zeta电位仪详解​

　　​​一、 核心概念：什么是zeta电位？​​
 

　　要深入理解zeta电位仪，必须首先掌握其测量对象——​​zeta电位(ζ-电位)​​。
 

　　1.界面现象​​：当固体颗粒分散在液体中时，由于其表面的离子化或对溶液中离子的吸附，颗粒表面会带上净电荷。
 

　　2.​​双电层理论​​：为了维持电中性，带电的颗粒会吸引周围液体中带相反电荷的离子(反离子)，从而在颗粒/液体界面处形成一个结构复杂的区域，称为​​双电层​​。该结构包括：
 

　　•内层(Stern层)​​：紧贴颗粒表面的、被强烈吸附的、基本不动的离子层。
 

　　•​​外层(扩散层)​​：从Stern层向外延伸，由于热运动而呈扩散分布的离子层。
 

　　3.剪切面​​：当颗粒在液体中运动时，会有一个界面，界面内的离子和液体分子是随颗粒一起运动的，而界面外的则是自由的。这个假想的界面称为剪切面。
 

　　4.定义​​：​​zeta电位是剪切面上的电势​​。它不等于颗粒表面的电势，但它是表征双电层特性的、可通过实验测量的、接近表面的电势值。
 

　　zeta电位的物理意义与稳定性判断​​：
 

　　zeta电位值反映了颗粒间静电排斥力的强弱。其绝对值越大，表明颗粒间排斥力越强，越能克服范德华引力等吸引力，从而​​分散体系越稳定​​，不易发生团聚或沉降。反之，绝对值越小，体系越不稳定。
 

　　•​​高稳定性​​：通常 |ζ| > ±30 mV
 

　　•​​中等稳定性​​：大约在 ±20 mV 到 ±30 mV 之间
 

　　•快速团聚/不稳定​​：大约在 ±5 mV 到 ±20 mV 之间，在 ​​等电点时最不稳定。
 

　　​​二、 测量原理：电泳光散射技术​​
 

　　现代zeta电位仪绝大多数采用​​电泳光散射技术。该技术是​​激光多普勒效应​​和​​显微电泳​​技术的结合。
 

　　​​测量过程分解：​​
 

　　1.​​施加电场​​：
 

　　•将样品注入一个带有电极的专用样品池(如一次性毛细管样品池)。
 

　　•对电极施加一个稳定的交流或直流电场。带电颗粒会在电场作用下发生定向移动，正电颗粒移向负极，负电颗粒移向正极。这种运动称为​​电泳。
 

　　2.​​测量电泳速度(迁移率)​​：
 

　　•一束单色、相干的激光(如He-Ne激光器)照射在样品上。
 

　　•移动的颗粒会对散射光产生​​多普勒频移​​：朝向检测器运动的颗粒散射光频率增加，背向检测器运动的颗粒散射光频率降低。
 

　　•仪器通过干涉测量技术，精确检测这种极其微小的频率变化(或相位变化)，从而计算出颗粒的​​电泳迁移率​​。迁移率定义为：μE = v / E，其中 v是颗粒速度，E是电场强度。
 

　　3.计算zeta电位​​：
 

　　•获得电泳迁移率 μE后，根据经典的电磁学理论模型，将其转换为zeta电位 ζ。常用的转换模型是​​Smoluchowski近似​​(适用于高离子强度、任意形状颗粒)和​​Hückel近似​​(适用于低离子强度、球形小颗粒)。
 

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

　　•η是溶剂的粘度
 

　　•ε是溶剂的介电常数
 

　　•ε0是真空介电常数
 

　　​​进阶技术：相位分析光散射(PALS)​​
 

　　为了克服传统激光多普勒技术在测量高电导率样品或低迁移率样品时的信噪比问题，现代仪器普遍采用​​相位分析光散射技术。PALS通过直接分析散射光的相位变化而非频率变化来测量颗粒速度，其灵敏度比传统方法高出几个数量级，结果更精确、更可靠。
 

　　​​三、 仪器核心组件​​
 

　　1.激光光源​​：提供高强度、单波长、稳定的激光束。
 

　　2.样品池​​：
 

　　•​​标准折叠毛细管池​​：电极集成在池壁上，适用于大多数水相和有机相样品。
 

　　•Universal Dip Cell​​：可浸入式电极，适用于特殊样品或清洗困难的场景。
 

　　3.​​检测器​​：高性能的光电检测器，如​​光电倍增管(PMT)​​ 或​​雪崩光电二极管(APD)​​，用于捕获极其微弱的光信号。
 

　　4.​​温控系统​​：高精度的帕尔贴温控系统至关重要，因为温度直接影响溶剂的粘度(η)和介电常数(ε)，从而显著影响计算结果。温控精度通常需达到±0.1°C。
 

　　5.信号处理器与计算机系统​​：强大的处理器和专业的软件用于控制实验、采集数据、进行相关运算(通过相关函数提取频率/相位信息)，并最终输出zeta电位值、分布图和各种报告。
 

　　​​四、 样品制备与要求​​
 

　　准确的测量依赖于正确的样品制备：
 

　　•​​浓度​​：需要优化。太浓会导致多重散射，光信号失真；太稀则信号太弱。通常需要使激光在样品中的衰减系数处于合理范围。
 

　　•分散介质​​：样品必须分散在具有​​明确粘度和介电常数​​的液体中。未知物性的液体无法计算zeta电位。
 

　　•离子强度与pH​​：溶液的离子强度和pH值对zeta电位有巨大影响。必须在报告结果时注明测量条件。许多仪器配备​​自动滴定仪​​附件，用于自动测量zeta电位随pH或添加剂浓度的变化曲线，从而确定​​等电点(IEP)​​。
 

　　•​​清洁度​​：样品池和样品必须非常洁净，任何灰尘或气泡都会严重干扰测量结果。
 

　　​​五、 主要应用领域​​
 

　　1.药物递送与生物医药​​：优化脂质体、纳米粒、蛋白质制剂、病毒载体的稳定性，研究细胞膜表面电荷。
 

　　2.纳米材料​​：指导纳米颗粒(金属、氧化物、量子点等)的合成与表面修饰，防止团聚，保证其纳米特性。
 

　　3.工业产品​​：
 

　　涂料/油墨​​：确保颜料分散稳定，防止沉降。
 

　　陶瓷​​：控制浆料的流变性和稳定性。
 

　　食品​​：保持乳液(牛奶、蛋黄酱)、饮料的稳定性。
 

　　化妆品​​：优化乳霜、乳液、防晒产品的配方。
 

　　4.水处理与环境科学​​：通过调节zeta电位至零点，实现絮凝和悬浮物的高效去除。
 

　　5.MEMS/CMP​​：在半导体工业中，控制抛光浆料的稳定性以防止划伤晶圆。