毕竟颗粒可能悬浮在不同的液体环境中,其本身电位会受多种环境因素,比如溶液pH值、电导率、组成成分及浓度等影响。


四、影响Zeta电位的因素有哪些?



1、pH值对电位数据的影响


      将10mg聚丙烯酰胺乳胶球样品分散在10mL纯净水中得到母液,通过添加盐酸和氢氧化钠调节样品pH值,并在不同pH值下检测其Zeta电位,结果如下:


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图1. 不同pH值下样品的Zeta电位曲线


      通过曲线可以看到,在pH 2-9范围内,随着pH降低,样品Zeta电位从较高的负值向0趋近。这是由于溶液环境中的[H+]浓度随pH降低逐渐增高,样品表面的负电逐渐被中和,趋向于携带更多的正电荷造成的。


2、电导率对电位数据的影响


      采用Duke的聚苯乙烯乳胶球作为研究对象,通过加入不同浓度的氯化钠水溶液来配置一系列不同电导率的乳液,测试其Zeta电位,结果如下:


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图2. 不同电导率下样品的Zeta电位曲线


      从上图中可以看到随着电导率的变大(mS/cm),Zeta电位值呈变小的趋势。这是因为在溶液中离子强度与盐的价态和浓度相关。盐的价态越高,浓度越高,离子强度越高,对于颗粒表面电势屏蔽作用越强,颗粒的Zeta电位相应的越低。


3、组成成分浓度变化对电位数据的影响


      采用一款纳米金刚石粉末作为原料,然后将该粉末分别悬浮在含有不同浓度的乙醇胺的水溶液中,在相同条件下分别测试该金刚石颗粒的Zeta电位,数据如下:


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      通过上表可以看出,在加入不同量的乙醇胺的环境中,样品的Zeta电位有明显差别。3个样品的Zeta电位均为负值,说明纳米金刚石在这三个环境中均携带负电荷。分散在水中的1#样品的电导率较低,其Zeta电位在-20mV以上相对较高,而分散在醇胺溶液中的2#和3#样品电导率高于水,Zeta电位明显降低。说明乙醇胺的存在明显对金刚石表面电荷有抑制作用,浓度越高,其体系也越不稳定。