zeta電位儀詳解?

　　??一、 核心概念：什么是zeta電位？??
 

　　要深入理解zeta電位儀，必須首先掌握其測量對象——??zeta電位(ζ-電位)??。
 

　　1.界面現(xiàn)象??：當固體顆粒分散在液體中時，由于其表面的離子化或對溶液中離子的吸附，顆粒表面會帶上凈電荷。
 

　　2.??雙電層理論??：為了維持電中性，帶電的顆粒會吸引周圍液體中帶相反電荷的離子(反離子)，從而在顆粒/液體界面處形成一個結構復雜的區(qū)域，稱為??雙電層??。該結構包括：
 

　　•內層(Stern層)??：緊貼顆粒表面的、被強烈吸附的、基本不動的離子層。
 

　　•??外層(擴散層)??：從Stern層向外延伸，由于熱運動而呈擴散分布的離子層。
 

　　3.剪切面??：當顆粒在液體中運動時，會有一個界面，界面內的離子和液體分子是隨顆粒一起運動的，而界面外的則是自由的。這個假想的界面稱為剪切面。
 

　　4.定義??：??zeta電位是剪切面上的電勢??。它不等于顆粒表面的電勢，但它是表征雙電層特性的、可通過實驗測量的、接近表面的電勢值。
 

　　zeta電位的物理意義與穩(wěn)定性判斷??：
 

　　zeta電位值反映了顆粒間靜電排斥力的強弱。其絕對值越大，表明顆粒間排斥力越強，越能克服范德華引力等吸引力，從而??分散體系越穩(wěn)定??，不易發(fā)生團聚或沉降。反之，絕對值越小，體系越不穩(wěn)定。
 

　　•??高穩(wěn)定性??：通常 |ζ| > ±30 mV
 

　　•??中等穩(wěn)定性??：大約在 ±20 mV 到 ±30 mV 之間
 

　　•快速團聚/不穩(wěn)定??：大約在 ±5 mV 到 ±20 mV 之間，在 ??等電點時最不穩(wěn)定。
 

　　??二、 測量原理：電泳光散射技術??
 

　　現(xiàn)代zeta電位儀絕大多數(shù)采用??電泳光散射技術。該技術是??激光多普勒效應??和??顯微電泳??技術的結合。
 

　　??測量過程分解：??
 

　　1.??施加電場??：
 

　　•將樣品注入一個帶有電極的專用樣品池(如一次性毛細管樣品池)。
 

　　•對電極施加一個穩(wěn)定的交流或直流電場。帶電顆粒會在電場作用下發(fā)生定向移動，正電顆粒移向負極，負電顆粒移向正極。這種運動稱為??電泳。
 

　　2.??測量電泳速度(遷移率)??：
 

　　•一束單色、相干的激光(如He-Ne激光器)照射在樣品上。
 

　　•移動的顆粒會對散射光產生??多普勒頻移??：朝向檢測器運動的顆粒散射光頻率增加，背向檢測器運動的顆粒散射光頻率降低。
 

　　•儀器通過干涉測量技術，精確檢測這種極其微小的頻率變化(或相位變化)，從而計算出顆粒的??電泳遷移率??。遷移率定義為：μE = v / E，其中 v是顆粒速度，E是電場強度。
 

　　3.計算zeta電位??：
 

　　•獲得電泳遷移率 μE后，根據(jù)經(jīng)典的電磁學理論模型，將其轉換為zeta電位 ζ。常用的轉換模型是??Smoluchowski近似??(適用于高離子強度、任意形狀顆粒)和??Hückel近似??(適用于低離子強度、球形小顆粒)。
 

　　•公式(Smoluchowski)： ζ = (μE * η) / (ε * ε0)
 

　　•η是溶劑的粘度
 

　　•ε是溶劑的介電常數(shù)
 

　　•ε0是真空介電常數(shù)
 

　　??進階技術：相位分析光散射(PALS)??
 

　　為了克服傳統(tǒng)激光多普勒技術在測量高電導率樣品或低遷移率樣品時的信噪比問題，現(xiàn)代儀器普遍采用??相位分析光散射技術。PALS通過直接分析散射光的相位變化而非頻率變化來測量顆粒速度，其靈敏度比傳統(tǒng)方法高出幾個數(shù)量級，結果更精確、更可靠。
 

　　??三、 儀器核心組件??
 

　　1.激光光源??：提供高強度、單波長、穩(wěn)定的激光束。
 

　　2.樣品池??：
 

　　•??標準折疊毛細管池??：電極集成在池壁上，適用于大多數(shù)水相和有機相樣品。
 

　　•Universal Dip Cell??：可浸入式電極，適用于特殊樣品或清洗困難的場景。
 

　　3.??檢測器??：高性能的光電檢測器，如??光電倍增管(PMT)?? 或??雪崩光電二極管(APD)??，用于捕獲極其微弱的光信號。
 

　　4.??溫控系統(tǒng)??：高精度的帕爾貼溫控系統(tǒng)至關重要，因為溫度直接影響溶劑的粘度(η)和介電常數(shù)(ε)，從而顯著影響計算結果。溫控精度通常需達到±0.1°C。
 

　　5.信號處理器與計算機系統(tǒng)??：強大的處理器和專業(yè)的軟件用于控制實驗、采集數(shù)據(jù)、進行相關運算(通過相關函數(shù)提取頻率/相位信息)，并最終輸出zeta電位值、分布圖和各種報告。
 

　　??四、 樣品制備與要求??
 

　　準確的測量依賴于正確的樣品制備：
 

　　•??濃度??：需要優(yōu)化。太濃會導致多重散射，光信號失真；太稀則信號太弱。通常需要使激光在樣品中的衰減系數(shù)處于合理范圍。
 

　　•分散介質??：樣品必須分散在具有??明確粘度和介電常數(shù)??的液體中。未知物性的液體無法計算zeta電位。
 

　　•離子強度與pH??：溶液的離子強度和pH值對zeta電位有巨大影響。必須在報告結果時注明測量條件。許多儀器配備??自動滴定儀??附件，用于自動測量zeta電位隨pH或添加劑濃度的變化曲線，從而確定??等電點(IEP)??。
 

　　•??清潔度??：樣品池和樣品必須非常潔凈，任何灰塵或氣泡都會嚴重干擾測量結果。
 

　　??五、 主要應用領域??
 

　　1.藥物遞送與生物醫(yī)藥??：優(yōu)化脂質體、納米粒、蛋白質制劑、病毒載體的穩(wěn)定性，研究細胞膜表面電荷。
 

　　2.納米材料??：指導納米顆粒(金屬、氧化物、量子點等)的合成與表面修飾，防止團聚，保證其納米特性。
 

　　3.工業(yè)產品??：
 

　　涂料/油墨??：確保顏料分散穩(wěn)定，防止沉降。
 

　　陶瓷??：控制漿料的流變性和穩(wěn)定性。
 

　　食品??：保持乳液(牛奶、蛋黃醬)、飲料的穩(wěn)定性。
 

　　化妝品??：優(yōu)化乳霜、乳液、防曬產品的配方。
 

　　4.水處理與環(huán)境科學??：通過調節(jié)zeta電位至零點，實現(xiàn)絮凝和懸浮物的高效去除。
 

　　5.MEMS/CMP??：在半導體工業(yè)中，控制拋光漿料的穩(wěn)定性以防止劃傷晶圓。