如何测量zeta电位.docVIP

医药配方中的ZETA电位 Clive Washington,英国诺丁顿大学药学系 尽管粒度专家技师们对颗粒的尺寸和测量很熟悉，但是zeta电位的概念很少得到广泛的理解和应用。这很遗憾，因为它在决定颗粒材料的特性中与粒度测量一样至关重要，特别是对那些小于微米的胶体颗粒。Zeta电位与颗粒表面的电荷有关，并影响胶体材料的许多特性，例如稳定性、与电解质的相互作用和悬浮液的流变性。 什么是zeta电位? 当颗粒浸入一种液体时，很多原因会引起颗粒的表面带上电荷。 一些最常见的带电机理包括：颗粒表面吸附带电的表面活性剂（如在由离子型表面活性剂稳定的乳化液中）, 固体晶格失去离子（在照相感光乳剂中使用的银色卤化物颗粒）和表面基团的离子化（聚合物微球中的羧酸盐）。这些过程产生的表面电荷密度，用库伦/平方米表示，这是表达表面电荷的基本方法。电荷不能直接测得，只能通过颗粒产生的电场来测量。因此表面电荷通常由颗粒的表面电位来描述，而不是电荷密度，尽管他们通常可以相互换算。与表面电位不同，Zeta电位是距离颗粒表面一定距离处的电位。在最简单的近似计算中，电位的衰减与颗粒表面距离呈指数函数关系。（见图1）如我们所见，衰减率取决于电解质溶液的组成。 如何测量zeta电位? 到目前为止，我们还没有对zeta电位进行定义，为此我们需要理解它的基本测量方法——电泳。对许多熟悉利用此法进行高分子分离的人来说，颗粒电泳也是一个类似现象。悬浮于介质中的颗粒被置于一电场中；如果带电他们会在电场产生流动，阳性颗粒朝负极流动，阴性颗粒朝正极流动。然而，颗粒并不是独自流动，他们周围会携带一薄层离子和溶剂。这一分离固定媒介与移动颗粒及其携带的离子和溶剂的界面叫做流体剪切面，而zeta电位正是这一界面的电位。因此zeta电位可以通过测量颗粒在已知电场中的流速来测定。早期的测量仪器（Rank微电泳仪）通过充满误差，慢速度的手动方法观察颗粒。幸运地是我们现在有了一系列的利用移动颗粒中的散射光多普勒位移测量此速率的新仪器—Zetasizer系列。现代信号复元技术能够可靠的测量颗粒移动中的微小变化(在1015赫兹中仅仅几十赫兹) ，并自动计算样品中zeta电位的分布。大多数系统在水介质中的这一值在±100mV范围内。 图1 图2 Zeta电位与电解质 Zeta电位的主要用途之一就是研究胶体与电解质的相互作用。由于许多胶质,特别是那些通过离子表面活性剂达到稳定的胶质是带电的，它们以复杂的方式与电解质产生作用。与它表面电荷极性相反的电荷离子 (抗衡离子)会与之吸附，而同样电荷的离子（共离子）会被排斥。因此，表面附近的离子浓度与溶液中与表面有一定距离的主体浓度是不同的。（如图 2所示）。靠近表面的抗衡离子的积聚屏蔽了表面电荷，因而降低了zeta电位。离子可以根据他们与液体表面的相互作用简单的分为三类： 非选择离子是指那些仅通过纯粹的静电方式被吸附在表面的离子，是一个非特定吸附的过程。如果我们通过这类离子的浓度函数测量胶质的zeta电位，会发现离子的屏蔽效应逐渐降低了zeta电位（非表面电位）,这条渐近线在高电解质浓度时趋于零(图 3a)。 图3 特定吸附离子与表面产生化学相互作用，例如与表面基团络合。由于他们的浓度增加，从而屏蔽了zeta电位，但是由于离子浓度的增加，表面的化学键合(与静电截然不同)引起了大量的离子吸附于原来的颗粒使电荷产生中和并发生逆转。（见图3b）在这样的体系中，我们看到在电荷逆转前在某一特定的电解质浓度中有一个零电荷点(PZC)。 电位决定离子 (PDI)是特定吸附粒子的特例；这一术语通常专指那些在任何过程中引起颗粒带电的离子。例如，大多数聚合体微球带电是因为它们表面有羧酸盐；这些基团的离子化导致其带电，所以H+是这一表面的PDI。同样，Ag+ 和I- 是碘化银颗粒的PDI。特定吸附离子和电位决定离子的区别经常会被混淆，特别是在那些没有完全理解其表面化学的体系中。 胶质现象的主要应用领域是了解稳定性和絮凝效果。这些现象最简单的模型直接由图3产生，这就是DLVO 理论(Deryaguin-Landau-Verwey-Overbeek) 。 这一理论简单的说明了胶体的稳定性是由范德华吸引力和表面电荷电斥力达到平衡来实现的。如果zeta电位降到某一水平之下，胶体会由于吸引力而聚合。相反的，高zeta却保持了稳定的体系。电斥力和范德华力正好达到平衡时的电解浓度称为临界絮凝浓度或CFC(见图4)。非选择离子引起了zeta电位在高浓度时的连续下降，所以我们看到一个单独的CFC，胶体在更高浓度的电解质中也都凝聚。相反，特定吸附离子引起的电荷逆转足够使胶体重新稳定。在这种情况下，我们可以看到一个高位和低位的CFC，它们之间有一个不稳定的区域。 图4 研究zeta电位 前述的讨论向我