Zeta-Potentiaalimittaukset

zeta-potentiaali liittyy nanohiukkasten nettopintavaraukseen. Se on ratkaisevan tärkeää varattujen hiukkasten kolloidisen stabiilisuuden määrittämiseksi ja järjestelmän suorituskyvyn ymmärtämiseksi erilaisissa olosuhteissa.

lisätietoja Zetan mahdollisista testeistä ja muista analyysitekniikoista on Karakterisointipalvelumme aloitussivulla. Voit myös nähdä zeta potential-videosarjamme yllä saadaksesi lisätietoja näytteen valmistelusta ja tulosten tulkinnasta.

toimita näyte zeta-potentiaalianalyysiä varten

Zeta-teoria

Zeta-potentiaali on fysikaalinen ominaisuus, joka ilmenee kaikissa kiinteässä ja nestemäisessä kolloidisessa järjestelmässä. Kaikkien hajonneiden hiukkasten pintaa ympäröi ohut ionikerros, jolla on hiukkasen pinnan vastakkainen varaus, jota kutsutaan Peräkerrokseksi. Kauempana pinnasta on lisäkerros, jossa on pinnalle löyhemmin liittyneitä vastakkaisvarauksisia ioneja, jotka liikkuvat hiukkasen Mukana sen kulkiessa väliaineen läpi Brownin liikkeen tai sedimentaation vuoksi; tätä kutsutaan kaksoiskerrokseksi. Zeta-potentiaali määritellään liukuvan (leikkaavan) tason reunalla olevana jännitteenä suhteessa irtotavarana hajoavaan väliaineeseen, jossa ionit, molekyylit ja muut aineet eivät enää liity hiukkasen pintaan. Jos kahdella vierekkäisellä hiukkasella on saman merkin riittävän korkeat zeta-potentiaalit, ne eivät agglomeroidu vastaavien hiukkasten välisten vastenmielisten sähköstaattisten voimien vuoksi.

toinen tapa saada hiukkaset stabiileiksi on steerisen esteen kautta. Nanohiukkasilla voi olla luonnossa esiintyviä tai suunniteltuja ligandeja tai pintaryhmiä, jotka fyysisesti estävät nanohiukkasia koskettamasta ja agglomeroimasta. Nanohiukkasten pinnoittaminen steerisen esteen mahdollistavalla pinnalla voi kuitenkin muuttaa nanohiukkasen ominaisuuksia tai toimintaa, eikä se useinkaan ole suotavaa. Monissa tapauksissa Zeta-potentiaali on ensisijainen mekanismi nanohiukkasten stabiilisuuden saamiseksi vesiympäristöissä.

Mittausmekaniikka

nanokomposixissa suoritamme Zeta-potentiaalimittauksia käyttäen Malvern Zetasizer Nano ZS-laitetta, joka on varustettu 632 nm: n Hene-laserilla, joka toimii 173 asteen ilmaisinkulmassa. Zeta-potentiaalimittauksessa näyte Ladataan kertakäyttöiseen taitettuun kapillaarisoluun. Soluissa on kaksi johtavaa elektrodia, jotka joutuvat kosketukseen laitteen käyttöjännitteen kanssa ulkopuolella ja taittuvat kosketukseen sisäpuolella olevan nestenäytteen kanssa.

solun sisällä olevat varautuneet hiukkaset liikkuvat väliaineen läpi nopeudella, joka on verrannollinen niiden zeta-potentiaaliin. Hiukkaset, joiden Zeta-magnitudi on suurempi, liikkuvat nopeasti, kun taas hiukkaset, joilla on alhainen zeta-potentiaali, liikkuvat hitaammin. Hiukkaset valaistaan laserilla, joka mittaa hiukkasen nopeutta epäsuorasti hajavalon doppler-taajuussiirron kautta. Tämä taajuussiirtymä voidaan muuntaa elektroforeettisen liikkuvuuden arvoksi. Zeta-potentiaali lasketaan elektroforeettisesta liikkuvuudesta liuottimen dielektrisyysvakiolla, viskositeetilla ja muilla vakioilla Henry-yhtälön avulla.

vaikka useimmat zeta-mittaukset tehdään vesipitoisissa järjestelmissä, kaikilla liuottimeen dispergoiduilla kolloideilla, joilla on huomattava dielektrisyysvakio, on zeta-potentiaali. Niin kauan kuin liuotin on polarisoituva, ionit pysyvät osittain liuenneina ja liittyvät pintaan, ja sovellettu sähköinen potentiaali saavuttaa hiukkasen kaksoiskerroksen. Tämä mahdollistaa dispergoitujen kolloidien mittaamisen liuottimissa, kuten kloroformissa, THF: ssä ja lyhytketjuisissa alkoholeissa. Näiden liuottimien mittaukset edellyttävät erityisen zeta-solun käyttöä.

Taitetut hiussuonet hajoavat korroosion vaikutuksesta ajan mittaan, varsinkin kun mittauksia tehdään runsassuolaisesta tai muusta sähköä johtavasta väliaineesta. Tästä syystä on tärkeää, että zeta-solut tarkistetaan vakiomateriaalilla sen varmistamiseksi, että ne mitataan asianmukaisesti. Nanokomposixissa kalibroimme soluja päivittäin polystyreenilateksistandardilla, jonka zeta-potentiaali tunnetaan.

Zeta-potentiaalin merkitys

Zeta-potentiaalin tuntemusta voidaan käyttää formulaation optimointiin, mikä johtaa formulaation tehokkaampaan kehittämiseen suspensioita, emulsioita tai nanohiukkasdispersioita varten.

Zetaa voidaan käyttää hiukkasten pitkän aikavälin stabiilisuuden ennustamiseen. Esimerkiksi hiukkasilla, joiden zeta-potentiaali on suurempi kuin ±60 mV, on erinomainen stabiilisuus, jossa hiukkaset, joiden zeta-arvot ovat -10 MV: n ja +10 mV: n välillä, kokevat nopean agglomeroitumisen, elleivät ne ole sterikaalisesti suojattuja.

zeta-potentiaalin merkkiä ja suuruutta voidaan käyttää sekundäärimittarina myös pintakemian muutosten määrittämiseen. Esimerkiksi siirryttäessä erittäin negatiivisesta sitraattikattoisesta nanohiukkasdispersiosta neutraaliin polymeeriin, kuten PEG, Zeta-potentiaalin suuruuden odotetaan vähenevän. Vastaavasti siirryttäessä sitraatista tai muusta negatiivisesti varautuneesta pinnasta bPEI: hen tai amiiniin, odottaa Zeta-potentiaalin muuttuvan negatiivisesta positiiviseksi.

pH & Suolariippuvuus

zeta-potentiaaliarvo yksinään määrittelemättä liuosolosuhteita on käytännössä merkityksetön luku. Zeta-potentiaali on vahvasti pH-ja suolariippuvainen, ja liuoksen pH on mitattava ja raportoitava jokaisen zeta-potentiaalin mittauksen yhteydessä.

esimerkiksi, kun nanohiukkasia sisältävää liuosta titrataan hapolla pH: n alentamiseksi, happamat protonit yhtyvät sähköiseen kaksoiskerrokseen ja hiukkanen muuttuu positiivisemmaksi. Pohjatitrauksen suhteen tilanne on päinvastainen; emäksen lisääminen tekee kolloideista negatiivisempia.

tämä yleinen pH-riippuvuus johtaa kaikkien kolloidisten materiaalien tärkeään ominaispiirteeseen-Isoelektriseen pisteeseen eli IEP: hen. IEP määritellään pH: ksi, jossa zeta-potentiaali on nolla. Tietyt materiaaliluokat, kuten plasmoniset jalometallinanohiukkaset ja jakamaton piidioksidi, ovat hyvin alhaisia IEP – eli niillä on taipumus kantaa negatiivista ZP: tä lainkaan, mutta pH-olosuhteissa kaikkein happamimpia. Alumiinioksidin, ceriumoksidin ja monien muiden keramiikan ja metallioksidien suhteen tilanne on päinvastainen; niillä on positiivinen ZPs korkeintaan pH-arvoilla, koska niiden isoelektriset pisteet ovat erittäin korkeat.

tieto siitä, missä olet materiaalin isoelektrisen pisteen suhteen, voi auttaa arvioimaan stabiilisuutta ja suorituskykyä lopullisissa sovelluksissa. Samoin kolloidisen systeemin zeta-potentiaali osoittaa myös ionisen riippuvuuden tietyssä pH: ssa.kaikki kolloidiset systeemit osoittavat Gaussin suhteen suolapitoisuuden suhteen. Nollasuolaisuuden raja-arvossa sähköistä kaksikerrosta vaimentavia ionilajeja on vain vähän ja zeta-potentiaalilla on suuri itseisarvo. Kun liuoksen suolapitoisuus kasvaa, sähköinen kaksoiskerros tiivistyy ja zeta-potentiaali pienenee. Tietyn pisteen jälkeen sähköinen kaksoiskerros romahtaa ja siitä tulee sama kuin ympäröivästä väliaineesta, jolloin hiukkaset ovat alttiita agglomeraatiovaikutuksille. Tähän käyttäytymiseen johtavien suolojen spesifinen konsentraatio on materiaalista riippuvainen funktio.

lähetä näyte zeta-potentiaalianalyysiä varten