Zeta电位原理、制样与数据分析!

Zeta电位原理、制样与数据分析!

前2期我们集中讨论了Zeta电位的2个基本问题:1)如何判定纳米颗粒表面电荷的正负;2)如何提高胶体纳米颗粒的稳定性。本期,我们将讨论一下Zeta电位的检测原理、样品制备以及数据分析。

一、检测原理

一般情况下,Zeta电位仪直接测定的是电泳迁移率,并转化为Zeta电位,Zeta电位是通过理论推导出来的。

当电场施加于电解质时,悬浮在电解质中的带电粒子被吸引向相反电荷的电极,作用于粒子的粘性力倾向于对抗这种运动。当这两种对抗力达到平衡时,粒子以恒定的速度运动,我们一般称这个速度通为电泳迁移率。

图1. 迁移率测试原理简化示意图

已知这个速度时,通过应用Henry方程,我们可以得到粒子的Zeta电位。

„     ζ : Zeta电位.

„     UE : 电泳迁移率

„     ε: 介电常数

„     η : 粘度

ƒ(Ka) : Henry函数(1.5或1.0)

 

通常在水性介质和中等电解质浓度下进行Zeta电位的电泳测定法,在这种情况下f(Ka)是1.5,即Smoluchowski近似。因此,对适合Smoluchowski模型的系统,即大于0.2微米的粒子分散在含大于10-3摩尔盐的电解质溶液中,可由此中算法直接从迁移率计算Zeta电位。Smoluchowski近似用于弯曲式毛细管样品池和通用插入式样品池的水相样品。对非水相的较低介电常数介质中的小粒子,通常采用Huckel近似,f(Ka)为1.0。

 

图2. 极性与非极性介质中不同Henry函数的选择

 

二、样品制备

Zeta电位样品制备有2个关键问题:

1)合适的浓度;

2)保证检测体系和实际体系的一致性,包括:pH、系统的总离子浓度、存在的任何表面活性剂或聚合物的浓度。

 

1. 最低浓度

在Zeta电位测试过程中所需的最小光强为20 kcps。因此最低浓度取决于相对折光指数差(粒子和溶剂间的折光指数差值)和粒子尺寸。

粒子的尺寸越大所产生的散射光越强,所需的浓度也就越低。对于折光指数差较大的样品,譬如TiO2粒子的水性悬浮液,TiO2的折光指数为2.5,与水的折光指数差较大,有较强的散射能力。因此对于300 nm的TiO2粒子,最小浓度可以为10-6  w/v %。对于折光指数差很小的样品,比如蛋白质溶液,最低浓度会高很多。通常最低浓度需要在0.1-1 w/v %之间才能有足够的散射光强进行Zeta电位测量。最终,对于特定样品进行一个成功的Zeta电位测量的最低浓度,应该由试验实际测量得到。

 

2. 最高浓度

Zeta电位测量过程中的散射光在向前的角度收集,因此激光应该保证能够穿过样品。如果样品的浓度过高,则激光将会由于样品的散射衰减很多,相应的降低检测到的散射光光强。为了补偿此影响,衰减器会让更过的激光通过。最终,样品的浓度范围必须由测定不同浓度下的Zeta电位的试验决定,由此来得到浓度对Zeta电位的影响。

 

3. 稀释介质

大多数样品的分散相,可以归于以下两类:

1)介电常数大于20的分散剂被定义为极性分散剂,如乙醇和水。

2)介电常数小于20的分散剂被定义为非极性或低极性分散剂,如碳氢化合物类、高级醇类。

多数样品要求稀释,稀释介质对于检测结果的可靠性是非常重要的。Zeta电位依赖于分散相的组成,因为它决定了粒子表面的特性。所给出的测量结果,如没有提及所分散的介质,则是没有太大意义的。

 

4. 如何保证稀释后样品表面状态不变?

制备样品最关键的地方,是在稀释过程中,保留纳米颗粒表面的真实状态。最好的办法就是即通过过滤或离心原始样品,得到清澈的分散剂,使用这种分散剂稀释原有浓度样品。以这种方式,100%完美地维持了表面与液体之间的平衡。如果过滤和离心比较麻烦,可以让样品自然沉淀,使用上清液中留下的小粒子来检测,也是比较好的方法。因为使用Smoluchowski理论近似时,Zeta电位与粒径依参数无关,所以检测上清液的小颗粒就可以表观显示整体颗粒表面电位情况。

 

5. 如何检测非极性体系中的Zeta电位?

在绝缘介质如正己烷等有机溶剂中,测量样品比较麻烦,需要在不使用高电压时,生成较高电场强度。它要求使用专门的样品池,universal dip cell(通用插入式样品池),因为此样品池具有较好的化学兼容性以及电极间的狭窄空间。

由于在非极性分散剂中,通常很少有离子以抑制Zeta电位,所测量的实际值一般是非常高的,如200或250 mV。 在这样的非极性系统中,稀释后样品的平衡呈时间依赖性,有时候需要平衡24小时以上。

总之,为了确保数据的可用性,一定要尽量保证检测体系和实际应用体系的统一性。并通过测试不同条件下Zeta电位的变化,直到Zeta电位不明显受参数变化的影响时,这个参数所在区间为可用。

为了保证数据可靠性,每个样品需要重复检测三次,取平均值!

三、数据分析

我们得到的数据一般只有一个数值,那么,如何知道这个检测结果是可靠,有效,高质量的呢?我们至少可以从三个方面进行考察。

1.相位图

图3. 数据较好的相位图

图4. 数据较差的相位图(可能原因:光强太强或者太弱,测试时间太短)

 

2. 频率图

图5. 数据较好的频率图

 

图6. 数据较差的频率图

3.电流电压图

图7. 数据较好的电流电压图

图8. 数据较差的电流电压图

来源:http://www.nanoer.net/e/action/ShowInfo.php?classid=32&id=4032

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