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Zeta電位的基本理論、測試方法和應(yīng)用

來源：本站時間：2020-08-24 17:29:28 瀏覽：53034次

作者：羅慕宸

1 引言

在納米科學(xué)領(lǐng)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(qiáng)度的度量。根據(jù)Zeta電位，我們能夠詳細(xì)了解分子或顆粒的分散機(jī)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(diǎn)、研究界面反應(yīng)過程的機(jī)理。通過測定顆粒的Zeta電位，求出等電點(diǎn)，是認(rèn)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(yīng)用于化妝品、選礦、造紙、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑材料、超細(xì)材料、環(huán)境保護(hù)、海洋化學(xué)等行業(yè)，同時，Zeta電位也是化學(xué)、化工、醫(yī)學(xué)、建材等領(lǐng)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(yùn)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(diǎn)，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(kuò)散地分布在溶液中，構(gòu)成雙電層的擴(kuò)散層。由于帶電表面的吸引作用，在擴(kuò)散層中反離子的濃度遠(yuǎn)大于同號離子離表面越遠(yuǎn)，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(tuán)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(yùn)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(kuò)散的作用下遠(yuǎn)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(kuò)散的，即處于所謂的擴(kuò)散層(Diffuse layer)中。緊密層和擴(kuò)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(rèn)為：粒子在水中運(yùn)動的時候，滑移層左側(cè)的離子都能跟隨粒子一起運(yùn)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(yuǎn)處(即離子平衡處)的電位(Electrical potential)，這個電位通過儀器是可以實(shí)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(fù)值，就說明納米顆粒整體表現(xiàn)出來的是負(fù)電荷，我們稱之為納米顆粒表面帶負(fù)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(qiáng)度的度量。分子或分散粒子越小，Zeta電位的絕對值（正或負(fù)）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(fù)）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(jìn)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(jì)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(yùn)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(fù)極移動，帶負(fù)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(fù)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(jì)算機(jī)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(zhǔn)光束和入射光束，其中基準(zhǔn)光為多普勒效應(yīng)提供參考光束，入射光則通過衰減器進(jìn)入樣品室。當(dāng)光束照到運(yùn)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(jìn)而傳送到計(jì)算機(jī)。

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(yīng)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?yàn)V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(jìn)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(jī)械外力的作用下，待測液沿毛細(xì)管壁流動，而擴(kuò)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(jìn)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(fù)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(yù)測的那樣，隨著離子強(qiáng)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(shí)驗(yàn)技術(shù)測得的同一物質(zhì)的Zeta電位也不同的情況。基于此，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(dāng)談?wù)揨eta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(fù)的，這中間一定有一點(diǎn)會通過零Zeta電位，這一點(diǎn)稱為等電點(diǎn)，是相當(dāng)重要的一點(diǎn)，通常在這一點(diǎn)膠體是最不穩(wěn)定的。

如圖6所示，在懸浮液中有一個帶負(fù)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(fù)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(jìn)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(dǎo)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(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，離子強(qiáng)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(jī)離子可有兩種方法與帶電表面相作用：對于等電點(diǎn)沒有影響的非選擇性吸附和會改變等電點(diǎn)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?xí)斐深w粒從帶負(fù)電變成帶正電,從帶正電變成帶負(fù)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(yùn)動：影響測量精度的主要因素，它與電泳運(yùn)動方向相反，極大地影響電泳速度測量的真實(shí)性。因此，測量時必須有效地剔除由于電滲運(yùn)動所引起的誤差。根據(jù)膠體化學(xué)的有關(guān)論述，只有當(dāng)測量在所謂“穩(wěn)定層”上進(jìn)行時，體系的電滲運(yùn)動速度才可為零，理論上，這時得到的結(jié)果才是電泳運(yùn)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(xué)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(shí)際上就是對體系電泳運(yùn)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(yùn)動速度與電泳運(yùn)動速度疊加所造成的擴(kuò)散拓寬，都會造成多普勒頻移線拓寬，進(jìn)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(qiáng)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(yùn)動劇烈程度的變化，進(jìn)而影響Zeta電位的測量結(jié)果。

5 應(yīng)用分析

正如前面提到的，Zeta電位的測量使我們能夠詳細(xì)了解分散機(jī)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(yīng)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(dāng)今醫(yī)學(xué)中用于治療免疫缺陷疾病的藥物普遍具有合成復(fù)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(dǎo)致Zeta電位略有增加（圖7）。

值得注意的是，在實(shí)驗(yàn)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(xiàng)工作揭示了Zeta電位分析在藥物領(lǐng)域的應(yīng)用。

加入單寧時HAS的Zeta電位

膜技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)應(yīng)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(xì)顆粒，蛋白質(zhì)，核酸，糖，其他有機(jī)物和礦物溶質(zhì)。膜表面的電荷效應(yīng)較為復(fù)雜，對電荷行為的詳細(xì)檢查可提供對溶質(zhì)-溶液-表面機(jī)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。可以看到，PTFE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?fù)，等電點(diǎn)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(shí)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(kuò)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(xiàn)：

[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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