动态光散射根本原理及其在纳米科技中的应用-Zeta电位测量.docx

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1、动态光散射根本原理及其在纳米科技中的应用Zeta 电位测量前言：Zeta 电位是纳米材料的一种重要表征参数。现代仪器可以通过简便的手段快速准确地测得。大致原理为：通过电化学原理将Zeta 电位的测量转化成带电粒子淌度的测量，而粒子淌度的测量测是通过动态光散射，运用波的多普勒效应测得。1. Zeta 电位与双电层图 1粒子外表存在的净电荷，影响粒子界面四周区域的离子分布，导致接近外表抗衡离子与粒子电。荷相反的离子浓度增加。于是，每个粒子四周均存在双电层。围绕粒子的液体层存在两局部：一是内层区，称为Stern 层，其中离子与粒子紧紧地结合在一起；另一个是外层分散区，其中离子不那么严密的与粒子相吸附

2、。在分散层内，有一个抽象边界，在边 界内的离子和粒子形成稳定实体。 当粒子运动时如由于重力，在此边界内的离子随着粒子运动，但此边界外的离子不随着粒子运动。这个边界称为流体力学剪切层或滑动面slippingplane。在这个边界上存在的电位即称为Zeta 电位。2. Zeta 电位与胶体的稳定性DLVO 理论在 1940 年月 Derjaguin, Landau, Verway与 Overbeek 提出了描述胶体稳定的理论，认为胶体体系的稳定性是当颗粒相互接近时它们之间的双电层互斥力与范德瓦尔互吸力的净 结果。此理论提出当颗粒接近时颗粒之间的能量障碍来自于互斥力，当颗粒有足够的能量克服此障碍时，

3、互吸力将使颗粒进一步接近并不行逆的粘在一起。图 2Zeta 电位可用来作为胶体体系稳定性的指示：假设颗粒带有很多负的或正的电荷,也就是说很高的 Zeta 电位,它们会相互排斥,从而到达整个体系的稳定性；假设颗粒带有很少负的或正的电荷,也就是说它的 Zeta 电位很低,它们会相互吸引,从而到达整个体系的不稳定性。一般来说, Zeta 电位愈高,颗粒的分散体系愈稳定，水相中颗粒分散稳定性的分界限一般认为在+30mV 或-30mV，假设全部颗粒都带有高于+30mV 或低于-30mV 的 zeta 电位,则该分散体系应当比较稳定3. 影响 Zeta 电位的因素分散体系的 Zeta 电位可因以下因素而变

4、化:A. pH 的变化B. 溶液电导率的变化C. 某种特别添加剂的浓度,如外表活性剂,高分子测量一个颗粒的 zeta 势能作为上述变量的变化可了解产品的稳定性，反过来也可打算生成絮凝的最正确条件。3.1 Zeta 电位与 pH图 3影响 zeta 电位最重要的因素是 pH，当谈论zeta 电位时，不指明pH 根本一点意义都没有。假定在悬浮液中有一个带负电的颗粒；假设往这一悬浮液中参加碱性物质，颗粒会得到更多的负电；假设往这一悬浮液中参加酸性物质，在肯定程度时，颗粒的电荷将会被中和； 进一步参加酸，颗粒将会带更多的正电。Zeta 电位对 pH 作图在低 pH 将是正的，在高 pH 将是负的，这中

5、间肯定有一点会通过零 zeta 电位，这一点称为等电点，是相当重要的一点，通常在这一点胶体是最不稳定的。3.2 Zeta 电位与电导率双电层的厚度与溶液中的离子浓度有关，可依据介质的离子强度进展计算，离子强度越高， 双电层愈压缩同，离子的化合价也会影响双单层的厚度，三价离子(Al3+)将会比单价离子(Na+)更多的压缩双电层。无机离子可有两种方法与带电外表相作用：1. 非选择性吸附.对于等电点没有影响2. 选择性吸附.会转变等电点即使很低浓度的选择性吸附离子,也会对 Zeta 电位有很大的影响，有时选择性吸附离子甚至会造成颗粒从带负电变成带正电,从带正电变成带负电。3.3 Zeta 电位与添加

6、剂浓度争论样品中的添加剂浓度对产品zeta 电位的影响可为研发稳定配方的产品供给有用的信息，样品中杂质对 zeta 电位的影响可作为研制抗絮凝的产品的有力工具。4. 带电粒子的动电学效应外表电荷的存在使得颗粒在一外加电场中呈现某些特别效应，这些效应总称为动电学效应，依据引入运动的方式，有四种不同的动电学效应：电泳: 在外加电场中带电颗粒相对于静止悬浮液体的运动电渗:在外加电场中相对于静止带电外表的液体运动流淌电势: 当液体流过静止外表时所产生的电场沉降电势: 当带电颗粒在静止液体中流淌时所产生的电场5. Zeta 电位测量理论在一平行电场中,带电颗粒向相反极性的电极运动，颗粒的运动速度与以下因

7、素有关: 电场强度，介质的介电常数，介质的粘度均为参数Zeta 电位未知参数Zeta 电位与电泳淌度之间由 Henry 方程相连图 4由 Henry 方程可以看出，只要测得粒子的淌度，查到介质的粘度、介电常数等参数，就可以求得 Zeta 电位。6. 淌度测量方法6.1 直接观测法在早期，测量粒子淌度时，是在分散体系两端加上电压，用显微装置观测。6.2 多普勒效应测量法当测量一个速度为C，频率为 no 的波时，假设波源与探测器之间有一相对运动速度 V), 所测到的波频率将会有一多普勒位移。在电场作用下运动的粒子，当激光打到粒子上时，散射光频率会有变化。散射光与参考光叠加后频率变化表现得更为直观，

8、更简洁观测。将光信号的频率变化与粒子运动速度联系起来， 即可测得粒子的淌度。如图 57. 电渗及避开方法7.1 电渗图 6由于毛细管样品池壁带电，当外加电场导致颗粒运动时，池壁四周的液体也会在电场中由于电渗而运动。当用毛细管样品池时由于池壁与水中离子的作用,水会在电场下移动(电渗)而影响颗粒移动速度的测量(由于测到的是两种运动的总和)。但是，由于在一个封闭的 池子内，池壁的液体流淌会造成池中间的液体向另一方向运动，而在样品池中造成抛物面状的液体流淌。在样品池中有两个无限薄的层面(静止层)内无电渗，经典方法将光束定位在静止层内测量，以避开电渗误差，不行能准确定位,及费时而造成各种误差(甚至池壁有

9、微量污染)。7.2 电渗的避开图 7动电学的理论分析告知我们：当外加一电场时，颗粒到达其最终运动速度的时间至少要比电渗快一个数量级参考 M. Minor, A.J. van der Linde, H.P. van Leeuwen and J.Lyklema (1997) J Colloid and Interface Science 189, 370-375 快速电场反转FFR假设一外加电场有足够高的频率时:与颗粒的运动相比，液体的运动可以无视不计这样，测量就不肯定要在静止层进展但是，快速电场反转FFR与传统的慢速电场反转SFR相比，区分率低。假设将二者结合起来，则可以得到准确率高，区分率高的

10、Zeta 电位及分布。 Last edited by 骑着蜗牛追火箭on 2023-11-28 at 16:01附件 1:1.Zeta 电位.jpg (2023-11-28 15:08, 132.39 K)附件 2:2.DLVO 胶体稳定理论.jpg (2023-11-28 15:09, 53.82 K)附件 3:3.Zeta 电位与 pH.jpg (2023-11-28 15:10, 83.13 K)附件 4:4.Zeta 电位测量理论-Henry 方程.jpg (2023-11-28 15:11, 112.95 K)附件 5:5.多普勒效应测粒子淌度.jpg (2023-11-28 15:11, 168.48 K)附件 6:6.电渗示意图.jpg (2023-11-28 15:12, 93.02 K)附件 7:7.电渗避开和 FFR-SFR 组合.jpg (2023-11-28 15:12, 132.13 K)