Mesures de potentiel zêta

Le potentiel zêta est lié à la charge de surface nette des nanoparticules. Il est crucial pour déterminer la stabilité colloïdale des particules chargées et comprendre les performances de votre système dans diverses conditions.

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Théorie zêta

Le potentiel zêta est une propriété physique exposée par tous les systèmes colloïdaux solide-liquide et liquide-liquide. Autour de la surface de toutes les particules dispersées se trouve une fine couche d’ions ayant la charge opposée à la surface de la particule appelée couche de poupe. Plus loin de la surface se trouve une couche supplémentaire d’ions plus faiblement associés de charge opposée à la surface qui se déplacent avec la particule lorsqu’elle traverse un milieu en raison du mouvement brownien ou de la sédimentation; c’est ce qu’on appelle la double couche. Le potentiel zêta est défini comme la tension au bord du plan de glissement (cisaillement) par rapport au milieu dispersant en vrac, où les ions, molécules et autres agents ne sont plus associés à la surface d’une particule. Si deux particules adjacentes ont des potentiels zêta suffisamment élevés de même signe, elles ne s’aggloméreront pas en raison de forces électrostatiques répulsives entre des particules avec des charges similaires.

Une autre façon de rendre les particules stables est l’entrave stérique. Les nanoparticules peuvent avoir des ligands ou des groupes de surface naturels ou modifiés qui empêchent physiquement les nanoparticules d’entrer en contact et de s’agglomérer. Cependant, le revêtement de nanoparticules avec une surface qui permet un obstacle stérique peut modifier les propriétés ou la fonction de la nanoparticule et n’est souvent pas souhaitable. Dans de nombreux cas, le potentiel zêta est le principal mécanisme permettant d’obtenir la stabilité des nanoparticules dans des environnements aqueux.

Mécanique de mesure

Chez nanoComposix, nous effectuons des mesures de potentiel zêta à l’aide d’un instrument Malvern Zetasizer Nano ZS équipé d’un laser HeNe de 632 nm fonctionnant à un angle de détection de 173 degrés. Dans une mesure de potentiel zêta, un échantillon est chargé dans une cellule capillaire pliée jetable. Les cellules ont deux électrodes conductrices qui entrent en contact avec la tension appliquée de l’instrument à l’extérieur et se replient pour entrer en contact avec l’échantillon liquide à l’intérieur.

Les particules chargées à l’intérieur de la cellule se déplaceront dans le milieu à une vitesse proportionnelle à leur potentiel zêta. Les particules avec un zêta de plus grande magnitude se déplaceront à une vitesse rapide, tandis que les particules avec un faible potentiel zêta se déplaceront plus lentement. Les particules sont éclairées par un laser qui mesure indirectement la vitesse des particules via un décalage de fréquence Doppler de la lumière diffusée. Ce décalage de fréquence peut être converti en une valeur de mobilité électrophorétique. Le potentiel zêta est calculé à partir de la mobilité électrophorétique avec la constante diélectrique du solvant, la viscosité et d’autres constantes en utilisant l’équation de Henry.

Alors que la plupart des mesures zêta seront effectuées dans des systèmes aqueux, tous les colloïdes dispersés dans un solvant ayant une constante diélectrique appréciable présenteront un potentiel zêta. Tant qu’un solvant est polarisable, les ions resteront partiellement dissous et s’associeront à la surface, et un potentiel électrique appliqué atteindra la double couche d’une particule. Cela permet de mesurer les colloïdes dispersés dans des solvants tels que le chloroforme, le THF et les alcools à chaîne courte. Les mesures dans ces solvants nécessitent l’utilisation d’une cellule zêta spéciale.

Les cellules capillaires pliées se dégradent par corrosion au fil du temps, en particulier lorsque des mesures sont prises dans des milieux riches en sel ou d’autres milieux conducteurs. Pour cette raison, il est important que les cellules zêta soient vérifiées avec un matériau de référence standard pour s’assurer qu’elles mesurent correctement. Chez nanoComposix, nous calibrons quotidiennement les cellules à l’aide d’un étalon de latex de polystyrène avec un potentiel zêta connu.

Importance du potentiel zêta

La connaissance du potentiel zêta peut être utilisée pour aider à optimiser la formulation, ce qui permet de développer une formulation plus efficace pour les suspensions, les émulsions ou les dispersions de nanoparticules.

Le Zêta peut être utilisé pour prédire la stabilité à long terme des particules. Par exemple, les particules dont les potentiels zêta sont supérieurs à ± 60 mV ont une excellente stabilité, où les particules dont les valeurs zêta sont comprises entre -10 mV et +10 mV subiront une agglomération rapide à moins qu’elles ne soient protégées par une protection stéréoscopique.

Le signe et la magnitude du potentiel zêta peuvent également être utilisés comme mesure secondaire pour déterminer les changements de chimie de surface. Par exemple, lorsque vous passez d’une dispersion de nanoparticules coiffées de citrate hautement négative à un polymère neutre comme le PEG, attendez-vous à une diminution de l’ampleur du potentiel zêta. De même, lorsque vous passez du citrate ou d’une autre surface chargée négativement au bPEI ou à l’amine, attendez-vous à voir le signe du potentiel zêta passer de négatif à positif.

pH & Dépendance au sel

Une valeur de potentiel zêta à elle seule sans définir les conditions de la solution est un nombre pratiquement vide de sens. Le potentiel zêta dépend fortement du pH et du sel et le pH de la solution doit être mesuré et rapporté avec chaque mesure de potentiel zêta.

Par exemple, lorsqu’une solution contenant des nanoparticules est titrée avec de l’acide pour diminuer le pH, les protons acides s’associent à la double couche électrique et la particule devient plus positive. Le contraire est vrai en ce qui concerne le titrage de base; l’ajout de base rend les colloïdes plus négatifs.

Cette dépendance universelle au pH conduit à un trait caractéristique important de tous les matériaux colloïdaux – le Point isoélectrique, ou IEP. L’IEP est défini comme le pH auquel le potentiel zêta est nul. Certaines classes de matériaux comme les nanoparticules plasmoniques de métaux nobles et la silice non fonctionnalisée présentent des IEP très faibles – ce qui signifie qu’ils ont tendance à porter un ZP négatif à toutes les conditions de pH, sauf les plus acides. L’inverse est vrai en ce qui concerne l’oxyde d’aluminium, l’oxyde de cérium et de nombreuses autres céramiques et oxydes métalliques; ils présentent des ZPs positifs à la plupart des valeurs de pH en raison de leurs points isoélectriques très élevés.

Savoir où vous en êtes par rapport au point isoélectrique d’un matériau peut aider à évaluer la stabilité et les performances dans les applications finales. De même, le potentiel zêta d’un système colloïdal démontre également une dépendance ionique à un pH donné. Tous les systèmes colloïdaux montrent une relation gaussienne par rapport à la teneur en sel. Dans la limite du sel zéro, il y a peu d’espèces ioniques présentes pour supprimer la double couche électrique et le potentiel zêta a une grande valeur absolue. Lorsque la teneur en sel de la solution augmente, la double couche électrique est comprimée et le potentiel zêta diminue. Après un certain point, la double couche électrique s’effondrera et elle deviendra la même que le milieu environnant, laissant les particules sujettes aux effets d’agglomération. La concentration spécifique de sels qui conduit à ce comportement est une fonction dépendante du matériau.

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