一、什么是Zeta電位？

圖1. 帶電顆粒的電勢分布

      顆粒表面帶電的狀態(tài)首先取決于顆粒材料表面的官能團和化學結構，不同化學結構和電負性的官能團將直接影響顆粒表面的電荷種類和數(shù)量。然而跟粉末顆粒懸浮在空氣中不同，懸液中的顆粒一般周邊的介質是極性的溶液（比如水），這就意味著離子和電荷可以實現(xiàn)相對自由的移動，這樣緊密吸附的電荷會使顆粒在溶液中形成一個超過顆粒表面界限的雙電層：嚴密層和滑移層。在滑移層內，所有顆粒將會受靜電作用一起移動，滑移層以外則看作溶液環(huán)境，因此將顆粒滑移層位置的電勢值稱為Zeta電位，帶正電的顆粒電勢為正值，而帶負電的顆粒電勢值為負值，電勢值值越大，則說明顆粒表面電荷密度越高。

二、檢測Zeta電位的意義？

      既然Zeta電位是反映顆粒表面電荷密度的指標，在同一懸液中化學組分相同的顆粒一般都帶有相同種類的電荷，這就意味著顆粒表面的電荷密度越高，Zeta電位越大，顆粒間的電荷排斥力也越大，顆粒越不容易發(fā)生凝聚。雖然一個體系的穩(wěn)定性取決于多種作用方式，例如靜電排斥力、范德華吸引力、位阻效應等等，但是作為重要的相互作用力之一，Zeta電位現(xiàn)在已經(jīng)成為衡量懸液體系中顆粒凝聚穩(wěn)定性的一個重要指標。通常而言對于足夠小的顆粒懸浮體系（不考慮沉降效應），當Zeta電位超過30 mV，那么在熱力學理論上是穩(wěn)定性較好的，更多的應用是通過檢測不同環(huán)境和配方下體系的Zeta電位進行比較，優(yōu)化出的方案。

      Zeta電位測量技術已經(jīng)被廣泛的應用于工業(yè)和科研各個領域，比如陶瓷生產(chǎn)領域，我們需要測量陶瓷漿料的Zeta電位來考察漿料的存儲穩(wěn)定性；在生物制藥領域，我們需要測試蛋白溶液的Zeta電位以盡量避免蛋白大分子的團聚；而在水處理領域則恰恰相反，需要加絮凝劑并將其電位調節(jié)到等電點附近，從而讓其變得更容易絮凝沉淀以便去除水中的顆粒雜質。

圖2. 較高的Zeta電位有利于維持體系的穩(wěn)定（左）

較低的Zeta電位下顆粒可能團聚穩(wěn)定性較差（右）

       Zeta電位既然如此重要，那我們如何才能得到一個懸液體系準確的Zeta電位數(shù)據(jù)呢？在《Zeta電位的前世今生二》中，將跟大家詳細介紹Zeta電位的測量技術。

三、如何檢測Zeta電位？

 Zeta電位是反映懸液中顆粒表面帶電性質的重要參數(shù)，對乳液、凝膠、懸液等體系穩(wěn)定性研究有重要指導意義。那如何測量懸液中顆粒的Zeta電位呢？現(xiàn)在市面上有很多種技術都可以實現(xiàn)電位測試，比如動態(tài)圖像電泳法、超聲波電泳技術等，但相對為成熟的方法還是電泳光散射技術，其主要測試原理如下：

圖1. 顆粒的電泳和Henry方程

我們知道，對于一個帶電的顆粒，如果我們將其置于一個已知強度的電場中，由于電場力的存在，帶電粒子就會在電場中進行電泳運動，其中正電荷往負極走，負電荷往正極走。根據(jù)Henry方程，在單位電場條件下，顆粒的電泳遷移率將會直接正比于顆粒的Zeta電位。換句話說，只要能夠準確測量帶電粒子在電場中移動的速度，就可以通過Henry方程得到顆粒的Zeta電位。但對于微觀顆粒其尺寸非常小，移動速度又相對較慢，因此常規(guī)的測試方法要想準確測得顆粒的移動速度將會面臨較大挑戰(zhàn)，而電泳+光散射的方式，則恰恰可以較好地解決這個問題。根據(jù)光學多普勒效應，一束光照射到一個移動的物體上，散射光的頻率將會發(fā)生變化，物體移動越快，則反射波頻率變化越大，通過測量散射光頻率的變化，即可得到顆粒的移動速度，從而計算出顆粒的Zeta電位。

圖2. 多普勒效應

      雖然其理論上已經(jīng)相對成熟，但要真正實現(xiàn)Zeta電位的準確測試還是會面臨很多實際問題和挑戰(zhàn)。比如由于顆粒移動速度相對較慢，顆粒移動引起的光波頻率變化只有幾十到幾百赫茲，而本身一束激光的頻率在1014赫茲左右，這就意味著這個頻率變化非常小，很難準確測到。還有待測顆粒非常小，很多都在納米級別，這也就意味著散射光信號非常弱，而弱信號對噪音和擾動非常敏感等等。應對于這些難點和測試需求，丹東百特儀器有限公司在BeNano系列儀器中采取了一系列新的技術和設計，比如采用現(xiàn)在先進的拍頻+相位分析技術，就是來解決頻率變化很小這個難題的。通過使用高靈敏度的APD雪崩光電二極管代替常規(guī)的PMT檢測器來增加弱信號的靈敏度，同時各種光纖和光路補償技術的應用極大的優(yōu)化了光路穩(wěn)定性，大大拓展了其應用領域和效果。

圖3. 電泳光散射光路示意圖

      這樣，一臺技術先進、結果準確的Zeta電位儀器就研發(fā)出來了，但是要想真正讓其發(fā)揮大的作用，實驗過程和條件也缺一不可。畢竟顆粒可能懸浮在不同的液體環(huán)境中，其本身電位會受多種環(huán)境因素，比如溶液pH值、電導率、組成成分及濃度等影響。

四、影響Zeta電位的因素有哪些？

1、pH值對電位數(shù)據(jù)的影響

      將10mg聚丙烯酰胺乳膠球樣品分散在10mL純凈水中得到母液，通過添加鹽酸和氫氧化鈉調節(jié)樣品pH值，并在不同pH值下檢測其Zeta電位，結果如下：

圖1. 不同pH值下樣品的Zeta電位曲線

      通過曲線可以看到，在pH 2-9范圍內，隨著pH降低，樣品Zeta電位從較高的負值向0趨近。這是由于溶液環(huán)境中的[H+]濃度隨pH降低逐漸增高，樣品表面的負電逐漸被中和，趨向于攜帶更多的正電荷造成的。

2、電導率對電位數(shù)據(jù)的影響

      采用Duke的聚苯乙烯乳膠球作為研究對象，通過加入不同濃度的氯化鈉水溶液來配置一系列不同電導率的乳液，測試其Zeta電位，結果如下：

圖2. 不同電導率下樣品的Zeta電位曲線

      從上圖中可以看到隨著電導率的變大（mS/cm），Zeta電位值呈變小的趨勢。這是因為在溶液中離子強度與鹽的價態(tài)和濃度相關。鹽的價態(tài)越高，濃度越高，離子強度越高，對于顆粒表面電勢屏蔽作用越強，顆粒的Zeta電位相應的越低。

3、組成成分濃度變化對電位數(shù)據(jù)的影響

      采用一款納米金剛石粉末作為原料，然后將該粉末分別懸浮在含有不同濃度的乙醇胺的水溶液中，在相同條件下分別測試該金剛石顆粒的Zeta電位，數(shù)據(jù)如下：

      通過上表可以看出，在加入不同量的乙醇胺的環(huán)境中，樣品的Zeta電位有明顯差別。3個樣品的Zeta電位均為負值，說明納米金剛石在這三個環(huán)境中均攜帶負電荷。分散在水中的1#樣品的電導率較低，其Zeta電位在-20mV以上相對較高，而分散在醇胺溶液中的2#和3#樣品電導率高于水，Zeta電位明顯降低。說明乙醇胺的存在明顯對金剛石表面電荷有抑制作用，濃度越高，其體系也越不穩(wěn)定。