在不同的應用領域中，對于分散體系的穩定性和分散性的要求各不相同，比如在3D打印領域，為了保證打印效果，漿料的穩定性指標要求漿料能長期儲存而不沉淀；在生物制藥領域，需要盡量避免蛋白大分子的團聚，以保持其藥物的生物活性；而在水處理領域則恰恰相反，需要加絮凝劑，使其中細小的懸浮顆粒和膠體物質失穩，促使絮凝沉淀，以便去除水中的顆粒雜質。因此，衡量分散體系穩定性在許多領域的生產、處理過程中都具有關鍵意義。為了表征和調控分散體系的穩定性，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影響溶液內離子分布的變化，進而引起電勢的變化。根據目前應用最廣泛的描述溶液中微粒帶電性質的理論——Stern雙電層理論，當帶電粒子處于一個含有離子的溶液中時，帶電粒子表面會吸附相反電荷，形成擴散雙電層，接近粒子表面的相反離子被牢固吸附，構成吸附層。遠離的相反離子則松散結合，構成擴散層。當帶電粒子運動時，擴散層中有一部分粒子隨顆粒一起做布朗運動，一部分則分散在溶液中，不隨顆粒運動，將擴散層中動與不動的界面稱為滑移面，此處的電位即為Zeta電位。

帶負電懸浮粒子的電勢分布

Zeta電位為何能表征分散體系穩定性？

了解完Zeta電位是什么，再來看看它為什么能夠表征分散體系的穩定性。根據Derjaguin等提出的膠體穩定理論（DLVO理論）：當顆粒相互接近時，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存在能量障礙而分散開，當顆粒有足夠的能量克服此障礙時，互吸力將會使他們牢牢地結合在一起。

DLVO理論

當粒子的Zeta電位絕對值很高，即帶有很多負的或正的電荷，顆粒間的互斥力也很高，使得分散體系達到穩定分散的狀態。相反，當粒子的Zeta電位絕對值很低時，顆粒所帶的正或負電荷很少，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合，從而達到整個體系的不穩定性。

Zeta電位與膠體穩定性的關系

利用這個原理，除了可評估分散體系的穩定性外，還可用于評價粉體包覆改性的效果，當對粉體進行改性時，改性劑會電離成離子吸附于顆粒表面，是顆粒表面形成雙電層結構，通過對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電位值如何測量？

Zeta電位一般無法直接測量，但分散體系中存在電泳、電滲、沉降電勢、流動電勢幾種電動現象，利用這些電動現象，Zeta電位測量方法可分為電泳法、電滲法和流動電位法等

1、電泳法

電泳是指在外加電場作用下，帶電的分散相粒子在分散介質中向相反符號的電極移動的一種現象，電泳法是目前應用最廣泛的一種顆粒Zeta電位測量方法，并根據不同測量需求擴展了多種測量方法。

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，本質是將顆粒的電泳速度測量問題轉化為散射光頻移測量問題。帶電顆粒在外加電場作用下發生定向移動，當光束照射到顆粒上時，就會引起光束頻率或相位發生變化，且顆粒運動速度越快，光的頻率變化的也越快。因此通過測量光信號的頻率變化可以間接測出顆粒的電泳速度，從而計算得到Zeta電位。這種方法的測量速度快、統計精度高、重現性好，但由于在高濃度樣品中，散射光的路徑較為復雜，且電泳遷移率也較低，導致往往需要增加電場強度來增加多普勒頻移，減少測量時間，因此電泳光散射法較適用于檢測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動，從而得到每一個顆粒的遷移率，再計算得到每個顆粒的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點，且可以得到每個顆粒的Zeta電位，但只適用于測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

（來源：網絡）

（3）相位分析光散射法

相位分析光散射法是對電泳光散射技術的改進，這種方式是利用分數器將激光分成兩束，兩束激光分別經布拉格盒調制后，通過反射鏡和小孔交叉入射到樣品池，再利用計算系統測量散射光信號關于參考光信號的相位移即可測量顆粒Zeta電位等信息。

由于相位分析光散射法在短時間內即可探測到足夠的散射光信號相位差，可以有效檢測極低電泳遷移率樣品的Zeta電位信息，從而實現了對于等電點附近樣品及高鹽濃度下樣品的準確Zeta電位檢測。

結合動、靜態光散射及相位分析光散射法的ZETA電位儀及其光路系統

（來源：丹東百特）

2、電滲法

電滲是指這樣一種現象：在外電場作用下，由于多孔固體（膜）吸附溶液中的正負離子，使溶液相對帶電，溶液會相對于和它接觸的靜止的固體相（粉體顆粒）運動。單位場強下，液體流動的速度則為電滲速度。電滲法就是基于電滲原理測量顆粒Zeta電位的方法，當電滲測量裝置的電極接入直流電流時，因電滲作用，毛細管中液體會發生移動，根據液體移動速度即可得到顆粒的Zeta電位。

電滲法相比電泳法，裝置簡單，操作方便，但是在實際測量過程中對毛細管中液體體積讀數存在較大的主觀因素，且受到毛細管干燥程度的影響，導致測量精度較低、測量范圍小，較適于測量大于5μm的細微顆粒。

電滲法原理及其測量裝置

3、流動電位法

流動電位是電滲的逆過程，在外力作用下，迫使液體通過多孔膜或毛細管做定向流動，帶電表面雙電層的擴散層中的離子也會隨之移動，形成電流，從而在毛細管或多孔介質兩端產生電位差。流動電位法就是通過測量流動電勢來確定膜表面的 zeta 電位。

流動電位法原理及其測量裝置

與電泳法、電滲法不同，流動電位法對于固體材料的外表面敏感，可以探測具有復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、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的靜電相互作用信息，比如在醫療器械領域，有助于評估生物醫療器械與生物體內液體的相互作用和生物相容性。目前市面上擁有此技術的企業較少，法國cad和安東帕兩家企業就在其中。

基于流動電位的Zeta電位儀（來源：安東帕）

小結

因Zeta電位值代表了帶電離子表面的的電位情況，可通過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定性。

根據分散體系中的電動現象，可通過電泳法、電滲法、流動電位法幾種方式間接測量Zeta電位值，電泳法中電泳光散射法測量精度高、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電泳光散射法的改進，可以快速測得高濃度下帶電顆粒的Zeta電位，但設備較為復雜。電滲法相比電泳法，裝置簡單，操作方便，但測量精度不高，適用于測量5μm以上帶電顆粒的Zeta電位。與電泳法、電滲法不同，流動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的靜電相互作用信息。

參考來源：

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

2、翟雪瑩. 銅粉表面Zeta電位的調節以及玻璃包覆銅粉的制備[D].天津大學,2022.

3、王曉燕. Zeta電位實時在線監測系統的研究及其在廢水處理中的應用[D].廣西大學,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.

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