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Zeta電位的基本理論、測試方法和應用

來源：本站時間：2020-08-24 17:29:28 瀏覽：36415次

作者：羅慕宸

1 引言

在納米科學領域，Zeta電位是一個非常重要的概念，它是對顆粒之間相互排斥或吸引力的強度的度量。根據(jù)Zeta電位，我們能夠詳細了解分子或顆粒的分散機理，這對靜電分散控制至關(guān)重要。

Zeta電位可用于測定分散體系顆粒物的固－液界面電性（ζ電位），可用于測量乳狀液液滴的界面電性，也可用于測定等電點、研究界面反應過程的機理。通過測定顆粒的Zeta電位，求出等電點，是認識顆粒表面電性的重要方法，在顆粒表面處理中也是重要的手段。目前，Zeta電位的測量廣泛應用于化妝品、選礦、造紙、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑材料、超細材料、環(huán)境保護、海洋化學等行業(yè)，同時，Zeta電位也是化學、化工、醫(yī)學、建材等領域的重要理化參數(shù)之一。

2 Zeta電位的基本理論

要真正的弄清楚Zeta電位的基本原理，首先需要理解一下雙電層理論。

那什么是雙電層呢？

我們知道，熱運動使液相中的離子趨于均勻分布，帶電表面則排斥同號離子并將反離子吸引至表面附近，溶液中離子的分布情況由上述兩種相對抗的作用的相對大小決定。根據(jù)斯特恩的觀點，一部分反離子由于電性吸引或非電性的特性吸引作用（例如范德瓦耳斯力）而和表面緊密結(jié)合，構(gòu)成吸附層（或稱斯特恩層）。其余的離子則擴散地分布在溶液中，構(gòu)成雙電層的擴散層。由于帶電表面的吸引作用，在擴散層中反離子的濃度遠大于同號離子離表面越遠，過剩的反離子越少，直至在溶液內(nèi)部反離子的濃度與同號離子相等。
如圖1所示，最左側(cè)的“surface charges”可看成分散在水中的固體粒子的表面電荷。懸浮在水中的粒子，其表面的帶電基團總是傾向于吸引溶液中帶相反電荷的離子(即"反離子")。但所有的離子都具有熱能，所以它們會不停地運動。所以離子一方面在靜電作用下被吸引到粒子表面，另一方面在熱擴散的作用下遠離粒子表面，這兩種作用的凈效果是所有離子在顆粒表面獲得某種平衡分布，這種平衡分布也就是形成了離子云。值得注意的是，圖中有一層反離子被畫成與粒子表面直接接觸，即它們處于所謂的緊密層(Condensed layer)中，而另外的反離子被畫成是擴散的，即處于所謂的擴散層(Diffuse layer)中。緊密層和擴散層相接的地方存在一個滑移層(處于距離緊密層朝外方向很短的地方)，大致地我們可以這樣認為：粒子在水中運動的時候，滑移層左側(cè)的離子都能跟隨粒子一起運動，而其右側(cè)的粒子則沒有那么"死心塌地"地跟它走，所以兩者之間會產(chǎn)生滑動。在此處，Zeta電位指的就是水相中固體粒子的滑動面相對于遠處(即離子平衡處)的電位(Electrical potential)，這個電位通過儀器是可以實際測到的。

雙電層模型示意圖

因此，納米顆粒本身帶不帶電荷或者帶什么電荷并不重要，重要的是，如果Zeta電位儀檢測得到的是正值，就說明納米顆粒整體表現(xiàn)出來的是正電荷，我們稱之為納米顆粒表面帶正電；如果Zeta電位儀檢測得到的是負值，就說明納米顆粒整體表現(xiàn)出來的是負電荷，我們稱之為納米顆粒表面帶負電荷。
此外，Zeta電位的重要意義在于它的數(shù)值與膠態(tài)分散的穩(wěn)定性相關(guān)。如圖2所示，清晰的揭示了Zeta電位的大小與體系穩(wěn)定性之間的大致關(guān)系。Zeta電位是對顆粒之間相互排斥或吸引力的強度的度量。分子或分散粒子越小，Zeta電位的絕對值（正或負）越高，體系越穩(wěn)定，即溶解或分散可以抵抗聚集。反之，Zeta電位（正或負）越低，越傾向于凝結(jié)或凝聚，即吸引力超過了排斥力，分散被破壞而發(fā)生凝結(jié)或凝聚。

Zeta電位與體系穩(wěn)定性的關(guān)系

3 Zeta電位的測試方法

經(jīng)過長時間的探索發(fā)展，目前測量Zeta電位的方法主要包括電泳法、電滲法、流動電位法和流動電流法等，下面筆者將對其進行展開介紹。

3.1 電泳法

電泳法是將待測液注入兩端加有電壓的電泳池中，然后用激光多普勒測速法測量膠體粒子遷移速度，再根據(jù)Zeta電位和移動速率的關(guān)系，從而計算出待測溶液的Zeta電位。

那么，什么是電泳呢？

所謂電泳，是帶電粒子在外電場的作用下相對于其懸浮液體(例如，水)產(chǎn)生運動的現(xiàn)象。再簡單講，就是在液體樣品兩端加了外電場之后，液體中帶正電的粒子會朝外電場的負極移動，帶負電的粒子會朝外電場的正極移動。如圖3所示，帶正電的氫氧化鐵膠體，經(jīng)過一段時間的電泳，負極段的顏色就會深。

Fe(OH)3膠體的電泳現(xiàn)象

對于電泳法，目前最常見的測試儀器是基于多普勒電泳光散射原理的Zeta電位儀，它利用多普勒電泳光散射原理, 通過測量光的頻率或相位的變化間接測出顆粒的電泳速度。

這類Zeta電位儀主要由激光源、衰減器、樣品室、檢測器、數(shù)字信號處理器、相關(guān)器和計算機等組成，其基本工作原理見圖4。首先，激光通過電子束分裂器分成基準光束和入射光束，其中基準光為多普勒效應提供參考光束，入射光則通過衰減器進入樣品室。當光束照到運動的顆粒時，就會引起光束頻率或相位發(fā)生變化，檢測器將此信號傳送到數(shù)字信號處理器和相關(guān)器，進而傳送到計算機。

多普勒電泳光散射Zeta電位儀的結(jié)構(gòu)

3.2 電滲法

多普勒電泳光散射Zeta電位儀的結(jié)構(gòu)

3.3 流動電位法

對纖維或填料表面的Zeta電位的檢測是其最常見的應用之一，故而為了使介紹更為清晰明了，筆者以此為例來說明Zeta電位測量中的流動電位法。

如圖5所示，是其基本的工作方式。圖中該儀器利用真空將纖維懸浮液吸向濾網(wǎng)而在濾網(wǎng)上形成纖維墊，然后測定裝置于纖維墊兩端的一對電極之間的電位差(篩網(wǎng)本身常常被用作其中一個電極)。纖維墊兩側(cè)施加一定真空壓時的電位值與不施加真空壓時的參考電位值進行對比。

纖維表面Zeta電位測量示意圖

3.4 流動電流法

流動電流法的基本原理是：在機械外力的作用下，待測液沿毛細管壁流動，而擴散層的反離子隨待測液一起流動，并在管的一端聚集，通過測量該過程中形成的流動電流得到Zeta電位。該信號非常微弱，通常利用放大裝置對電流信號進行放大，然后經(jīng)過同步整流器和靈敏度調(diào)整，測得流動電流信號，因而后續(xù)的信號處理具有一定的復雜性。

4 Zeta電位的影響因素

Zeta電位具有如此重要的意義，然而在許多情況下，一些膠體粒子的電動行為并沒有像經(jīng)典電動理論所預測的那樣，隨著離子強度的增加，Zeta電位的絕對值持續(xù)下降，此外還存在利用不同的實驗技術(shù)測得的同一物質(zhì)的Zeta電位也不同的情況?；诖?，筆者從內(nèi)因和外因的角度分別總結(jié)了Zeta電位測量過程中的影響因素。

4.1 內(nèi)因

影響Zeta電位的內(nèi)因主要指分散體系本身的性質(zhì)對Zeta電位的影響。

pH：影響Zeta電位最重要的因素是pH，當談論Zeta電位時，pH是不可忽視的因素。 Zeta電位對pH作圖在低pH將是正的，在高pH將是負的，這中間一定有一點會通過零Zeta電位，這一點稱為等電點，是相當重要的一點，通常在這一點膠體是最不穩(wěn)定的。

如圖6所示，在懸浮液中有一個帶負電的顆粒，往這一懸浮液中加入堿性物質(zhì)，顆粒會得到更多的負電；但若往這一懸浮液中加入酸性物質(zhì)，在一定程度時，顆粒的電荷將會被中和；進一步加入酸，顆粒將會帶更多的正電。

納米顆粒表面電荷來源

電導率：雙電層的厚度與溶液中的離子濃度有關(guān)，可根據(jù)介質(zhì)的離子強度進行計算，離子強度越高，雙電層愈壓縮同，離子的化合價也會影響雙單層的厚度，例如三價離子(Al3+)將會比單價離子(Na+)更多的壓縮雙電層。

無機離子可有兩種方法與帶電表面相作用：對于等電點沒有影響的非選擇性吸附和會改變等電點的選擇性吸附。即使很低濃度的選擇性吸附離子,也會對Zeta電位有很大的影響，有時選擇性吸附離子甚至會造成顆粒從帶負電變成帶正電,從帶正電變成帶負電。

此外，樣品中的不同添加劑濃度對樣品的Zeta電位也會產(chǎn)生很大的影響，研究樣品中的添加劑濃度對產(chǎn)品Zeta電位的影響可為研發(fā)穩(wěn)定配方的產(chǎn)品提供有用的信息，研究樣品中已知雜質(zhì)對Zeta電位的影響可作為研制抗絮凝的產(chǎn)品的有力工具。

4.2 外因

影響Zeta電位的外因主要指一些外在的干擾，比如人為因素或Zeta電位儀的精度對Zeta電位的影響等。

電滲運動：影響測量精度的主要因素，它與電泳運動方向相反，極大地影響電泳速度測量的真實性。因此，測量時必須有效地剔除由于電滲運動所引起的誤差。根據(jù)膠體化學的有關(guān)論述，只有當測量在所謂“穩(wěn)定層”上進行時，體系的電滲運動速度才可為零，理論上，這時得到的結(jié)果才是電泳運動的速度。

交叉污染：由于Zeta電位對于體系的離子環(huán)境十分敏感，因此交叉污染對于電化學測量的影響巨大。樣品池和電極若清洗不干凈，其表面帶有殘留電荷后，容易吸附樣品，并增大引入樣品交叉污染的可能性。

展寬：Zeta電位的測量實際上就是對體系電泳運動速度的測量。這個過程中，樣品顆粒電泳率不均勻所造成的非均勻性拓寬以及由于顆粒布朗運動速度與電泳運動速度疊加所造成的擴散拓寬，都會造成多普勒頻移線拓寬，進而降低測量分辨率，影響測量結(jié)果的精度。

信噪比與溫度變化：高信噪比是儀器高性能的根本保證，其中激光器功率大小就是一個關(guān)鍵的影響因素。對于低電泳遷移率或極稀體系的樣品，低功率激光器在測量時產(chǎn)生的低散射強度會使系統(tǒng)的信噪比降低，影響測量結(jié)果的可靠性。溫度變化會引起某些體系粘度以及布朗運動劇烈程度的變化，進而影響Zeta電位的測量結(jié)果。

5 應用分析

正如前面提到的，Zeta電位的測量使我們能夠詳細了解分散機理，因而其在釀造、陶瓷、制藥、藥品、礦物處理和水處理等各個行業(yè)應用廣泛。

目前，包括艾滋病毒在內(nèi)的病毒性疾病的傳播治療是一個緊迫的問題，在當今醫(yī)學中用于治療免疫缺陷疾病的藥物普遍具有合成復雜以及副作用多的問題。因此，人們對來自天然來源（植物來源）的化合物（包括多酚）作為合成抗病毒藥物的替代品這一途徑非常感興趣。

而其中，單寧屬于植物的次生代謝產(chǎn)物，具有多種生物活性，包括抗病毒活性。Szymon[1]等人研究了人血清白蛋白（HSA）與兩種鞣花單寧的相互作用，發(fā)現(xiàn)將單寧添加到蛋白質(zhì)中會導致Zeta電位略有增加（圖7）。

值得注意的是，在實驗誤差范圍內(nèi)，沒有研究單寧和有研究單寧的HSA的Zeta電位值是相同的，說明在研究化合物的存在下，人血清白蛋白表面結(jié)構(gòu)無明顯變化，保持穩(wěn)定。這項工作揭示了Zeta電位分析在藥物領域的應用。

加入單寧時HAS的Zeta電位

膜技術(shù)現(xiàn)已廣泛應用于各種工業(yè)應用中，包括水凈化，制藥，生物技術(shù)，石化和紡織等。膜的一般作用是從各種溶液中分離，純化，濃縮或去除物質(zhì)，例如微生物，細顆粒，蛋白質(zhì)，核酸，糖，其他有機物和礦物溶質(zhì)。膜表面的電荷效應較為復雜，對電荷行為的詳細檢查可提供對溶質(zhì)-溶液-表面機理相互作用的更多了解，從而可以更好地理解后續(xù)的膜工藝性能。Matthew[2]等人研發(fā)了一種全新的測定膜表面Zeta電位的方法，用于測量超濾，納濾和反滲透膜的表面電荷。

如圖8所示，使用切向流電勢和激光多普勒電泳評估了PTFE膜的Zeta電位?？梢钥吹剑琍TFE膜在低pH范圍內(nèi)帶正電，然后隨著pH的增加而迅速變?yōu)樨摚入婞c在pH 為5左右。在較高的pH值（7.5）下，膜的Zeta電位穩(wěn)定在約-20 mV。該工作證實了激光多普勒電泳是通過確定膜表面Zeta電位來表征膜表面電荷的合適方法。與傳統(tǒng)方法論相比，該技術(shù)具有多個優(yōu)勢，其將方法擴展到覆蓋帶正電的表面，這使該新技術(shù)能夠跨越膜表面電荷表征所需的整個測量范圍。

未改性PTFE膜的Zeta電勢

參考文獻：

[1] Szymon Sekowski, Ewa Olchowik-Grabarek, Weronika Wieckowska, Artem Veiko, Lukasz Oldak, Ewa Gorodkiewicz, Eduard Karamov, Nodira Abdulladjanova, Saidmukhtar Mavlyanov, Elena Lapshina, Ilya B. Zavodnik, Maria Zamaraeva. Spectroscopic, Zeta-potential and Surface Plasmon Resonance analysis of interaction between potential anti-HIV tannins with different flexibility and human serum albumin, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2020, 194, 111175.

[2] Matthew Walters, Saif Al Aani, Peter P. Esteban, Paul M. Williams, Darren L. Oatley-Radcliffe. Laser Doppler electrophoresis and electro-osmotic flow mapping for the zeta potential measurement of positively charged membrane surfaces, Chemical Engineering Research and Design, 2020. 159, 458-476.

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