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(dāng)固體顆粒分散在液體中時，由于其表面的離子化或?qū)θ芤褐须x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(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域，稱為??雙電層??。該結(jié)構(gòu)包括：
 

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

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

　　3.剪切面??：當(dāng)顆粒在液體中運(yùn)動時，會有一個界面，界面內(nèi)的離子和液體分子是隨顆粒一起運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)弱。其絕對值越大，表明顆粒間排斥力越強(qiáng)，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(tuán)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(tuán)聚/不穩(wěn)定??：大約在 ±5 mV 到 ±20 mV 之間，在 ??等電點(diǎn)時最不穩(wěn)定。
 

　　??二、 測量原理：電泳光散射技術(shù)??
 

　　現(xiàn)代zeta電位儀絕大多數(shù)采用??電泳光散射技術(shù)。該技術(shù)是??激光多普勒效應(yīng)??和??顯微電泳??技術(shù)的結(jié)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(xì)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(fù)極，負(fù)電顆粒移向正極。這種運(yùn)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(chǎn)生??多普勒頻移??：朝向檢測器運(yùn)動的顆粒散射光頻率增加，背向檢測器運(yùn)動的顆粒散射光頻率降低。
 

　　•儀器通過干涉測量技術(shù)，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(qiáng)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(xué)理論模型，將其轉(zhuǎn)換為zeta電位 ζ。常用的轉(zhuǎn)換模型是??Smoluchowski近似??(適用于高離子強(qiáng)度、任意形狀顆粒)和??Hückel近似??(適用于低離子強(qiáng)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(jìn)階技術(shù)：相位分析光散射(PALS)??
 

　　為了克服傳統(tǒng)激光多普勒技術(shù)在測量高電導(dǎo)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(shù)。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(jié)果更精確、更可靠。
 

　　??三、 儀器核心組件??
 

　　1.激光光源??：提供高強(qiáng)度、單波長、穩(wěn)定的激光束。
 

　　2.樣品池??：
 

　　•??標(biāo)準(zhǔn)折疊毛細(xì)管池??：電極集成在池壁上，適用于大多數(shù)水相和有機(jī)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(guān)重要，因?yàn)闇囟戎苯佑绊懭軇┑恼扯?η)和介電常數(shù)(ε)，從而顯著影響計算結(jié)果。溫控精度通常需達(dá)到±0.1°C。
 

　　5.信號處理器與計算機(jī)系統(tǒng)??：強(qiáng)大的處理器和專業(yè)的軟件用于控制實(shí)驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)、進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算(通過相關(guān)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(zhǔn)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(dǎo)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(zhì)??：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(qiáng)度與pH??：溶液的離子強(qiáng)度和pH值對zeta電位有巨大影響。必須在報告結(jié)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(diǎn)(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(yán)重干擾測量結(jié)果。
 

　　??五、 主要應(yīng)用領(lǐng)域??
 

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

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

　　3.工業(yè)產(chǎn)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(chǎn)品的配方。
 

　　4.水處理與環(huán)境科學(xué)??：通過調(diào)節(jié)zeta電位至零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)絮凝和懸浮物的高效去除。
 

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