Zetapotentialmessungen

Das Zetapotential hängt mit der Nettooberflächenladung zusammen, die Nanopartikel haben. Es ist entscheidend für die Bestimmung der kolloidalen Stabilität geladener Teilchen und das Verständnis der Leistung Ihres Systems unter einer Vielzahl von Bedingungen.

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Probe zur Analyse des Zetapotentials einreichen

Zetatheorie

Das Zetapotential ist eine physikalische Eigenschaft, die von allen Fest-Flüssig- und Flüssig-Flüssig-Kolloidsystemen gezeigt wird. Um die Oberfläche aller dispergierten Partikel herum befindet sich eine dünne Schicht von Ionen, die die entgegengesetzte Ladung der Partikeloberfläche haben, die Sternschicht. Weiter von der Oberfläche entfernt befindet sich eine zusätzliche Schicht loser assoziierter Ionen entgegengesetzter Ladung zur Oberfläche, die sich mit dem Teilchen bewegen, wenn es sich aufgrund der Brownschen Bewegung oder Sedimentation durch ein Medium bewegt; Dies wird als Doppelschicht bezeichnet. Das Zetapotential ist definiert als die Spannung am Rand der gleitenden (Scher-) Ebene in Bezug auf das Bulk-Dispergiermedium, wo Ionen, Moleküle und andere Mittel nicht mehr mit der Oberfläche eines Partikels assoziiert sind. Wenn zwei benachbarte Teilchen ausreichend hohe Zetapotentiale mit gleichem Vorzeichen haben, agglomerieren sie aufgrund abstoßender elektrostatischer Kräfte zwischen Teilchen mit gleichen Ladungen nicht.

Eine andere Möglichkeit, Partikel stabil zu machen, ist die sterische Behinderung. Nanopartikel können natürlich vorkommende oder konstruierte Liganden oder Oberflächengruppen aufweisen, die physikalisch verhindern, dass die Nanopartikel in Kontakt treten und agglomerieren. Das Beschichten von Nanopartikeln mit einer Oberfläche, die eine sterische Behinderung zulässt, kann jedoch die Eigenschaften oder Funktion des Nanopartikels verändern und ist oft nicht wünschenswert. In vielen Fällen ist Zetapotential der Primärmechanismus für das Erhalten der Nanoparticelstabilität in der wässrigen Umwelt.

Messmechanik

Bei nanoComposix führen wir Zetapotentialmessungen mit einem Malvern Zetasizer Nano ZS-Instrument durch, das mit einem 632-nm-HeNe-Laser ausgestattet ist, der bei einem Detektorwinkel von 173 Grad arbeitet. Bei einer Zetapotentialmessung wird eine Probe in eine gefaltete Einweg-Kapillarzelle geladen. Die Zellen haben zwei leitende Elektroden, die außen mit der angelegten Spannung des Instruments in Kontakt treten und sich einklappen, um innen mit der flüssigen Probe in Kontakt zu treten.

Geladene Teilchen in der Zelle bewegen sich mit einer Geschwindigkeit durch das Medium, die proportional zu ihrem Zetapotential ist. Teilchen mit höherem Zeta bewegen sich schnell, während sich Teilchen mit niedrigem Zetapotential langsamer bewegen. Die Partikel werden von einem Laser beleuchtet, der indirekt über eine Doppler-Frequenzverschiebung des Streulichts die Partikelgeschwindigkeit misst. Diese Frequenzverschiebung kann in einen Wert der elektrophoretischen Mobilität umgewandelt werden. Das Zetapotential wird aus der elektrophoretischen Mobilität mit der Dielektrizitätskonstante, der Viskosität und anderen Konstanten unter Verwendung der Henry-Gleichung berechnet.

Während die meisten Zetamessungen in wässrigen Systemen durchgeführt werden, zeigen alle Kolloide, die in einem Lösungsmittel dispergiert sind, das eine nennenswerte Dielektrizitätskonstante aufweist, Zetapotential. Solange ein Lösungsmittel polarisierbar ist, bleiben Ionen teilweise gelöst und assoziieren sich mit der Oberfläche, und ein angelegtes elektrisches Potential erreicht die Doppelschicht eines Partikels. Dies ermöglicht die Messung von dispergierten Kolloiden in Lösungsmitteln wie Chloroform, THF und kurzkettigen Alkoholen. Messungen in diesen Lösungsmitteln erfordern die Verwendung einer speziellen Zeta-Zelle.

Die gefalteten Kapillarzellen zersetzen sich im Laufe der Zeit durch Korrosion, insbesondere wenn Messungen in hochsalzigen oder anderen leitfähigen Medien durchgeführt werden. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die Zeta-Zellen mit einem Standardreferenzmaterial überprüft werden, um sicherzustellen, dass sie angemessen messen. Bei nanoComposix kalibrieren wir Zellen täglich mit einem Polystyrollatexstandard mit bekanntem Zetapotential.

Bedeutung des Zetapotentials

Die Kenntnis des Zetapotentials kann zur Optimierung der Formulierung genutzt werden, was zu einer effektiveren Formulierungsentwicklung für Suspensionen, Emulsionen oder Nanopartikeldispersionen führt.

Zeta kann verwendet werden, um die Langzeitstabilität von Partikeln vorherzusagen. Beispielsweise haben Partikel mit Zetapotentialen größer als ± 60 mV eine ausgezeichnete Stabilität, wobei Partikel mit Zetawerten zwischen -10 mV und +10 mV eine schnelle Agglomeration erfahren, sofern sie nicht sterisch geschützt sind.

Das Vorzeichen und die Größe des Zetapotentials können als sekundäre Metrik verwendet werden, um auch Änderungen der Oberflächenchemie zu bestimmen. Wenn Sie beispielsweise von einer hochgradig negativen Citrat-Nanopartikel-Dispersion zu einem neutralen Polymer wie PEG übergehen, erwarten Sie eine Abnahme der Größe des Zetapotentials. Wenn Sie sich von Citrat oder einer anderen negativ geladenen Oberfläche zu bPEI oder Amin bewegen, erwarten Sie in ähnlicher Weise, dass sich das Vorzeichen des Zetapotentials von negativ zu positiv ändert.

pH & Salzabhängigkeit

Ein Zetapotentialwert allein ohne Definition von Lösungsbedingungen ist eine praktisch bedeutungslose Zahl. Das Zetapotential ist stark pH- und salzabhängig und der pH-Wert der Lösung muss bei jeder Zetapotentialmessung gemessen und gemeldet werden.

Wenn beispielsweise eine Lösung, die Nanopartikel enthält, mit Säure titriert wird, um den pH-Wert zu verringern, assoziieren saure Protonen mit der elektrischen Doppelschicht, und das Partikel wird positiver. Das Gegenteil ist in Bezug auf die Basentitration der Fall; das Hinzufügen von Base macht Kolloide negativer.

Diese universelle pH–Abhängigkeit führt zu einem wichtigen charakteristischen Merkmal aller kolloidalen Materialien – dem Isoelektrischen Punkt oder IEP. Der IEP ist definiert als der pH-Wert, bei dem das Zetapotential Null ist. Bestimmte Materialklassen wie plasmonische Edelmetallnanopartikel und unfunktionalisierte Kieselsäure weisen sehr niedrige IEPs auf – was bedeutet, dass sie dazu neigen, überhaupt ein negatives ZP zu tragen, außer bei den saursten pH-Bedingungen. Das Gegenteil gilt für Aluminiumoxid, Ceroxid und viele andere Keramiken und Metalloxide; sie weisen aufgrund ihrer sehr hohen isoelektrischen Punkte bei den meisten pH-Werten positive ZPs auf.

Wenn Sie wissen, wo Sie sich in Bezug auf den isoelektrischen Punkt eines Materials befinden, können Sie die Stabilität und Leistung in endgültigen Anwendungen besser beurteilen. In ähnlicher Weise zeigt das Zetapotential eines kolloidalen Systems auch eine Ionenabhängigkeit bei einem gegebenen pH-Wert. Alle kolloidalen Systeme zeigen eine Gaußsche Beziehung in Bezug auf den Salzgehalt. In der Grenze des Nullsalzes sind nur wenige ionische Spezies vorhanden, um die elektrische Doppelschicht zu unterdrücken, und das Zetapotential hat einen großen absoluten Wert. Wenn der Salzgehalt der Lösung erhöht wird, wird die elektrische Doppelschicht komprimiert und das Zetapotential nimmt ab. Nach einem bestimmten Punkt kollabiert die elektrische Doppelschicht und wird mit den umgebenden Medien identisch, so dass die Partikel anfällig für Agglomerationseffekte sind. Die spezifische Konzentration von Salzen, die zu diesem Verhalten führen, ist eine materialabhängige Funktion.

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