Mediciones de potencial Zeta

El potencial zeta está relacionado con la carga superficial neta que tienen las nanopartículas. Es crucial para determinar la estabilidad coloidal de las partículas cargadas y comprender el rendimiento de su sistema en una variedad de condiciones.

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Teoría Zeta

El potencial Zeta es una propiedad física exhibida por todos los sistemas coloidales sólido-líquido y líquido-líquido. Alrededor de la superficie de todas las partículas dispersas hay una capa delgada de iones que tienen la carga opuesta de la superficie de la partícula llamada capa de popa. Más lejos de la superficie hay una capa adicional de iones más vagamente asociados de carga opuesta a la superficie que se mueven con la partícula a medida que viaja a través de un medio debido al movimiento browniano o la sedimentación; esto se llama la capa doble. El potencial zeta se define como el voltaje en el borde del plano de deslizamiento (cizallamiento) con respecto al medio de dispersión a granel, donde los iones, las moléculas y otros agentes ya no están asociados con la superficie de una partícula. Si dos partículas adyacentes tienen potenciales zeta suficientemente altos del mismo signo, no se aglomerarán debido a fuerzas electrostáticas repulsivas entre partículas con cargas similares.

Otra forma de hacer que las partículas sean estables es a través de obstáculos estéricos. Las nanopartículas pueden tener ligandos naturales o artificiales o grupos de superficie que impiden físicamente que las nanopartículas entren en contacto y se aglomeren. Sin embargo, recubrir las nanopartículas con una superficie que permita un obstáculo estérico puede cambiar las propiedades o la función de la nanopartícula y, a menudo, no es deseable. En muchos casos, el potencial Zeta es el mecanismo principal para obtener estabilidad de nanopartículas en ambientes acuosos.

Mecánica de medición

En nanoComposix, realizamos mediciones de potencial zeta utilizando un instrumento Malvern Zetasizer Nano ZS equipado con un láser HeNe de 632 nm que funciona con un ángulo de detector de 173 grados. En una medición de potencial zeta, se carga una muestra en una célula capilar plegada desechable. Las celdas tienen dos electrodos conductores que hacen contacto con el voltaje aplicado del instrumento en el exterior y se pliegan para hacer contacto con la muestra líquida en el interior.

Las partículas cargadas dentro de la célula se moverán a través del medio a una velocidad que es proporcional a su potencial zeta. Las partículas con un zeta de mayor magnitud se moverán a un ritmo rápido, mientras que las partículas con bajo potencial zeta se moverán más lentamente. Las partículas son iluminadas por un láser que mide indirectamente la velocidad de las partículas a través de un cambio de frecuencia Doppler de la luz dispersa. Este cambio de frecuencia se puede convertir en un valor de movilidad electroforética. El potencial Zeta se calcula a partir de la movilidad electroforética con constante dieléctrica solvente, viscosidad y otras constantes utilizando la ecuación de Henry.

Mientras que la mayoría de las mediciones de zeta se tomarán en sistemas acuosos, cualquier coloide disperso en un solvente que tenga una constante dieléctrica apreciable exhibirá potencial zeta. Mientras un solvente sea polarizable, los iones permanecerán parcialmente disueltos y se asociarán con la superficie, y un potencial eléctrico aplicado alcanzará la doble capa de una partícula. Esto permite la medición de coloides dispersos en solventes como cloroformo, THF y alcoholes de cadena corta. Las mediciones en estos disolventes requieren el uso de una célula zeta especial.

Las células capilares plegadas se degradan por corrosión con el tiempo, especialmente cuando se toman mediciones en medios con alto contenido de sal u otros medios conductores. Por esta razón, es importante que las células zeta se comprueben con un material de referencia estándar para asegurarse de que están midiendo adecuadamente. En nanoComposix, calibramos células diariamente utilizando un estándar de látex de poliestireno con un potencial zeta conocido.

Importancia del potencial Zeta

El conocimiento del potencial zeta se puede utilizar para ayudar a optimizar la formulación, lo que resulta en un desarrollo de formulación más eficaz para suspensiones, emulsiones o dispersiones de nanopartículas.

Zeta se puede utilizar para predecir la estabilidad a largo plazo de las partículas. Por ejemplo, las partículas con potenciales zeta mayores de ±60 mV tienen una excelente estabilidad, donde las partículas con valores zeta entre -10 mV y +10 mV, experimentarán una rápida aglomeración a menos que estén protegidas de forma estérica.

El signo y la magnitud del potencial zeta también se pueden usar como métrica secundaria para determinar los cambios químicos de la superficie. Por ejemplo, al pasar de una dispersión de nanopartículas con tapa de citrato altamente negativa a un polímero neutro como PEG, espere ver una disminución en la magnitud del potencial zeta. De manera similar, al pasar de citrato u otra superficie cargada negativamente a bPEI o amina, espere ver el signo del cambio de potencial zeta de negativo a positivo.

pH & Dependencia de la sal

Un valor de potencial zeta por sí solo sin definir las condiciones de la solución es un número prácticamente sin sentido. El potencial Zeta depende en gran medida del pH y de la sal, y el pH de la solución debe medirse e informarse con cada medición de potencial zeta.

Por ejemplo, cuando una solución que contiene nanopartículas se titula con ácido para disminuir el pH, los protones ácidos se asocian con la doble capa eléctrica y la partícula se vuelve más positiva. Lo contrario es cierto con respecto a la titulación de base; agregar base hace que los coloides sean más negativos.

Esta dependencia universal del pH conduce a un rasgo característico importante de todos los materiales coloidales: el Punto isoeléctrico o IEP. El IEP se define como el pH en el que el potencial zeta es cero. Ciertas clases de materiales, como las nanopartículas plasmónicas de metales nobles y la sílice no funcionalizada, exhiben un IEP muy bajo, lo que significa que tienden a tener un ZP negativo en absoluto, excepto en las condiciones de pH más ácidas. Lo contrario es cierto con respecto al óxido de aluminio, óxido de cerio y muchas otras cerámicas y óxidos metálicos; exhiben ZPs positivos a la mayoría de los valores de pH debido a sus puntos isoeléctricos muy altos.

Saber dónde se encuentra con respecto al punto isoeléctrico de un material puede ayudar a evaluar la estabilidad y el rendimiento en aplicaciones finales. De manera similar, el potencial zeta de un sistema coloidal también demuestra una dependencia iónica a un pH dado. Todos los sistemas coloidales muestran una relación gaussiana con respecto al contenido de sal. En el límite de sal cero, hay pocas especies iónicas presentes para suprimir la doble capa eléctrica y el potencial zeta tiene un gran valor absoluto. A medida que aumenta el contenido de sal de la solución, la doble capa eléctrica se comprime y el potencial zeta disminuye. Después de un cierto punto, la doble capa eléctrica colapsará y se convertirá en el mismo medio circundante, dejando las partículas propensas a los efectos de aglomeración. La concentración específica de sales que conducen a este comportamiento es una función dependiente del material.

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