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针对不同分散体系,该选择哪种Zeta电位检测技术?
2023年11月07日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:202
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在不同的应用领域中,对于分散体系的稳定性和分散性的要求各不相同,比如在3D打印领域,为了保证打印效果,浆料的稳定性指标要求浆料能长期储存而不沉淀;在生物制药领域,需要尽量避免蛋白大分子的团聚,以保持其药物的生物活性;而在水处理领域则恰恰相反,需要加絮凝剂,使其中细小的悬浮颗粒和胶体物质失稳,促使絮凝沉淀,以便去除水中的颗粒杂质。因此,衡量分散体系稳定性在许多领域的生产、处理过程中都具有关键意义。为了表征和调控分散体系的稳定性,通常使用Zeta电位法。

Zeta电位是什么?

溶液中一般存在表面携带一定量电荷的悬浮胶体颗粒,这些颗粒表面带有的电荷会影响溶液内离子分布的变化,进而引起电势的变化。根据目前应用最广泛的描述溶液中微粒带电性质的理论——Stern双电层理论,当带电粒子处于一个含有离子的溶液中时,带电粒子表面会吸附相反电荷,形成扩散双电层,接近粒子表面的相反离子被牢固吸附,构成吸附层。远离的相反离子则松散结合,构成扩散层。当带电粒子运动时,扩散层中有一部分粒子随颗粒一起做布朗运动,一部分则分散在溶液中,不随颗粒运动,将扩散层中动与不动的界面称为滑移面,此处的电位即为Zeta电位。


带负电悬浮粒子的电势分布

Zeta电位为何能表征分散体系稳定性?

了解完Zeta电位是什么,再来看看它为什么能够表征分散体系的稳定性。根据Derjaguin等提出的胶体稳定理论(DLVO理论):当颗粒相互接近时,颗粒之间存在双电层互斥力与范德瓦尔互吸力。互斥力使得颗粒相互接近时存在能量障碍而分散开,当颗粒有足够的能量克服此障碍时,互吸力将会使他们牢牢地结合在一起。


DLVO理论

当粒子的Zeta电位绝对值很高,即带有很多负的或正的电荷,颗粒间的互斥力也很高,使得分散体系达到稳定分散的状态。相反,当粒子的Zeta电位绝对值很低时,颗粒所带的正或负电荷很少,范德瓦尔互吸力能够克服颗粒间的互斥力,使得颗粒可以轻易结合,从而达到整个体系的不稳定性。


Zeta电位与胶体稳定性的关系

利用这个原理,除了可评估分散体系的稳定性外,还可用于评价粉体包覆改性的效果,当对粉体进行改性时,改性剂会电离成离子吸附于颗粒表面,是颗粒表面形成双电层结构,通过对比粉体颗粒表面改性前后的Zeta电位值变化,就可用于衡量粉体包覆改性的效果。

Zeta电位值如何测量?

Zeta电位一般无法直接测量,但分散体系中存在电泳、电渗、沉降电势、流动电势几种电动现象,利用这些电动现象,Zeta电位测量方法可分为电泳法、电渗法和流动电位法等

1、电泳法

电泳是指在外加电场作用下,带电的分散相粒子在分散介质中向相反符号的电极移动的一种现象,电泳法是目前应用最广泛的一种颗粒Zeta电位测量方法,并根据不同测量需求扩展了多种测量方法。


电泳法示意图

(1)电泳光散射法:

电泳光散射法是基于多普勒效应,本质是将颗粒的电泳速度测量问题转化为散射光频移测量问题。带电颗粒在外加电场作用下发生定向移动,当光束照射到颗粒上时,就会引起光束频率或相位发生变化,且颗粒运动速度越快,光的频率变化的也越快。因此通过测量光信号的频率变化可以间接测出颗粒的电泳速度,从而计算得到Zeta电位。这种方法的测量速度快、统计精度高、重现性好,但由于在高浓度样品中,散射光的路径较为复杂,且电泳迁移率也较低,导致往往需要增加电场强度来增加多普勒频移,减少测量时间,因此电泳光散射法较适用于检测低浓度样品或稀释后的高浓度样品。

(2)微电泳法

微电泳法是一种借助于显微镜直接观察带电粒子运动,从而得到每一个颗粒的迁移率,再计算得到每个颗粒的zeta电位,最终得到zeta电位分布的方法。微电泳法具有直观方便的优点,且可以得到每个颗粒的Zeta电位,但只适用于测量浓度非常低的分散体系中颗粒的Zeta电位。


基于微电泳法的ZETA电位仪及电位分布图

(来源:网络)

(3)相位分析光散射法

相位分析光散射法是对电泳光散射技术的改进,这种方式是利用分数器将激光分成两束,两束激光分别经布拉格盒调制后,通过反射镜和小孔交叉入射到样品池,再利用计算系统测量散射光信号关于参考光信号的相位移即可测量颗粒Zeta电位等信息。

由于相位分析光散射法在短时间内即可探测到足够的散射光信号相位差,可以有效检测极低电泳迁移率样品的Zeta电位信息,从而实现了对于等电点附近样品及高盐浓度下样品的准确Zeta电位检测。


结合动、静态光散射及相位分析光散射法的ZETA电位仪及其光路系统

(来源:丹东百特

2、电渗法

电渗是指这样一种现象:在外电场作用下,由于多孔固体(膜)吸附溶液中的正负离子,使溶液相对带电,溶液会相对于和它接触的静止的固体相(粉体颗粒)运动。单位场强下,液体流动的速度则为电渗速度。电渗法就是基于电渗原理测量颗粒Zeta电位的方法,当电渗测量装置的电极接入直流电流时,因电渗作用,毛细管中液体会发生移动,根据液体移动速度即可得到颗粒的Zeta电位。

电渗法相比电泳法,装置简单,操作方便,但是在实际测量过程中对毛细管中液体体积读数存在较大的主观因素,且受到毛细管干燥程度的影响,导致测量精度较低、测量范围小,较适于测量大于5μm的细微颗粒。


电渗法原理及其测量装置

3、流动电位法

流动电位是电渗的逆过程,在外力作用下,迫使液体通过多孔膜或毛细管做定向流动,带电表面双电层的扩散层中的离子也会随之移动,形成电流,从而在毛细管或多孔介质两端产生电位差。流动电位法就是通过测量流动电势来确定膜表面的 zeta 电位。


流动电位法原理及其测量装置

与电泳法、电渗法不同,流动电位法对于固体材料的外表面敏感,可以探测具有复杂的几何形状的材料固液界面电荷层的形成,故常用于研究多孔介质、渗透性材料等固-液界面的电荷情况,提供材料表面与水溶液溶质的静电相互作用信息,比如在医疗器械领域,有助于评估生物医疗器械与生物体内液体的相互作用和生物相容性。目前市面上拥有此技术的企业较少,法国cad和安东帕两家企业就在其中。

基于流动电位的Zeta电位仪(来源:安东帕)

小结

因Zeta电位值代表了带电离子表面的的电位情况,可通过其了解分散体系中颗粒材料间的双电层互斥力,从而判断分散体系的稳定性。

根据分散体系中的电动现象,可通过电泳法、电渗法、流动电位法几种方式间接测量Zeta电位值,电泳法中电泳光散射法测量精度高、重新性好,微电泳法直观方便,但两者均比较适用于低浓度的溶液。相位分析光散射法是对电泳光散射法的改进,可以快速测得高浓度下带电颗粒的Zeta电位,但设备较为复杂。电渗法相比电泳法,装置简单,操作方便,但测量精度不高,适用于测量5μm以上带电颗粒的Zeta电位。与电泳法、电渗法不同,流动电位法主要用于了解固-液界面的电荷情况,从而判断材料表面与水溶液溶质的静电相互作用信息。

 

参考来源:

1、秦福元. 基于相位分析光散射的Zeta电位测量研究[D].山东理工大学,2019.

2、翟雪莹. 铜粉表面Zeta电位的调节以及玻璃包覆铜粉的制备[D].天津大学,2022.

3、王晓燕. Zeta电位实时在线监测系统的研究及其在废水处理中的应用[D].广西大学,2017.

4、Shashikant Kamble, Santosh Agrawal, Sandeep Cherumukkil, et al., Revisiting Zeta Potential, the Key Feature of Interfacial Phenomena, with Applications and Recent Advancements, ChemistrySelect, 2022,7,e202103084.


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