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1、ZETASIZER NANO 系列電位培訓(xùn)課程系列電位培訓(xùn)課程課程提綱課程提綱Zeta電位理論電位理論實驗有關(guān)事項實驗有關(guān)事項數(shù)據(jù)解釋數(shù)據(jù)解釋實踐實踐第一部分Zeta電位電位理論理論45膠體介紹膠體介紹物質(zhì)的三態(tài)：氣、固、液物質(zhì)的三態(tài)：氣、固、液如果其中一相很細(xì)的分散在另一相中，我們稱為如果其中一相很細(xì)的分散在另一相中，我們稱為膠體體系膠體體系膠體體系舉例膠體體系舉例氣溶膠（氣溶膠（aerosolsaerosols） 細(xì)小液滴或微小固體顆粒細(xì)小液滴或微小固體顆粒分散在氣體中分散在氣體中( (霧、煙霧、煙) )乳狀液乳狀液(emulsions) (emulsions) 細(xì)小的油滴分散在水相中細(xì)小

2、的油滴分散在水相中( (牛奶牛奶) )反相乳狀液反相乳狀液(inverse emulsions) (inverse emulsions) 細(xì)小水滴分散細(xì)小水滴分散在非水相中在非水相中( (原油原油) )膠體懸浮液膠體懸浮液(sols or colloidal suspensions) (sols or colloidal suspensions) 微小顆粒分散在液相中微小顆粒分散在液相中( (漆漆, ,泥漿泥漿) )膠體體系舉例膠體體系舉例凝膠凝膠(gels)(gels) 聚分子分散在液相中聚分子分散在液相中聚合體膠體聚合體膠體(association colloids) (associati

3、on colloids) 表面活表面活性劑分子在水中集合成微胞；某些集合體能形成性劑分子在水中集合成微胞；某些集合體能形成有序結(jié)構(gòu)與液晶有序結(jié)構(gòu)與液晶 a)a)顆粒分散體顆粒分散體b)b)高分子溶液高分子溶液生物高分子，聚合物溶液生物高分子，聚合物溶液 固體懸浮液固體懸浮液( (混染料顆粒的混染料顆粒的塑膠塑膠) )固固液液膠體懸浮液膠體懸浮液( (泥漿，漆，泥漿，漆，牙膏牙膏) )氣氣固體氣溶膠固體氣溶膠( (粉體，灰塵粉體，灰塵，煙霧，煙霧) )固體乳液固體乳液( (澳寶，珍珠澳寶，珍珠) )乳狀液乳狀液( (牛奶，蛋黃漿牛奶，蛋黃漿) )液體氣溶膠液體氣溶膠( (霧，噴霧霧，噴霧) )固

4、體泡沫固體泡沫( (擴張的塑料擴張的塑料) )泡沫泡沫( (氣泡，剃須膏氣泡，剃須膏) )固固液液氣氣分散相分散相 ( (顆粒顆粒) )連續(xù)相連續(xù)相 ( (介質(zhì)介質(zhì)) )膠體體系膠體體系膠體體系膠體體系在分散體中的顆?？赡苌删酆象w而變成大顆粒在分散體中的顆粒可能生成聚合體而變成大顆粒沉淀沉淀新形成的集合體稱為絮狀物（新形成的集合體稱為絮狀物（FLOC），其過程），其過程稱為絮凝（稱為絮凝（ FLOCCULATION ）- 其過程是可逆其過程是可逆的的(DEFLOCCULATION)如果集合體變成更緊密的聚合體，其過程稱為凝如果集合體變成更緊密的聚合體，其過程稱為凝結(jié)（結(jié)（COAGULATIO

5、N ） 其過程是不可逆的其過程是不可逆的凝結(jié)凝結(jié)造成分散體系不穩(wěn)定的機理造成分散體系不穩(wěn)定的機理絮凝絮凝沉降沉降沉降沉降凝結(jié)凝結(jié)穩(wěn)定體系穩(wěn)定體系絮凝絮凝膠體穩(wěn)定性膠體穩(wěn)定性: : D DL LVOVO理論理論在在19401940年代年代Derjaguin, Landau, VerwayDerjaguin, Landau, Verway與與Overbeek Overbeek 提出了描述膠體穩(wěn)定的理論提出了描述膠體穩(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

6、出當(dāng)顆粒接近時顆粒之間的能量障礙來此理論提出當(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，互吸力將使當(dāng)顆粒有足夠的能量克服此障礙時，互吸力將使顆粒進(jìn)一步接近并不可逆的粘在一起顆粒進(jìn)一步接近并不可逆的粘在一起膠體穩(wěn)定性膠體穩(wěn)定性: DLVO: DLVO理論理論膠體穩(wěn)定性膠體穩(wěn)定性: DLVO: DLVO理論理論膠體穩(wěn)定性膠體穩(wěn)定性: DLVO: DLVO理論理論在某些情況下，如高鹽濃度，有可能有一個在某些情況下，如高鹽濃度，有可能有一個“二二級能量最低點級能量最低點”，形成顆粒間很弱的并且可逆的，形成顆粒間很弱的并且可逆的粘合粘合 這些弱絮凝不會由于布朗運動

7、而解散，但可在攪這些弱絮凝不會由于布朗運動而解散，但可在攪拌等外力作用下而解散拌等外力作用下而解散日本湯，某些小孩藥日本湯，某些小孩藥膠體穩(wěn)定性膠體穩(wěn)定性: DLVO理論理論如果顆粒有足夠高的互斥力，它們之間不會生成如果顆粒有足夠高的互斥力，它們之間不會生成絮凝絮凝 (膠體穩(wěn)定膠體穩(wěn)定)如果沒有互斥機理，絮凝與凝結(jié)終究會發(fā)生如果沒有互斥機理，絮凝與凝結(jié)終究會發(fā)生 (膠體膠體不穩(wěn)定不穩(wěn)定)膠體穩(wěn)定性膠體穩(wěn)定性: DLVO理論理論維持膠體穩(wěn)定性維持膠體穩(wěn)定性如欲維持膠體穩(wěn)定，互斥力必須占主導(dǎo)如欲維持膠體穩(wěn)定，互斥力必須占主導(dǎo)有兩種影響膠體穩(wěn)定的基本機理有兩種影響膠體穩(wěn)定的基本機理: :位阻排斥位阻

8、排斥靜電排斥靜電排斥影響膠體穩(wěn)定的機理影響膠體穩(wěn)定的機理位阻穩(wěn)定位阻穩(wěn)定 加入到體系中的聚分子在顆粒表面加入到體系中的聚分子在顆粒表面的吸附造成互斥的吸附造成互斥位阻穩(wěn)定位阻穩(wěn)定僅需要加入合適的聚分子僅需要加入合適的聚分子但以后如需要產(chǎn)生絮凝則很困難但以后如需要產(chǎn)生絮凝則很困難聚分子成本高并可能產(chǎn)生副作用聚分子成本高并可能產(chǎn)生副作用( (如當(dāng)瓷器的胚子如當(dāng)瓷器的胚子中有很多高分子，在培燒時會收縮而生成缺陷中有很多高分子，在培燒時會收縮而生成缺陷) )靜電或電荷穩(wěn)定靜電或電荷穩(wěn)定 源自于帶電顆粒的相互作用源自于帶電顆粒的相互作用影響膠體穩(wěn)定的機理影響膠體穩(wěn)定的機理靜電或電荷穩(wěn)定靜電或電荷穩(wěn)定改變

9、系統(tǒng)中的離子濃度可影響體系的穩(wěn)定或絮凝改變系統(tǒng)中的離子濃度可影響體系的穩(wěn)定或絮凝是可逆過程是可逆過程成本很低成本很低Z Zetaeta電位電位可很好的指示顆粒間作用強度從而它的可很好的指示顆粒間作用強度從而它的測量可用來預(yù)測膠體系統(tǒng)的穩(wěn)定性測量可用來預(yù)測膠體系統(tǒng)的穩(wěn)定性表面電荷的來源表面電荷的來源大部分水相中的膠體體系帶一定的電荷大部分水相中的膠體體系帶一定的電荷基于顆粒的本性與周圍介質(zhì)，表面電荷可起源于基于顆粒的本性與周圍介質(zhì)，表面電荷可起源于不同的原因不同的原因讓我們看一下最重要的機理讓我們看一下最重要的機理表面電荷來源：表面基團的離解表面電荷來源：表面基團的離解顆粒表面任何酸性集團的離解

10、會使表面帶上負(fù)電顆粒表面任何酸性集團的離解會使表面帶上負(fù)電顆粒表面任何堿性集團的離解會使表面帶上正電顆粒表面任何堿性集團的離解會使表面帶上正電電荷的多少取決于表面酸堿的強度與溶液的電荷的多少取決于表面酸堿的強度與溶液的pHpH表面電荷來源：表面基團的離解表面電荷來源：表面基團的離解COOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOO-COO-COO-COO-COO-COO-H+H+H+H+H+H+酸基團的離解酸基團的離解表面電荷來源：表面基團的離解表面電荷來源：表面基團的離解堿基團的離解堿基團的離解OHOHOHOHOHOHOH-OH-OH-OH-OH-OH-+ + + + + + +當(dāng)當(dāng)Ag

11、I的晶體分散在水中時，如果等同量的的晶體分散在水中時，如果等同量的Ag+離離子與子與I-離子溶解，表面是中性的離子溶解，表面是中性的但實際上，有更多的但實際上，有更多的Ag+離子溶解，造成帶負(fù)電離子溶解，造成帶負(fù)電的表面的表面表面電荷的來源：晶格中不同離子的離解度表面電荷的來源：晶格中不同離子的離解度AgIAgIAgIAgIAgIAgIAgIAgII-I-I-I-Ag+Ag+Ag+Ag+I-I-表面電荷的來源表面電荷的來源: :晶格中不同離子的離解度晶格中不同離子的離解度表面電荷的來源表面電荷的來源: :帶電離子與離子表面活性劑的帶電離子與離子表面活性劑的吸附吸附表面活性劑離子可被吸附在顆粒表

12、面表面活性劑離子可被吸附在顆粒表面陽離子表面活性劑會造成帶正電的表面陽離子表面活性劑會造成帶正電的表面陰離子表面活性劑會造成帶負(fù)電的表面陰離子表面活性劑會造成帶負(fù)電的表面RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-陽離子表面活性劑陽離子表面活性劑表面電荷的來源表面電荷的來源:帶電離子與離子表面活性劑的吸帶電離子與離子表面活性劑的吸附附RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-H+H+H+H+H+H+H+表面電荷

13、的來源表面電荷的來源: :帶電離子與離子表面活性劑的帶電離子與離子表面活性劑的吸附吸附陰離子表面活性劑陰離子表面活性劑雙電層雙電層在顆粒表面的電荷變化會影響離子在界面的分布，在顆粒表面的電荷變化會影響離子在界面的分布，造成表面周圍平衡離子的濃度增加造成表面周圍平衡離子的濃度增加這樣，在每一顆粒周圍生成一個雙電層這樣，在每一顆粒周圍生成一個雙電層+-+固體固體SternStern層層GouyGouy層或擴散層層或擴散層溶液溶液剪切面剪切面GouyGouy面面內(nèi)內(nèi) Helmholtz Helmholtz 面面外外 Helmholtz Helmholtz 面面雙電層結(jié)構(gòu)雙電層結(jié)構(gòu): : Gouy-C

14、hapman-Stern-Gouy-Chapman-Stern-GrahameGrahame模型模型Otto Stern (1888-Otto Stern (1888-1969)1969)，德裔美國物，德裔美國物理學(xué)家，由于分子束理學(xué)家，由于分子束的研究獲的研究獲19431943年諾貝年諾貝爾物理獎。但最著名爾物理獎。但最著名的是雙電層的研究的是雙電層的研究. .什么是什么是ZetaZeta電位電位? ?ZetaZeta電位是與一個顆粒在某電位是與一個顆粒在某一特定介質(zhì)中所帶的總電荷一特定介質(zhì)中所帶的總電荷有關(guān)有關(guān)確切地來說確切地來說, ,是顆粒在剪切是顆粒在剪切面處的電位面處的電位與顆粒表面

15、與分散介質(zhì)有關(guān)與顆粒表面與分散介質(zhì)有關(guān)也可能與表面電位無關(guān)也可能與表面電位無關(guān)微小的微小的pHpH或離子濃度變化可或離子濃度變化可能會產(chǎn)生很大的能會產(chǎn)生很大的zetazeta電位變電位變化化剪切面的位置變化也會影響剪切面的位置變化也會影響ZetaZeta電位電位 Stern layerStern layer剪切面剪切面擴散層擴散層- -100-1000 0mVmV到顆粒表面的距離到顆粒表面的距離表面電位表面電位SternStern電位電位ZetaZeta電位電位ZetaZeta電位與分散液的穩(wěn)定性電位與分散液的穩(wěn)定性ZetaZeta電位可用來作為膠體體系穩(wěn)定性的指示電位可用來作為膠體體系穩(wěn)定性

16、的指示如果顆粒帶有很多負(fù)的或正的電荷如果顆粒帶有很多負(fù)的或正的電荷, ,也就是說很高也就是說很高的的ZetaZeta電位電位, ,它們會相互排斥它們會相互排斥, ,從而達(dá)到整個體系從而達(dá)到整個體系的穩(wěn)定性的穩(wěn)定性如果顆粒帶有很少負(fù)的或正的電荷如果顆粒帶有很少負(fù)的或正的電荷, ,也就是說它的也就是說它的ZetaZeta電位很低電位很低, ,它們會相互吸引它們會相互吸引, ,從而達(dá)到整個體從而達(dá)到整個體系的不穩(wěn)定性系的不穩(wěn)定性分散穩(wěn)定性與分散穩(wěn)定性與ZetaZeta電位電位一般來說一般來說, Z, Zetaeta電位愈高電位愈高, ,顆粒的分散體系愈穩(wěn)定顆粒的分散體系愈穩(wěn)定水相中顆粒分散穩(wěn)定性的分

17、界線一般認(rèn)為在水相中顆粒分散穩(wěn)定性的分界線一般認(rèn)為在+30mV+30mV或或-30mV-30mV如果所有顆粒都帶有高于如果所有顆粒都帶有高于+30+30mVmV或低于或低于-30mV-30mV的的zetazeta電位電位, ,則該分散體系應(yīng)該比較穩(wěn)定則該分散體系應(yīng)該比較穩(wěn)定影響影響ZetaZeta電位的因素電位的因素分散體系的分散體系的ZetaZeta電位可因下列因素而變化電位可因下列因素而變化: : pH pH 的變化的變化 溶液電導(dǎo)率的變化溶液電導(dǎo)率的變化 某種特殊添加劑的濃度某種特殊添加劑的濃度, ,如表面活性劑如表面活性劑, ,高分子高分子測量一個顆粒的測量一個顆粒的zetazeta勢

18、能作為上述變量的變化可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最佳條件Z Zetaeta電位電位與與pHpH影響影響zetazeta電位最重要的因素是電位最重要的因素是pHpH當(dāng)談?wù)摦?dāng)談?wù)搝etazeta電位時，不指明電位時，不指明pHpH根本一點意義都沒根本一點意義都沒有有Z Zetaeta電位電位與與pHpH假定在懸浮液中有一個帶負(fù)電的顆粒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

19、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時，顆粒的電荷將會被中和進(jìn)一步加入酸，顆粒將會帶更多的正電進(jìn)一步加入酸，顆粒將會帶更多的正電Z Zetaeta電位電位與與pHpHZetaZeta電位對電位對pHpH作圖在低作圖在低pHpH將是正的，在高將是正的，在高pHpH將是將是負(fù)的負(fù)的這中間一定有一點會通過零這中間一定有一點會通過零zetazeta電位電位這一點稱為等電點，是相當(dāng)重要的一點這一點稱為等電點，是相當(dāng)重要的一點 通常在這一點膠體是最不穩(wěn)定的通常在這一點膠體是最不穩(wěn)定的ZetaZeta電位與電位與pHpHOHOHOHOHOHOHOH-OH-OH-OH-OH-OH

20、-+ + + + + + +COOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOO-COO-COO-COO-COO-COO-H+H+H+H+H+H+影響影響ZetaZeta電位的因素電位的因素:pH:pH2 24 46 68 81 1 0 01 1- - 6 6 0 0- - 4 4 0 0- - 2 2 0 00 02 2 0 04 4 0 06 6 0 0等電點等電點Zeta Potential (mV)Zeta Potential (mV)pHpH2 2穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定不穩(wěn)定不穩(wěn)定Z Zetaeta電位電位與電導(dǎo)率與電導(dǎo)率雙電層的厚度與溶液中的離子濃度有關(guān)，可根據(jù)雙電層的厚度與溶液中的離

21、子濃度有關(guān)，可根據(jù)介質(zhì)的離子強度進(jìn)行計算介質(zhì)的離子強度進(jìn)行計算離子強度越高，雙電層愈壓縮離子強度越高，雙電層愈壓縮離子的化合價也會影響雙單層的厚度離子的化合價也會影響雙單層的厚度三價離子三價離子( (AlAl3+3+) )將會比單價離子將會比單價離子(Na(Na+ +) )更多的壓縮更多的壓縮雙電層雙電層Z Zetaeta電位電位與電導(dǎo)率與電導(dǎo)率無機離子可有兩種方法與帶電表面相作用無機離子可有兩種方法與帶電表面相作用 非選擇性吸附非選擇性吸附. .對于等電點沒有影響對于等電點沒有影響 選擇性吸附選擇性吸附. .會改變等電點會改變等電點 即使很低濃度的選擇性吸附離子即使很低濃度的選擇性吸附離子,

22、 ,也會對也會對ZetaZeta電位電位有很大的影響有很大的影響 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)電變成帶正電成帶正電, ,從帶正電變成帶負(fù)電從帶正電變成帶負(fù)電The effect of electrolytes (ppm) on z z-potential of a colloidal dispersionAlCl3CaCl2K2SO4KClNa4P2O7NaCl(tap water)10100100010000100000z z(mV)Colloid:100ppm MinusilZ Zetaeta電位電位與添加劑濃度與添加劑濃度研究樣品中的添

23、加劑濃度對產(chǎn)品研究樣品中的添加劑濃度對產(chǎn)品zetazeta電位的影響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)對樣品中已知雜質(zhì)對zetazeta電位的影響可作為研制抗電位的影響可作為研制抗絮凝的產(chǎn)品的有力工具絮凝的產(chǎn)品的有力工具不同疫苗配方的長期穩(wěn)定性可通過不同疫苗配方的長期穩(wěn)定性可通過ZetaZeta電位來電位來預(yù)測預(yù)測疫苗顆粒的疫苗顆粒的ZetaZeta電位電位-1000100ZetaZeta電位電位(mV)(mV)2468強度強度均值均值 = - 52mV= - 52mV配方 A-1000100ZetaZeta電位電位(mV)(mV)

24、2468強度強度均值均值 = - 24mV= - 24mV配方 B氧化釔與氧化鋁粉末氧化釔與氧化鋁粉末 Z Zetaeta電位用于在不同分散劑電位用于在不同分散劑(CPE(CPE或或APE)APE)下選下選擇適當(dāng)酸堿度以達(dá)到最佳分散擇適當(dāng)酸堿度以達(dá)到最佳分散3456789101112-50-40-30-20-10010203040Zeta 電位電位 (mV)pHAl2O3/CPEAl2O3/APEY2O3/APEY2O3/CPE礦石通過碾碎礦石通過碾碎, ,與收集劑混合與收集劑混合, ,懸浮懸浮, ,與浮選來達(dá)到分離與浮選來達(dá)到分離其效率取決于收集劑在礦石顆其效率取決于收集劑在礦石顆粒上的吸附

25、粒上的吸附ZetaZeta電位可用來控制此種吸附電位可用來控制此種吸附ZetaZeta電位應(yīng)用電位應(yīng)用: :礦物與礦石礦物與礦石鉆井液體中泥漿是很重要的組成部分鉆井液體中泥漿是很重要的組成部分在遠(yuǎn)離鉆頭的地方須用帶高表面電位的在遠(yuǎn)離鉆頭的地方須用帶高表面電位的懸浮液來保持粘土顆粒的分離使得顆粒懸浮液來保持粘土顆粒的分離使得顆粒能透過多空的井壁能透過多空的井壁, ,填塞土層的小孔從填塞土層的小孔從而形成不透水的涂層來防止鉆井液體的而形成不透水的涂層來防止鉆井液體的流失流失在鉆頭附近在鉆頭附近, ,需用低表面電位的顆粒來需用低表面電位的顆粒來形成絮狀懸浮液形成絮狀懸浮液. .這樣一來這樣一來, ,

26、井就不會被井就不會被堵住堵住ZetaZeta電位應(yīng)用電位應(yīng)用: :鉆井泥漿鉆井泥漿粒度分布與懸浮液的穩(wěn)定性都極其重粒度分布與懸浮液的穩(wěn)定性都極其重要要, ,決定產(chǎn)品的質(zhì)量決定產(chǎn)品的質(zhì)量( (厚度與密度厚度與密度).).集集聚體會造成空洞而減弱強度聚體會造成空洞而減弱強度陶瓷產(chǎn)品一般是用陶瓷產(chǎn)品一般是用SlipSlip鑄造來制造鑄造來制造. . 粘土懸浮液倒進(jìn)多孔模具內(nèi)粘土懸浮液倒進(jìn)多孔模具內(nèi), ,水流出水流出而形成結(jié)塊的陶瓷胚而形成結(jié)塊的陶瓷胚陶瓷的最后結(jié)構(gòu)取決于顆粒的表面電陶瓷的最后結(jié)構(gòu)取決于顆粒的表面電位位可用添加劑或調(diào)節(jié)可用添加劑或調(diào)節(jié)pHpH來改善表面電位來改善表面電位以增加產(chǎn)品的質(zhì)量

27、穩(wěn)定性以增加產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性ZetaZeta電位應(yīng)用電位應(yīng)用: :工程陶瓷與應(yīng)用陶瓷工程陶瓷與應(yīng)用陶瓷產(chǎn)品配方產(chǎn)品配方 研究不同成分在配方中的效果研究不同成分在配方中的效果穩(wěn)定性試驗穩(wěn)定性試驗 預(yù)測長期穩(wěn)定性預(yù)測長期穩(wěn)定性, ,取決于藥物顆粒的高取決于藥物顆粒的高ZetaZeta電位電位 減少試驗配方的次數(shù)減少試驗配方的次數(shù)或形成弱絮凝懸浮液或形成弱絮凝懸浮液, ,藥物顆粒由于有藥物顆粒由于有近零的近零的ZetaZeta電位而形成松散的質(zhì)團電位而形成松散的質(zhì)團. .輕輕微的搖晃即可重新形成懸浮液微的搖晃即可重新形成懸浮液.(.(日本湯日本湯) )藥物載體藥物載體ZetaZeta電位應(yīng)用電位應(yīng)用

28、: :藥藥漆中的色素顆粒必須達(dá)到很好的分散從而形成具漆中的色素顆粒必須達(dá)到很好的分散從而形成具有正確顏色的光滑漆面有正確顏色的光滑漆面由于低由于低ZetaZeta電位而造成的色素聚集體會改變漆的電位而造成的色素聚集體會改變漆的光澤光澤, ,表面結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu), ,甚至顏色甚至顏色ZetaZeta電位應(yīng)用電位應(yīng)用: :漆漆造紙造紙, ,采礦采礦, ,乳制品工業(yè)中的廢水中乳制品工業(yè)中的廢水中的大顆粒一般通過過濾與沉淀來去的大顆粒一般通過過濾與沉淀來去除除小顆粒必須通過凝聚形成大團粒才小顆粒必須通過凝聚形成大團粒才能被去除能被去除關(guān)鍵在于減低關(guān)鍵在于減低ZetaZeta電位從而凝聚可電位從而凝聚可發(fā)生

29、發(fā)生ZetaZeta電位應(yīng)用電位應(yīng)用: :廢水處理廢水處理飲料乳劑由下列成份組成飲料乳劑由下列成份組成 油相油相: : 油油, ,增重劑增重劑 水相水相: : 水水, , 水化膠體水化膠體, , 酸酸任一成分的誤差都會造成不穩(wěn)定任一成分的誤差都會造成不穩(wěn)定: : 乳狀物之沉淀或上乳狀物之沉淀或上浮浮 ( (相分離相分離) ) 絮凝絮凝( (油滴聚集油滴聚集) ) 乳化液的聚結(jié)乳化液的聚結(jié) ( (形成大滴形成大滴) )關(guān)鍵關(guān)鍵: : 顆粒大小顆粒大小, ,表面電位表面電位, ,密度密度差異差異ZetaZeta電位應(yīng)用電位應(yīng)用: :飲料乳劑飲料乳劑動電學(xué)效應(yīng)動電學(xué)效應(yīng)表面電荷的存在使得顆粒在一外加

30、電場中呈現(xiàn)某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)些特殊效應(yīng) 這些效應(yīng)總稱為動電學(xué)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)根據(jù)引入運動的方式，有四種不同的動電學(xué)效應(yīng)動電學(xué)效應(yīng)動電學(xué)效應(yīng)電泳電泳: : 在外加電場中帶電顆粒相對于靜止懸浮液在外加電場中帶電顆粒相對于靜止懸浮液體的運動體的運動電滲電滲: :在外加電場中相對于靜止帶電表面的液體運在外加電場中相對于靜止帶電表面的液體運動動流動電勢流動電勢: : 當(dāng)液體流過靜止表面時所產(chǎn)生的電場當(dāng)液體流過靜止表面時所產(chǎn)生的電場沉降電勢沉降電勢: : 當(dāng)帶電顆粒在靜止液體中流動時所產(chǎn)生的電場當(dāng)帶電顆粒在靜止液體中

31、流動時所產(chǎn)生的電場測量測量ZetaZeta電位電位: :電泳電泳在一平行電場中在一平行電場中, ,帶電顆粒向相反極性的電極運動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)顆粒的運動速度與下列因素有關(guān): : 電場強度電場強度 介質(zhì)的介電常數(shù)介質(zhì)的介電常數(shù)已知參數(shù)已知參數(shù) 介質(zhì)的粘度介質(zhì)的粘度 ZetaZeta電位電位電泳電泳UE = 2 e z f(k a)3 hz z = zeta = zeta電位電位(mV)(mV)U UE E = = 電泳淌度電泳淌度( (m mm m cm/sec/V)cm/sec/V)e e = = 介電常數(shù)介電常數(shù)( (e eoe er)(F/m)(F/

32、m)h= = 粘度粘度(Poise)(Poise)f(f(k ka) = a) = HenryHenry函數(shù)函數(shù)ZetaZeta電位與電泳淌度之間由電位與電泳淌度之間由HenryHenry方程相連方程相連HenryHenry函數(shù)函數(shù)f f( (k ka)a)k k的單位是長度的倒數(shù)，的單位是長度的倒數(shù)， 1/1/k k = =雙電層厚度雙電層厚度( (德拜德拜長度長度) )a = a = 顆粒半徑顆粒半徑k ka = a = 顆粒半徑與雙電層厚度之比顆粒半徑與雙電層厚度之比非極性介質(zhì)非極性介質(zhì)Henry函數(shù)f(ka)H H ckelckel近似近似f(f(k ka) = 1.0a) = 1.0

33、SmoluchowskiSmoluchowski近似近似f(f(k ka) = 1.5a) = 1.5a a1/k1/k極性介質(zhì)極性介質(zhì)a a1/k1/kk k-1 = (e eoe erkBT)/(2000 e2 I N)0.5e eo = 真空介電常數(shù)真空介電常數(shù)e er = 液體的相對介電常數(shù)液體的相對介電常數(shù)kB = 波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù)T = 絕對溫度絕對溫度e = 單位電荷（庫倫）單位電荷（庫倫）I = 離子強度離子強度(mol/L)N = 阿伏加得羅常數(shù)阿伏加得羅常數(shù)在水相在水相298K時時:k k-1 = 0.304/(I)0.5 (nm) 計算德拜長度計算德拜長度I =

34、I = S S C Ci i Z Zi i2 2 C Ci i = = 某種離子的濃度某種離子的濃度 Z Zi i = = 離子價離子價電解質(zhì)可根據(jù)其離子的價位來分類電解質(zhì)可根據(jù)其離子的價位來分類 NaClNaCl是是1:11:1的電解質(zhì)的電解質(zhì) AlClAlCl3 3是是3:13:1的電解質(zhì)的電解質(zhì)計算離子強度計算離子強度計算離子強度計算離子強度1:11:2 or 2:12:21:3 or 3:13:32:3 or 3:2電解質(zhì)電解質(zhì)I = C12 + C12 = CI = 2C12 + C22 = 3CI = C22 + C22 = 4CI = 3C12 + C32 = 6CI = C32

35、 + C32 = 9CI = 3C22 + 2C32 = 15C離子強度離子強度雙電層厚度雙電層厚度0.960.550.480.390.320.253.041.761.521.241.020.789.615.554.813.923.202.4830.417.615.212.410.27.8596.155.524.830417615212410278.596155548139232024810 -110 -210 -310 -510 -410 -610 -71:11:2,2:12:21:3,3:13:32:3,3:2電解質(zhì)電解質(zhì)濃度濃度(M)(M)k ka與與f(k ka

36、)的關(guān)系的關(guān)系k ka0123451025100 f(k ka)1.0001.0271.0661.1011.1331.1601.2391.3701.4601.50測量電泳淌度測量電泳淌度在樣品池兩端加一電場在樣品池兩端加一電場早期的電泳測量用顯微鏡直接觀察顆粒的運動早期的電泳測量用顯微鏡直接觀察顆粒的運動現(xiàn)代方法用激光與信號處理方法現(xiàn)代方法用激光與信號處理方法Malverns Zetasizer Malverns Zetasizer 系列用電泳光散射的方法系列用電泳光散射的方法測量電泳淌度測量電泳淌度用電泳光散射測量用電泳光散射測量ZetaZeta電位電位電泳光散射用多普勒效應(yīng)來測量帶電顆粒在

37、電場電泳光散射用多普勒效應(yīng)來測量帶電顆粒在電場中的運動中的運動 由于顆粒的運動，散射光有頻率位移由于顆粒的運動，散射光有頻率位移 VC0多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)當(dāng)測量一個速度為當(dāng)測量一個速度為C C，頻率為，頻率為n no o的波時，假如波的波時，假如波源與探測器之間有一相對運動（速度源與探測器之間有一相對運動（速度V), V), 所測到所測到的波頻率將會有一多普勒位移的波頻率將會有一多普勒位移顆粒的布朗運動與電泳運動都會產(chǎn)生多普勒位移顆粒的布朗運動與電泳運動都會產(chǎn)生多普勒位移用電泳光散射測量用電泳光散射測量ZetaZeta電位電位顆粒運動速度顆粒運動速度 V=0V=0散射光與入射光散射光與入射光

38、有相同的頻率有相同的頻率F1F1顆粒運動速度顆粒運動速度 V0V0v散射光與入射光散射光與入射光有不同的頻率有不同的頻率F2F1用電泳光散射測量用電泳光散射測量ZetaZeta電位電位由于可見光的頻率極高由于可見光的頻率極高(10(101414Hz), Hz), 散射光的頻率位散射光的頻率位移只能用光混合或相干涉技術(shù)來測量移只能用光混合或相干涉技術(shù)來測量在實踐中用來自于同一光源的一對相互干涉的光在實踐中用來自于同一光源的一對相互干涉的光束束 其中一束光通過顆粒樣品（稱為主光束）其中一束光通過顆粒樣品（稱為主光束）另一束光（稱為參考光）繞過樣品池另一束光（稱為參考光）繞過樣品池 被主光束照射的顆

39、粒散射光，此散射光與參考光被主光束照射的顆粒散射光，此散射光與參考光混合起來而進(jìn)入探測器混合起來而進(jìn)入探測器光強度是如何變化的光強度是如何變化的F1F2參考光參考光F F1 1 與散射光與散射光F F2 2光強度是如何變化的光強度是如何變化的F2F1波的干涉產(chǎn)生光束的調(diào)諧波，這一調(diào)諧波有很低的頻波的干涉產(chǎn)生光束的調(diào)諧波，這一調(diào)諧波有很低的頻率，稱為率，稱為“拍差頻率拍差頻率”，等于，等于F F1 1與與F F2 2的頻率差的頻率差F1 = -fF2這兩個波相增（在這兩個波相增（在A A）或相消（在或相消（在B B）BAA參考光參考光F F1 1 與散射光與散射光F F2 2在探測器上接受到的是

40、此一在探測器上接受到的是此一“拍差頻率拍差頻率”此相干頻率聚焦在探測器上此相干頻率聚焦在探測器上決定多普勒位移的符號決定多普勒位移的符號多普勒位移的符號是由比較拍差頻率與參考頻率多普勒位移的符號是由比較拍差頻率與參考頻率來決定的來決定的 參考頻率是通過振動鏡子法來調(diào)制兩束光中的一參考頻率是通過振動鏡子法來調(diào)制兩束光中的一束光來產(chǎn)生的束光來產(chǎn)生的 在外加電場中的顆粒運動將產(chǎn)生與參考頻率不同在外加電場中的顆粒運動將產(chǎn)生與參考頻率不同的頻率位移的頻率位移 這樣就可以決定這樣就可以決定zetazeta電位的符號電位的符號Zetasizer Nano ZS的光學(xué)結(jié)構(gòu)電滲電滲由于毛細(xì)管樣品池壁帶電，當(dāng)外加

41、電場導(dǎo)致顆粒由于毛細(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運動時，池壁附近的液體也會在電場中由于電滲而運動而運動當(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, ,水會在電場下移動水會在電場下移動( (電滲電滲) )而影響顆粒移動速度的而影響顆粒移動速度的測量測量( (因為測到的是兩種運動的總和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

42、品池中造成拋物面狀的液體流動電滲電滲在樣品池中有兩個無限薄的層面在樣品池中有兩個無限薄的層面( (靜止層靜止層) )內(nèi)無電內(nèi)無電滲滲經(jīng)典方法將光束定位在靜止層內(nèi)測量，以避免經(jīng)典方法將光束定位在靜止層內(nèi)測量，以避免電電滲誤差滲誤差不可能準(zhǔn)確定位不可能準(zhǔn)確定位, ,及費時而造成各種誤差及費時而造成各種誤差( (甚至池甚至池壁有微量污染壁有微量污染) )電泳遷移率測量中的難題電泳遷移率測量中的難題: :電滲電滲靜止層靜止層Stationary Layers避免電滲避免電滲假如沒有電滲，顆粒的電泳測量將簡單的多假如沒有電滲，顆粒的電泳測量將簡單的多在任何位置測到的顆粒電泳都將是顆粒的真正電在任何位置測

43、到的顆粒電泳都將是顆粒的真正電泳泳避免電滲：浸入式樣品池避免電滲：浸入式樣品池這類樣品池用兩個電極直接插入帶樣品的小方池這類樣品池用兩個電極直接插入帶樣品的小方池內(nèi)內(nèi)這一類稱為這一類稱為UzgirisUzgiris式的方法是唯一在商業(yè)儀器中式的方法是唯一在商業(yè)儀器中應(yīng)用的非毛細(xì)管式樣品池應(yīng)用的非毛細(xì)管式樣品池普適的插入式樣品池是普適的插入式樣品池是NanoNano系列的附件之一系列的附件之一不適合測水樣，因為會產(chǎn)生氣泡不適合測水樣，因為會產(chǎn)生氣泡避免電滲：快速電場反轉(zhuǎn)避免電滲：快速電場反轉(zhuǎn) (FFR)(FFR)動電學(xué)的理論分析告訴我們：當(dāng)外加一電場時，動電學(xué)的理論分析告訴我們：當(dāng)外加一電場時，

44、顆粒達(dá)到其最終運動速度的時間至少要比電滲快顆粒達(dá)到其最終運動速度的時間至少要比電滲快一個數(shù)量級一個數(shù)量級M. Minor, A.J. van der Linde, H.P. van M. Minor, A.J. van der Linde, H.P. van Leeuwen and J. Lyklema (1997) J Colloid and Leeuwen and J. Lyklema (1997) J Colloid and Interface Science 189, 370-375Interface Science 189, 370-375避免電滲：快速電場反轉(zhuǎn)避免電滲：快速電場反轉(zhuǎn)

45、 (FFR)(FFR)假如一外加電場有足夠高的頻率時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(jìn)行這樣，測量就不一定要在靜止層進(jìn)行但是但是FFRFFR與傳統(tǒng)的與傳統(tǒng)的SFRSFR相比，有很低的分辨率相比，有很低的分辨率混合模式測量混合模式測量(M3)(M3)混合模式測量混合模式測量(M3)(M3)是一個專利技術(shù)，可在毛細(xì)管樣是一個專利技術(shù)，可在毛細(xì)管樣品池的任何位置測量品池的任何位置測量用快速電場反轉(zhuǎn)用快速電場反轉(zhuǎn)(FFR)(FFR)與慢速電場反轉(zhuǎn)與慢速電場反轉(zhuǎn)(SFR)(SFR)聯(lián)用聯(lián)用

46、FFR (25Hz)FFR (25Hz)允許測量正確的電泳淌度而不受電滲的允許測量正確的電泳淌度而不受電滲的影響影響SFR (0.5Hz )SFR (0.5Hz )可得到高分辨率的分布圖可得到高分辨率的分布圖 PALSPALS用來決定用來決定FFRFFR測量時的電泳淌度測量時的電泳淌度電場反轉(zhuǎn)頻率的效果電場反轉(zhuǎn)頻率的效果毛細(xì)管內(nèi)的毛細(xì)管內(nèi)的電滲電滲電場轉(zhuǎn)換頻率電場轉(zhuǎn)換頻率 0.5Hz 0.5Hz用用FFRFFR時沒有時沒有電滲電滲電場轉(zhuǎn)換頻率電場轉(zhuǎn)換頻率 16Hz 16Hz折疊式毛細(xì)管樣品池折疊式毛細(xì)管樣品池:SFR:SFR折疊式毛細(xì)管樣品池折疊式毛細(xì)管樣品池:FFR:FFR無電滲無電滲M3M

47、3由下列組成由下列組成.在池子中間所作的在池子中間所作的FFRFFR測定可得到精確的平均值測定可得到精確的平均值所作的所作的SFRSFR測量可得到更好的分辨率，但是整個分測量可得到更好的分辨率，但是整個分布受到電滲的影響而位移布受到電滲的影響而位移由由FFRFFR得到的平均值減去由得到的平均值減去由SFRSFR得到的平均值，就得到的平均值，就是由于電滲流動所造成的是由于電滲流動所造成的此一值用來將分布移到正確的此一值用來將分布移到正確的zetazeta電位電位所得到的電滲用來計算池壁所得到的電滲用來計算池壁zetazeta電位電位光散射相位分析光散射相位分析(PALS)(PALS)分析散射光的

48、相位而不是強度分析散射光的相位而不是強度對很小的頻率位移有極高的靈敏度對很小的頻率位移有極高的靈敏度可以很精確的測定頻率位移可以很精確的測定頻率位移測定小淌度時的唯一手段（在溶劑中或高離子強測定小淌度時的唯一手段（在溶劑中或高離子強度液體中的顆粒度液體中的顆粒) )Z Zetaeta電位測量電位測量:M3:M3- -PALS PALS 光散射相位分析光散射相位分析可很精確的測定頻率位移可很精確的測定頻率位移 在有試驗噪聲與顆粒的布朗運動存在下，比用在有試驗噪聲與顆粒的布朗運動存在下，比用標(biāo)準(zhǔn)富利埃變換方法靈敏標(biāo)準(zhǔn)富利埃變換方法靈敏100100倍倍顆粒的電泳淌度是由拍差頻率與參考頻率之間的顆粒的

49、電泳淌度是由拍差頻率與參考頻率之間的相位差來求得的相位差來求得的參考頻率是參考頻率是320Hz320Hz光散射相位分析光散射相位分析ZetaZeta電位測量的分辨率電位測量的分辨率: :普通范圍普通范圍相分析相分析電位圖電位圖Zeta電位測量的分辨率電位測量的分辨率:極小范圍極小范圍010000.20000.30000.40000.50000.60000.-5.-4.-3.-2.-1.0.5.Intensity (cps)Zeta Potential (mV)Zeta Potential DistributionRecord 21: Resolution 320 + 320.01

50、Hz ( 0 + .01 mV)Record 23: Resolution 320 + 320.002 Hz Record 24: Resolution 320 + 320.002 Hz 頻率位移頻率位移0.01 Hz, 0.01 Hz, 0.005Hz, 0.002Hz0.005Hz, 0.002Hz相分析圖相分析圖用富里埃分析得到的頻率位用富里埃分析得到的頻率位移移0.01 Hz, 0.005Hz, 0.01 Hz, 0.005Hz, 0.002Hz0.002Hz電位圖電位圖ZetaZeta電位測量的方波形電位測量的方波形, ,快轉(zhuǎn)與慢快轉(zhuǎn)與慢轉(zhuǎn)的組合轉(zhuǎn)的組合電流與電壓波型重疊電流與電壓波

51、型重疊注意極靈敏度的電流測量注意極靈敏度的電流測量- -分辨率達(dá)到分辨率達(dá)到2 2微安微安相位圖相位圖FFRPALS only to obtain mean (Ep)SFRPALS to obtain mean (Eo+ Ep) + FT to obtain distribution (width)測量過程測量過程: :系列的快速電場極性轉(zhuǎn)換系列的快速電場極性轉(zhuǎn)換(FFR)(FFR)與慢速電場極性轉(zhuǎn)換與慢速電場極性轉(zhuǎn)換(SFR)(SFR)在在FFRFFR中用中用PALSPALS測量平均電遷移率測量平均電遷移率或或ZetaZeta電位電位, ,并并多次多次FFRFFR用于精確的用于精確的測定斜率

52、的平均值測定斜率的平均值 浸入式樣品池不需用浸入式樣品池不需用FFR FFR ZetaZeta電位或遷移率分布由電位或遷移率分布由SFRSFR測量測量的富利艾變換而得到的富利艾變換而得到整個分布的整個分布的X-X-坐標(biāo)根據(jù)平均值標(biāo)定坐標(biāo)根據(jù)平均值標(biāo)定從而得到正確的分布從而得到正確的分布-50mV-110mV-50mV第二部分第二部分Zeta電位實驗電位實驗Z Zetaeta電位測量的樣品制備電位測量的樣品制備Zetasizer NanoZetasizer Nano所用的光源自動衰減機理使得所所用的光源自動衰減機理使得所測樣品的濃度范圍可以相當(dāng)寬測樣品的濃度范圍可以相當(dāng)寬許多樣品可直接測量許多樣

53、品可直接測量許多樣品仍需要稀釋許多樣品仍需要稀釋 稀釋的方法正確與否直接影響到結(jié)果稀釋的方法正確與否直接影響到結(jié)果ZetaZeta電位測量的樣品制備電位測量的樣品制備稀釋介質(zhì)尤其重要稀釋介質(zhì)尤其重要不指明顆粒是分散在哪一種介質(zhì)中而討論結(jié)果是不指明顆粒是分散在哪一種介質(zhì)中而討論結(jié)果是沒有意義的沒有意義的ZetaZeta電位不單取決于顆粒表面的電荷分布，也取電位不單取決于顆粒表面的電荷分布，也取決于分散相的組成決于分散相的組成稀釋介質(zhì)稀釋介質(zhì)大部分樣品的連續(xù)相可大致分為兩類：大部分樣品的連續(xù)相可大致分為兩類：n 極性分散劑極性分散劑( (介電常數(shù)介電常數(shù)20)20)n 非極性分散劑非極性分散劑( (介電常數(shù)介電常數(shù)2020，如碳?xì)浠衔铮缣細(xì)浠衔? )如何稀釋樣品對于最終測量結(jié)果影響極大如何稀釋樣品對于最終測量結(jié)果影響極大分散相的組成直接影響顆粒表面及其電荷分散相的組成直接影響顆粒表面及其電荷, ,從而影響從而影響ZetaZeta電位電位樣品制備的目的之一是在稀釋后仍保存顆粒表面原有樣品制備的目的