在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，對(duì)于分散體系的穩(wěn)定性和分散性的要求各不相同，比如在3D打印領(lǐng)域，為了保證打印效果，漿料的穩(wěn)定性指標(biāo)要求漿料能長(zhǎng)期儲(chǔ)存而不沉淀；在生物制藥領(lǐng)域，需要盡量避免蛋白大分子的團(tuán)聚，以保持其藥物的生物活性；而在水處理領(lǐng)域則恰恰相反，需要加絮凝劑，使其中細(xì)小的懸浮顆粒和膠體物質(zhì)失穩(wěn)，促使絮凝沉淀，以便去除水中的顆粒雜質(zhì)。因此，衡量分散體系穩(wěn)定性在許多領(lǐng)域的生產(chǎn)、處理過(guò)程中都具有關(guān)鍵意義。為了表征和調(diào)控分散體系的穩(wěn)定性，通常使用Zeta電位法。

Zeta電位是什么？

溶液中一般存在表面攜帶一定量電荷的懸浮膠體顆粒，這些顆粒表面帶有的電荷會(huì)影響溶液內(nèi)離子分布的變化，進(jìn)而引起電勢(shì)的變化。根據(jù)目前應(yīng)用最廣泛的描述溶液中微粒帶電性質(zhì)的理論——Stern雙電層理論，當(dāng)帶電粒子處于一個(gè)含有離子的溶液中時(shí)，帶電粒子表面會(huì)吸附相反電荷，形成擴(kuò)散雙電層，接近粒子表面的相反離子被牢固吸附，構(gòu)成吸附層。遠(yuǎn)離的相反離子則松散結(jié)合，構(gòu)成擴(kuò)散層。當(dāng)帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，擴(kuò)散層中有一部分粒子隨顆粒一起做布朗運(yùn)動(dòng)，一部分則分散在溶液中，不隨顆粒運(yùn)動(dòng)，將擴(kuò)散層中動(dòng)與不動(dòng)的界面稱(chēng)為滑移面，此處的電位即為Zeta電位。

帶負(fù)電懸浮粒子的電勢(shì)分布

Zeta電位為何能表征分散體系穩(wěn)定性？

了解完Zeta電位是什么，再來(lái)看看它為什么能夠表征分散體系的穩(wěn)定性。根據(jù)Derjaguin等提出的膠體穩(wěn)定理論（DLVO理論）：當(dāng)顆粒相互接近時(shí)，顆粒之間存在雙電層互斥力與范德瓦爾互吸力。互斥力使得顆粒相互接近時(shí)存在能量障礙而分散開(kāi)，當(dāng)顆粒有足夠的能量克服此障礙時(shí)，互吸力將會(huì)使他們牢牢地結(jié)合在一起。

DLVO理論

當(dāng)粒子的Zeta電位絕對(duì)值很高，即帶有很多負(fù)的或正的電荷，顆粒間的互斥力也很高，使得分散體系達(dá)到穩(wěn)定分散的狀態(tài)。相反，當(dāng)粒子的Zeta電位絕對(duì)值很低時(shí)，顆粒所帶的正或負(fù)電荷很少，范德瓦爾互吸力能夠克服顆粒間的互斥力，使得顆粒可以輕易結(jié)合，從而達(dá)到整個(gè)體系的不穩(wěn)定性。

Zeta電位與膠體穩(wěn)定性的關(guān)系

利用這個(gè)原理，除了可評(píng)估分散體系的穩(wěn)定性外，還可用于評(píng)價(jià)粉體包覆改性的效果，當(dāng)對(duì)粉體進(jìn)行改性時(shí)，改性劑會(huì)電離成離子吸附于顆粒表面，是顆粒表面形成雙電層結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比粉體顆粒表面改性前后的Zeta電位值變化，就可用于衡量粉體包覆改性的效果。

Zeta電位值如何測(cè)量？

Zeta電位一般無(wú)法直接測(cè)量，但分散體系中存在電泳、電滲、沉降電勢(shì)、流動(dòng)電勢(shì)幾種電動(dòng)現(xiàn)象，利用這些電動(dòng)現(xiàn)象，Zeta電位測(cè)量方法可分為電泳法、電滲法和流動(dòng)電位法等

1、電泳法

電泳是指在外加電場(chǎng)作用下，帶電的分散相粒子在分散介質(zhì)中向相反符號(hào)的電極移動(dòng)的一種現(xiàn)象，電泳法是目前應(yīng)用最廣泛的一種顆粒Zeta電位測(cè)量方法，并根據(jù)不同測(cè)量需求擴(kuò)展了多種測(cè)量方法。

電泳法示意圖

（1）電泳光散射法：

電泳光散射法是基于多普勒效應(yīng)，本質(zhì)是將顆粒的電泳速度測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)化為散射光頻移測(cè)量問(wèn)題。帶電顆粒在外加電場(chǎng)作用下發(fā)生定向移動(dòng)，當(dāng)光束照射到顆粒上時(shí)，就會(huì)引起光束頻率或相位發(fā)生變化，且顆粒運(yùn)動(dòng)速度越快，光的頻率變化的也越快。因此通過(guò)測(cè)量光信號(hào)的頻率變化可以間接測(cè)出顆粒的電泳速度，從而計(jì)算得到Zeta電位。這種方法的測(cè)量速度快、統(tǒng)計(jì)精度高、重現(xiàn)性好，但由于在高濃度樣品中，散射光的路徑較為復(fù)雜，且電泳遷移率也較低，導(dǎo)致往往需要增加電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)增加多普勒頻移，減少測(cè)量時(shí)間，因此電泳光散射法較適用于檢測(cè)低濃度樣品或稀釋后的高濃度樣品。

（2）微電泳法

微電泳法是一種借助于顯微鏡直接觀察帶電粒子運(yùn)動(dòng)，從而得到每一個(gè)顆粒的遷移率，再計(jì)算得到每個(gè)顆粒的zeta電位，最終得到zeta電位分布的方法。微電泳法具有直觀方便的優(yōu)點(diǎn)，且可以得到每個(gè)顆粒的Zeta電位，但只適用于測(cè)量濃度非常低的分散體系中顆粒的Zeta電位。

基于微電泳法的ZETA電位儀及電位分布圖

（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

（3）相位分析光散射法

相位分析光散射法是對(duì)電泳光散射技術(shù)的改進(jìn)，這種方式是利用分?jǐn)?shù)器將激光分成兩束，兩束激光分別經(jīng)布拉格盒調(diào)制后，通過(guò)反射鏡和小孔交叉入射到樣品池，再利用計(jì)算系統(tǒng)測(cè)量散射光信號(hào)關(guān)于參考光信號(hào)的相位移即可測(cè)量顆粒Zeta電位等信息。

由于相位分析光散射法在短時(shí)間內(nèi)即可探測(cè)到足夠的散射光信號(hào)相位差，可以有效檢測(cè)極低電泳遷移率樣品的Zeta電位信息，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)于等電點(diǎn)附近樣品及高鹽濃度下樣品的準(zhǔn)確Zeta電位檢測(cè)。

結(jié)合動(dòng)、靜態(tài)光散射及相位分析光散射法的ZETA電位儀及其光路系統(tǒng)

（來(lái)源：丹東百特）

2、電滲法

電滲是指這樣一種現(xiàn)象：在外電場(chǎng)作用下，由于多孔固體（膜）吸附溶液中的正負(fù)離子，使溶液相對(duì)帶電，溶液會(huì)相對(duì)于和它接觸的靜止的固體相（粉體顆粒）運(yùn)動(dòng)。單位場(chǎng)強(qiáng)下，液體流動(dòng)的速度則為電滲速度。電滲法就是基于電滲原理測(cè)量顆粒Zeta電位的方法，當(dāng)電滲測(cè)量裝置的電極接入直流電流時(shí)，因電滲作用，毛細(xì)管中液體會(huì)發(fā)生移動(dòng)，根據(jù)液體移動(dòng)速度即可得到顆粒的Zeta電位。

電滲法相比電泳法，裝置簡(jiǎn)單，操作方便，但是在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中對(duì)毛細(xì)管中液體體積讀數(shù)存在較大的主觀因素，且受到毛細(xì)管干燥程度的影響，導(dǎo)致測(cè)量精度較低、測(cè)量范圍小，較適于測(cè)量大于5μm的細(xì)微顆粒。

電滲法原理及其測(cè)量裝置

3、流動(dòng)電位法

流動(dòng)電位是電滲的逆過(guò)程，在外力作用下，迫使液體通過(guò)多孔膜或毛細(xì)管做定向流動(dòng)，帶電表面雙電層的擴(kuò)散層中的離子也會(huì)隨之移動(dòng)，形成電流，從而在毛細(xì)管或多孔介質(zhì)兩端產(chǎn)生電位差。流動(dòng)電位法就是通過(guò)測(cè)量流動(dòng)電勢(shì)來(lái)確定膜表面的 zeta 電位。

流動(dòng)電位法原理及其測(cè)量裝置

與電泳法、電滲法不同，流動(dòng)電位法對(duì)于固體材料的外表面敏感，可以探測(cè)具有復(fù)雜的幾何形狀的材料固液界面電荷層的形成，故常用于研究多孔介質(zhì)、滲透性材料等固-液界面的電荷情況，提供材料表面與水溶液溶質(zhì)的靜電相互作用信息，比如在醫(yī)療器械領(lǐng)域，有助于評(píng)估生物醫(yī)療器械與生物體內(nèi)液體的相互作用和生物相容性。目前市面上擁有此技術(shù)的企業(yè)較少，法國(guó)cad和安東帕兩家企業(yè)就在其中。

基于流動(dòng)電位的Zeta電位儀（來(lái)源：安東帕）

小結(jié)

因Zeta電位值代表了帶電離子表面的的電位情況，可通過(guò)其了解分散體系中顆粒材料間的雙電層互斥力，從而判斷分散體系的穩(wěn)定性。

根據(jù)分散體系中的電動(dòng)現(xiàn)象，可通過(guò)電泳法、電滲法、流動(dòng)電位法幾種方式間接測(cè)量Zeta電位值，電泳法中電泳光散射法測(cè)量精度高、重新性好，微電泳法直觀方便，但兩者均比較適用于低濃度的溶液。相位分析光散射法是對(duì)電泳光散射法的改進(jìn)，可以快速測(cè)得高濃度下帶電顆粒的Zeta電位，但設(shè)備較為復(fù)雜。電滲法相比電泳法，裝置簡(jiǎn)單，操作方便，但測(cè)量精度不高，適用于測(cè)量5μm以上帶電顆粒的Zeta電位。與電泳法、電滲法不同，流動(dòng)電位法主要用于了解固-液界面的電荷情況，從而判斷材料表面與水溶液溶質(zhì)的靜電相互作用信息。

參考來(lái)源：

1、秦福元. 基于相位分析光散射的Zeta電位測(cè)量研究[D].山東理工大學(xué),2019.

2、翟雪瑩. 銅粉表面Zeta電位的調(diào)節(jié)以及玻璃包覆銅粉的制備[D].天津大學(xué),2022.

3、王曉燕. Zeta電位實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究及其在廢水處理中的應(yīng)用[D].廣西大學(xué),2017.

4、Shashikant Kamble, Santosh Agrawal, Sandeep Cherumukkil, et al., Revisiting Zeta Potential, the Key Feature of Interfacial Phenomena, with Applications and Recent Advancements, ChemistrySelect, 2022,7,e202103084.

粉體圈Corange整理

本文為粉體圈原創(chuàng)作品，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載，也不得歪曲、篡改或復(fù)制本文內(nèi)容，否則本公司將依法追究法律責(zé)任。