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動態(tài)光散射基本原理及其在納米科技中的應(yīng)用——Zeta電位測量 前言：Zeta電位是納米材料的一種重要表征參數(shù)。現(xiàn)代儀器可以通過簡便的手段快速準(zhǔn)確地測得。大致原理為：通過電化學(xué)原理將Zeta電位的測量轉(zhuǎn)化成帶電粒子淌度的測量，而粒子淌度的測量測是通過動態(tài)光散射，運用波的多普勒效應(yīng)測得。 1.Zeta電位與雙電層（圖1） 粒子表面存在的凈電荷，影響粒子界面周圍區(qū)域的離子分布，導(dǎo)致接近表面抗衡離子（與粒子電。荷相反的離子）濃度增加。于是，每個粒子周圍均存在雙電層。圍繞粒子的液體層存在兩部分：一是內(nèi)層區(qū)，稱為Stern層，其中離子與粒子緊緊地結(jié)合在一起；另一個是外層分散區(qū)，其中離子不那么緊密的與粒子相吸附。在分散層內(nèi)，有一個抽象邊界，在邊界內(nèi)的離子和粒子形成穩(wěn)定實體。 當(dāng)粒子運動時（如由于重力），在此邊界內(nèi)的離子隨著粒子運動，但此邊界外的離子不隨著粒子運動。這個邊界稱為流體力學(xué)剪切層或滑動面（slippingplane）。在這個邊界上存在的電位即稱為Zeta電位。 2.Zeta電位與膠體的穩(wěn)定性（DLVO理論） 在1940年代Derjaguin, Landau, Verway與Overbeek 提出了描述膠體穩(wěn)定的理論，認(rèn)為膠體體系的穩(wěn)定性是當(dāng)顆粒相互接近時它們之間的雙電層互斥力與范德瓦爾互吸力的凈結(jié)果。此理論提出當(dāng)顆粒接近時顆粒之間的能量障礙來自于互斥力，當(dāng)顆粒有足夠的能量克服此障礙時，互吸力將使顆粒進一步接近并不可逆的粘在一起。（圖2） Zeta電位可用來作為膠體體系穩(wěn)定性的指示： 如果顆粒帶有很多負(fù)的或正的電荷,也就是說很高的Zeta電位,它們會相互排斥,從而達到整個體系的穩(wěn)定性；如果顆粒帶有很少負(fù)的或正的電荷,也就是說它的Zeta電位很低,它們會相互吸引,從而達到整個體系的不穩(wěn)定性。 一般來說, Zeta電位愈高,顆粒的分散體系愈穩(wěn)定，水相中顆粒分散穩(wěn)定性的分界線一般認(rèn)為在+30mV或-30mV，如果所有顆粒都帶有高于+30mV或低于-30mV的zeta電位,則該分散體系應(yīng)該比較穩(wěn)定 3.影響Zeta電位的因素 分散體系的Zeta電位可因下列因素而變化: A. pH 的變化 B. 溶液電導(dǎo)率的變化 C. 某種特殊添加劑的濃度,如表面活性劑,高分子 測量一個顆粒的zeta勢能作為上述變量的變化可了解產(chǎn)品的穩(wěn)定性，反過來也可決定生成絮凝的最佳條件。 3.1 Zeta電位與pH（圖3） 影響zeta電位最重要的因素是pH，當(dāng)談?wù)搝eta電位時，不指明pH根本一點意義都沒有。 假定在懸浮液中有一個帶負(fù)電的顆粒； 假如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； 假如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。 Zeta電位對pH作圖在低pH將是正的，在高pH將是負(fù)的，這中間一定有一點會通過零zeta電位，這一點稱為等電點，是相當(dāng)重要的一點，通常在這一點膠體是最不穩(wěn)定的。 3.2 Zeta電位與電導(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，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： 1. 非選擇性吸附.對于等電點沒有影響 2. 選擇性吸附.會改變等電點 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。 3.3 Zeta電位與添加劑濃度 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，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. 帶電粒子的動電學(xué)效應(yīng) 表面電荷的存在使得顆粒在一外加電場中呈現(xiàn)某些特殊效應(yīng)，這些效應(yīng)總稱為動電學(xué)效應(yīng)，根據(jù)引入運動的方式，有四種不同的動電學(xué)效應(yīng)： 電泳: 在外加電場中帶電顆粒相對于靜止懸浮液體的運動 電滲:在外加電場中相對于靜止帶電表面的液體運動 流動電勢: 當(dāng)液體流過靜止表面時所產(chǎn)生的電場 沉降電勢: 當(dāng)帶電顆粒在靜止液體中流動時所產(chǎn)生的電場 5. Zeta電位測量理論 在一平行電場中,帶電顆粒向相反極性的電極運動，顆粒的運動速度與下列因素有關(guān): 電場強度，介質(zhì)的介電常數(shù)，介質(zhì)的粘度（均為已知參數(shù)） Zeta電位（未知參數(shù)） Zeta電位與電泳淌度之間由Henry方程相連（圖4） 由Henry方程可以看出，只要測得粒子的淌度，查到介質(zhì)的粘度、介電常數(shù)等參數(shù)，就可以求得Zeta電位。 6. 淌度測量方法 6.1 直接觀測法 在早期，測量粒子淌度時，是在分散體系兩端加上電壓，用顯微裝置觀測。 6.2 多普勒效應(yīng)測量法 當(dāng)測量一個速度為C，頻率為no的波時，假如波源與探測器之間有一相對運動（速度V), 所測到的波頻率將會有一多普勒位移。 在電場作用下運動的粒子，當(dāng)激光打到粒子上時，散射光頻率會有變化。散射光與參考光疊加后頻率變化表現(xiàn)得更為直觀，更容易觀測。將光信號的頻率變化與粒子運動速度聯(lián)系起來，即可測得粒子的淌度。（如圖5） 7. 電滲及避免方法 7.1 電滲（圖6） 由于毛細(xì)管樣品池壁帶電，當(dāng)外加電場導(dǎo)致顆粒運動時，池壁附近的液體也會在電場中由于電滲而運動。當(dāng)用毛細(xì)管樣品池時由于池壁與水中離子的作用,水會在電場下移動(電滲)而影響顆粒移動速度的測量(因為測到的是兩種運動的總和)。但是，由于在一個封閉的池子內(nèi)，池壁的液體流動會造成池中間的液體向另一方向運動，而在樣品池中造成拋物面狀的液體流動。 在樣品池中有兩個無限薄的層面(靜止層)內(nèi)無電滲，經(jīng)典方法將光束定位在靜止層內(nèi)測量，以避免電滲誤差，不可能準(zhǔn)確定位,及費時而造成各種誤差(甚至池壁有微量污染)。 7.2 電滲的避免（圖7） 動電學(xué)的理論分析告訴我們：當(dāng)外加一電場時，顆粒達到其最終運動速度的時間至少要比電滲快一個數(shù)量級（參考M. Minor, A.J. van der Linde, H.P. van Leeuwen and J. Lyklema (1997) J Colloid and Interface Science 189, 370-375） 快速電場反轉(zhuǎn)（FFR） 假如一外加電場有足夠高的頻率時: 與顆粒的運動相比，液體的運動可以忽略不計 這樣，測量就不一定要在靜止層進行 但是，快速電場反轉(zhuǎn)（FFR）與傳統(tǒng)的慢速電場反轉(zhuǎn)（SFR）相比，分辨率低。如果將二者結(jié)合起來，則可以得到準(zhǔn)確率高，分辨率高的Zeta電位及分布。        [ Last edited by 騎著蝸牛追火箭 on 2011-7-15 at 18:21 ] |
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