DTSZetaTraining(CH).

ZETASIZERNANO系列Zeta电位培训课程课程提纲Zeta电位基础理论样品制备和数据解释实际操作Zeta电位基础理论45胶体介绍物质的三态：气、固、液如果其中一相很细的分散在另一相中，我们称为胶体体系胶体体系举例气溶胶（aerosols）–细小液滴或微小固体颗粒分散在气体中(雾、烟)乳状液(emulsions)–细小的油滴分散在水相中(牛奶)反相乳状液(inverseemulsions)–细小水滴分散在非水相中(原油)胶体悬浮液(solsorcolloidalsuspensions)–微小颗粒分散在液相中(漆,泥浆)胶体体系举例凝胶(gels)–大分子分散在液相中胶束(associationcolloids)–表面活性剂分子在水中集合成胶束a)颗粒分散体b)高分子溶液生物高分子，聚合物溶液固体悬浮液(混染料颗粒的塑胶)固液胶体悬浮液(泥浆，漆，牙膏)气固体气溶胶(粉体，灰尘，烟雾)固体乳液(澳宝，珍珠)乳状液(牛奶，蛋黄浆)液体气溶胶(雾，喷雾)固体泡沫(扩张的塑料)泡沫(气泡，剃须膏)固液气分散相(颗粒)连续相(介质)胶体体系胶体体系在分散体中的颗粒可能生成聚合体而变成大颗粒沉淀新形成的集合体称为絮状物（FLOC），其过程称为絮凝（FLOCCULATION）-其过程是可逆的(DEFLOCCULATION)如果集合体变成更紧密的聚合体，其过程称为凝结（COAGULATION）–其过程是不可逆的凝结造成分散体系不稳定的机理絮凝沉降沉降凝结稳定体系絮凝胶体稳定性:DLVO理论在1940年代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华作用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，互吸力将使颗粒进一步接近并不可逆的粘在一起胶体稳定性:DLVO理论如果颗粒有足够高的互斥力，它们之间不会生成絮凝(胶体稳定)如果没有互斥机理，絮凝与凝结终究会发生(胶体不稳定)胶体稳定性:DLVO理论维持胶体稳定性如欲维持胶体稳定，互斥力必须占主导有两种影响胶体稳定的基本机理:•位阻排斥•静电排斥影响胶体稳定的机理位阻稳定–加入到体系中的大分子在颗粒表面的吸附造成互斥位阻稳定仅需要加入合适的大分子但以后如需要产生絮凝则很困难大分子成本高并可能产生副作用(如当瓷器的胚子中有很多高分子，在培烧时会收缩而生成缺陷)静电或电荷稳定–源自于带电颗粒的相互作用影响胶体稳定的机理静电或电荷稳定改变系统中的离子浓度可影响体系的稳定或絮凝是可逆过程成本很低Zeta电位可很好的指示颗粒间作用强度从而它的测量可用来预测胶体系统的稳定性表面电荷的来源大部分水相中的胶体体系带一定的电荷基于颗粒的本性与周围介质，表面电荷可起源于不同的原因让我们看一下最重要的机理表面电荷来源：表面基团的离解颗粒表面任何酸性集团的离解会使表面带上负电颗粒表面任何碱性集团的离解会使表面带上正电电荷的多少取决于表面酸碱的强度与溶液的pH表面电荷来源：表面基团的离解COOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOOHCOO-COO-COO-COO-COO-COO-H+H+H+H+H+H+酸基团的离解表面电荷来源：表面基团的离解碱基团的离解OHOHOHOHOHOHOH-OH-OH-OH-OH-OH-++++++当AgI的晶体分散在水中时，如果等同量的Ag+离子与I-离子溶解，表面是中性的但实际上，有更多的Ag+离子溶解，造成带负电的表面表面电荷的来源：晶格中不同离子的离解度AgIAgIAgIAgIAgIAgIAgIAgII-I-I-I-Ag+Ag+Ag+Ag+I-I-表面电荷的来源:晶格中不同离子的离解度表面电荷的来源:带电离子与离子表面活性剂的吸附表面活性剂离子可被吸附在颗粒表面阳离子表面活性剂会造成带正电的表面阴离子表面活性剂会造成带负电的表面RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+RNH3+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-阳离子表面活性剂表面电荷的来源:带电离子与离子表面活性剂的吸附RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-RSO3-H+H+H+H+H+H+H+表面电荷的来源:带电离子与离子表面活性剂的吸附阴离子表面活性剂双电层在颗粒表面的电荷变化会影响离子在界面的分布，造成表面周围平衡离子的浓度增加这样，在每一颗粒周围生成一个双电层什么是Zeta电位?Zeta电位是与一个颗粒在某一特定介质中所带的总电荷有关确切地来说,是颗粒在剪切面处的电位与颗粒表面与分散介质有关微小的pH或离子浓度变化可能会产生很大的zeta电位变化剪切面的位置变化也会影响Zeta电位{Sternlayer剪切面扩散层--1000mV到颗粒表面的距离表面电位Stern电位Zeta电位Zeta电位与分散体系的稳定性Zeta电位可用来作为胶体体系稳定性的指示如果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,从而达到整个体系的稳定性如果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,从而达到整个体系的不稳定性分散稳定性与Zeta电位一般来说,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线一般认为在+30mV或-30mV如果所有颗粒都带有高于+30mV或低于-30mV的zeta电位,则该分散体系应该比较稳定影响Zeta电位的因素分散体系的Zeta电位可因下列因素而变化:pH的变化溶液电导率的变化某种特殊添加剂的浓度,如表面活性剂,高分子测量一个颗粒的zeta电位作为上述变量的变化可了解产品的稳定性，反过来也可决定生成絮凝的最佳条件Zeta电位与pH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Zeta电位与pH假定在悬浮液中有一个带负电的颗粒假如往这一悬浮液中加入碱性物质，颗粒会得到更多的负电假如往这一悬浮液中加入酸性物质，在一定程度时，颗粒的电荷将会被中和进一步加入酸，颗粒将会带更多的正电Zeta电位与pHZeta电位对pH作图在低pH将是正的，在高pH将是负的这中间一定有一点会通过零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影响Zeta电位的因素:pH2468101-60-40-200204060等电点ZetaPotential(mV)pH2稳定稳定不稳定Zeta电位与电导率双电层的厚度与溶液中的离子浓度有关，可根据介质的离子强度进行计算离子强度越高，双电层愈压缩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Zeta电位与电导率无机离子可有两种方法与带电表面相作用非选择性吸附.对于等电点没有影响选择性吸附.会改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Zeta电位与添加剂浓度研究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提供有用的信息样品中已知杂质对zeta电位的影响可作为研制抗絮凝的产品的有力工具产品配方研究不同成分在配方中的效果稳定性试验预测长期稳定性,取决于药物颗粒的高Zeta电位减少试验配方的次数Zeta电位应用:药漆中的色素颗粒必须达到很好的分散从而形成具有正确颜色的光滑漆面由于低Zeta电位而造成的色素聚集体会改变漆的光泽,表面结构,甚至颜色Zeta电位应用:漆造纸,采矿,乳制品工业中的废水中的大颗粒一般通过过滤与沉淀来去除小颗粒必须通过凝聚形成大团粒才能被去除关键在于减低Zeta电位从而凝聚可发生Zeta电位应用:废水处理动电学效应表面电荷的存在使得颗粒在一外加电场中呈现某些特殊效应这些效应总称为动电学效应根据引入运动的方式，有四种不同的动电学效应动电学效应电泳: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表面的液体运动流动电势:当液体流过静止表面时所产生的电场沉降电势:当带电颗粒在静止液体中流动时所产生的电场测量Zeta电位:电泳在一平行电场中,带电颗粒向相反极性的电极运动颗粒的运动速度与下列因素有关:电场强度介质的介电常数已知参数介质的粘度Zeta电位电泳UE=2ezf(ka)3hz=zeta电位(mV)UE=电泳迁移率(mmcm/sec/V)e=介电常数(eoer)(F/m)h=粘度(Poise)f(ka)=Henry函数Zeta电位与电泳迁移率之间由Henry方程计算Henry函数f(ka)k的单位是长度的倒数，1/k=双电层厚度(德拜长度)a=颗粒半径ka=颗粒半径与双电层厚度之比非极性介质Henry函数f(ka)Hückel近似f(ka)=1.0Smoluchowski近似f(ka)=1.5a1/k极性介质a1/kk-1=((eoerkBT)/(2000e2IN))0.5eo=真空介电常数er=液体的相对介电常数kB=波尔兹曼常数T=绝对温度e=单位电荷（库伦）I=离子强度(mol/L)N=阿伏加得罗常数在水相298K时:k-1=0.304/(I)0.5(nm)计算德拜长度I=½SCiZi2Ci=某种离子的浓度Zi=离子价电解质可根据其离子的价位来分类NaCl是1:1的电解质AlCl3是3:1的电解质计算离子强度计算离子强度1:11:2or2:12:21:3or3:13:32:3or3:2电解质I=½[C12+C12]=CI=½[2C12+C22]=3CI=½[C22+C22]=4CI=½[3C12+C32]=6CI=½[C32+C32]=9CI=½[3C22+2C32]=15C离子强度双电层厚度0.960.550.480.390.320.253.041.761.521.241.020.789.615.554.813.923.202.4830.417.615.212.410.27.8596.155.548.139.232.024.830417615212410278.596155548139232024810-110-210-310-510-410-610-71:11:2,2:12:21:3,3:13:32:3,3:2电解质浓度(M)ka与f(ka)的关系ka0123451025100f(ka)1.0001.0271.0661.1011.1331.1601.2391.3701.4601.50测量电泳迁移率在样品池两端加一电场早期的电泳测量用显微镜直接观察颗粒的运动现代方法用激光与信号处理方法Malvern’sZetasizer系列用电泳光散射的方法测量电泳迁移率用电泳光散射测量Zeta电位电泳光散射用多普勒效应来测量带电颗粒在电场中的运动由于颗粒的运动，散射光有频率位移用电泳光散射测量Zeta电位颗粒运动速度V=0散射光与入射光有相同的频率F1F1颗粒运动速度V0v散射光与入射光有不同的频率F2F1用电泳光散射测量Zeta电位由于可见光的频率极高(1014Hz),散射光的频率位移只能用光混合或相干涉技术来测量在仪器中用来自于同一光源的一对相互干涉的光束其中一束光通过颗粒样品（称为主光束）另一束光（称为参考光）绕过样品池被主光束照射的颗粒散射光，此散射光与参考光混合起来而进入探测器光强度是如何变化的F1F2参考光F1与散射光F2光强度是如何变化的F2F1波的干涉产生光束的调谐波，这一调谐波有很低的频率，称为“拍差频率”，等于F1与F2的频率差F1=-fF2这两个波相增（在A）或相消（在B）BAA参考光F1与散射光F2在探测器上接受到的是此一“拍差频率”此相干频率聚焦在探测器上决定多普勒位移的符号多普勒位移的符号是由比较拍差频率与参考频率来决定的参考频率是通过振动镜子法来调制两束光中的一束光来产生的在外加电场中的颗粒运动将产生与参考频率不同