Zeta電位分析的核心技術(shù)基于電泳光散射(Electrophoretic Light Scattering, ELS)或激光多普勒技術(shù)。其基本原理如下：

1.電場驅(qū)動(dòng)與粒子運(yùn)動(dòng)：將樣品置于裝有電極的樣品池中。施加一個(gè)已知強(qiáng)度的電場，樣品中帶電荷的顆粒會(huì)因靜電作用力(庫侖力)向相反電荷的電極方向移動(dòng)，此現(xiàn)象稱為電泳;

2.激光照射與散射光頻移：一束激光照射在移動(dòng)的顆粒上，顆粒散射激光。根據(jù)多普勒效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)顆粒散射光的頻率會(huì)相對(duì)于入射光發(fā)生微小的偏移(頻移);

3.信號(hào)檢測與相位分析：儀器通過高靈敏度的探測器(通常是光電倍增管或雪崩光電二極管)檢測散射光信號(hào)。利用互相關(guān)光譜或快速傅里葉變換(FFT)等技術(shù)分析散射光頻率的微小變化(相位差)。Zeta電位分析儀光路示意圖如圖1所示;

4.速度計(jì)算與Zeta電位轉(zhuǎn)換：通過檢測到的頻移或相位差，精確計(jì)算出顆粒在單位電場強(qiáng)度下的平均移動(dòng)速度，即電泳遷移率(μ)。最后，利用亨利(Henry)方程(如Smoluchowski近似或Hückel近似，需考慮介質(zhì)粘度、介電常數(shù)、溫度等參數(shù))將電泳遷移率轉(zhuǎn)換為Zeta電位(ζ)。

圖1 Zeta電位分析儀光路示意圖

Zeta電位的基本理論

要真正的弄清楚Zeta電位的基本原理，首先需要理解一下雙電層理論。

那什么是雙電層呢?

我們知道，熱運(yùn)動(dòng)使液相中的離子趨于均勻分布，帶電表面則排斥同號(hào)離子并將反離子吸引至表面附近，溶液中離子的分布情況由上述兩種相對(duì)抗的作用的相對(duì)大小決定。根據(jù)斯特恩的觀點(diǎn)，一部分反離子由于電性吸引或非電性的特性吸引作用(例如范德瓦耳斯力)而和表面緊密結(jié)合，構(gòu)成吸附層(或稱斯特恩層)。其余的離子則擴(kuò)散地分布在溶液中，構(gòu)成雙電層的擴(kuò)散層。由于帶電表面的吸引作用，在擴(kuò)散層中反離子的濃度遠(yuǎn)大于同號(hào)離子，離表面越遠(yuǎn)，過剩的反離子越少，直至在溶液內(nèi)部反離子的濃度與同號(hào)離子相等。

如圖1所示，最左側(cè)的“surface charges”可看成分散在水中的固體粒子的表面電荷。懸浮在水中的粒子，其表面的帶電基團(tuán)總是傾向于吸引溶液中帶相反電荷的離子(即"反離子")。但所有的離子都具有熱能，所以它們會(huì)不停地運(yùn)動(dòng)。所以離子一方面在靜電作用下被吸引到粒子表面，另一方面在熱擴(kuò)散的作用下遠(yuǎn)離粒子表面，這兩種作用的凈效果是所有離子在顆粒表面獲得某種平衡分布，這種平衡分布也就是形成了離子云。值得注意的是，圖中有一層反離子被畫成與粒子表面直接接觸，即它們處于所謂的緊密層(Condensed layer)中，而另外的反離子被畫成是擴(kuò)散的，即處于所謂的擴(kuò)散層(Diffuse layer)中。緊密層和擴(kuò)散層相接的地方存在一個(gè)滑移層(處于距離緊密層朝外方向很短的地方)，大致地我們可以這樣認(rèn)為：粒子在水中運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，滑移層左側(cè)的離子都能跟隨粒子一起運(yùn)動(dòng)，而其右側(cè)的粒子則沒有那么"死心塌地"地跟它走，所以兩者之間會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)。在此處，Zeta電位指的就是水相中固體粒子的滑動(dòng)面相對(duì)于遠(yuǎn)處(即離子平衡處)的電位(Electrical potential)，這個(gè)電位通過儀器是可以實(shí)際測到的。

圖1 雙電層模型示意圖

因此，納米顆粒本身帶不帶電荷或者帶什么電荷并不重要，重要的是，如果Zeta電位儀檢測得到的是正值，就說明納米顆粒整體表現(xiàn)出來的是正電荷，我們稱之為納米顆粒表面帶正電;如果Zeta電位儀檢測得到的是負(fù)值，就說明納米顆粒整體表現(xiàn)出來的是負(fù)電荷，我們稱之為納米顆粒表面帶負(fù)電荷。

此外，Zeta電位的重要意義在于它的數(shù)值與膠態(tài)分散的穩(wěn)定性相關(guān)。如圖2所示，清晰的揭示了Zeta電位的大小與體系穩(wěn)定性之間的大致關(guān)系。Zeta電位是對(duì)顆粒之間相互排斥或吸引力的強(qiáng)度的度量。分子或分散粒子越小，Zeta電位的絕對(duì)值(正或負(fù))越高，體系越穩(wěn)定，即溶解或分散可以抵抗聚集。反之，Zeta電位(正或負(fù))越低，越傾向于凝結(jié)或凝聚，即吸引力超過了排斥力，分散被破壞而發(fā)生凝結(jié)或凝聚。

圖2 Zeta電位與體系穩(wěn)定性的關(guān)系

Zeta電位的測試方法

經(jīng)過長時(shí)間的探索發(fā)展，目前測量Zeta電位的方法主要包括電泳法、電滲法、流動(dòng)電位法和流動(dòng)電流法等，下面筆者將對(duì)其進(jìn)行展開介紹。

3.1 電泳法

電泳法是將待測液注入兩端加有電壓的電泳池中，然后用激光多普勒測速法測量膠體粒子遷移速度，再根據(jù)Zeta電位和移動(dòng)速率的關(guān)系，從而計(jì)算出待測溶液的Zeta電位。

那么，什么是電泳呢?

所謂電泳，是帶電粒子在外電場的作用下相對(duì)于其懸浮液體(例如，水)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。再簡單講，就是在液體樣品兩端加了外電場之后，液體中帶正電的粒子會(huì)朝外電場的負(fù)極移動(dòng)，帶負(fù)電的粒子會(huì)朝外電場的正極移動(dòng)。如圖3所示，帶正電的氫氧化鐵膠體，經(jīng)過一段時(shí)間的電泳，負(fù)極段的顏色就會(huì)深。

圖3 Fe(OH)3膠體的電泳現(xiàn)象

對(duì)于電泳法，目前最常見的測試儀器是基于多普勒電泳光散射原理的Zeta電位儀，它利用多普勒電泳光散射原理, 通過測量光的頻率或相位的變化間接測出顆粒的電泳速度。

這類Zeta電位儀主要由激光源、衰減器、樣品室、檢測器、數(shù)字信號(hào)處理器、相關(guān)器和計(jì)算機(jī)等組成，其基本工作原理見圖4.首先，激光通過電子束分裂器分成基準(zhǔn)光束和入射光束，其中基準(zhǔn)光為多普勒效應(yīng)提供參考光束，入射光則通過衰減器進(jìn)入樣品室。當(dāng)光束照到運(yùn)動(dòng)的顆粒時(shí)，就會(huì)引起光束頻率或相位發(fā)生變化，檢測器將此信號(hào)傳送到數(shù)字信號(hào)處理器和相關(guān)器，進(jìn)而傳送到計(jì)算機(jī)。

圖4 多普勒電泳光散射Zeta電位儀的結(jié)構(gòu)

3.2 電滲法

3.3 流動(dòng)電位法

對(duì)纖維或填料表面的Zeta電位的檢測是其最常見的應(yīng)用之一，故而為了使介紹更為清晰明了，筆者以此為例來說明Zeta電位測量中的流動(dòng)電位法。

如圖5所示，是其基本的工作方式。圖中該儀器利用真空將纖維懸浮液吸向?yàn)V網(wǎng)而在濾網(wǎng)上形成纖維墊，然后測定裝置于纖維墊兩端的一對(duì)電極之間的電位差(篩網(wǎng)本身常常被用作其中一個(gè)電極)。纖維墊兩側(cè)施加一定真空壓時(shí)的電位值與不施加真空壓時(shí)的參考電位值進(jìn)行對(duì)比。

圖5 纖維表面Zeta電位測量示意圖

3.4 流動(dòng)電流法

流動(dòng)電流法的基本原理是：在機(jī)械外力的作用下，待測液沿毛細(xì)管壁流動(dòng)，而擴(kuò)散層的反離子隨待測液一起流動(dòng)，并在管的一端聚集，通過測量該過程中形成的流動(dòng)電流得到Zeta電位。該信號(hào)非常微弱，通常利用放大裝置對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大，然后經(jīng)過同步整流器和靈敏度調(diào)整，測得流動(dòng)電流信號(hào)，因而后續(xù)的信號(hào)處理具有一定的復(fù)雜性。

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Zeta電位的影響因素

Zeta電位具有如此重要的意義，然而在許多情況下，一些膠體粒子的電動(dòng)行為并沒有像經(jīng)典電動(dòng)理論所預(yù)測的那樣，隨著離子強(qiáng)度的增加，Zeta電位的絕對(duì)值持續(xù)下降，此外還存在利用不同的實(shí)驗(yàn)技術(shù)測得的同一物質(zhì)的Zeta電位也不同的情況。基于此，筆者從內(nèi)因和外因的角度分別總結(jié)了Zeta電位測量過程中的影響因素。

4.1 內(nèi)因

影響Zeta電位的內(nèi)因主要指分散體系本身的性質(zhì)對(duì)Zeta電位的影響。

pH：影響Zeta電位最重要的因素是pH，當(dāng)談?wù)揨eta電位時(shí)，pH是不可忽視的因素。Zeta電位對(duì)pH作圖在低pH將是正的，在高pH將是負(fù)的，這中間一定有一點(diǎn)會(huì)通過零Zeta電位，這一點(diǎn)稱為等電點(diǎn)，是相當(dāng)重要的一點(diǎn)，通常在這一點(diǎn)膠體是最不穩(wěn)定的。

如圖6所示，在懸浮液中有一個(gè)帶負(fù)電的顆粒，往這一懸浮液中加入堿性物質(zhì)，顆粒會(huì)得到更多的負(fù)電;但若往這一懸浮液中加入酸性物質(zhì)，在一定程度時(shí)，顆粒的電荷將會(huì)被中和;進(jìn)一步加入酸，顆粒將會(huì)帶更多的正電。

圖6 納米顆粒表面電荷來源

電導(dǎo)率：雙電層的厚度與溶液中的離子濃度有關(guān)，可根據(jù)介質(zhì)的離子強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，離子強(qiáng)度越高，雙電層愈壓縮同，離子的化合價(jià)也會(huì)影響雙單層的厚度，例如三價(jià)離子(Al3+)將會(huì)比單價(jià)離子(Na+)更多的壓縮雙電層。

無機(jī)離子可有兩種方法與帶電表面相作用：對(duì)于等電點(diǎn)沒有影響的非選擇性吸附和會(huì)改變等電點(diǎn)的選擇性吸附。即使很低濃度的選擇性吸附離子,也會(huì)對(duì)Zeta電位有很大的影響，有時(shí)選擇性吸附離子甚至?xí)斐深w粒從帶負(fù)電變成帶正電,從帶正電變成帶負(fù)電。

此外，樣品中的不同添加劑濃度對(duì)樣品的Zeta電位也會(huì)產(chǎn)生很大的影響，研究樣品中的添加劑濃度對(duì)產(chǎn)品Zeta電位的影響可為研發(fā)穩(wěn)定配方的產(chǎn)品提供有用的信息，研究樣品中已知雜質(zhì)對(duì)Zeta電位的影響可作為研制抗絮凝的產(chǎn)品的有力工具。

4.2 外因

影響Zeta電位的外因主要指一些外在的干擾，比如人為因素或Zeta電位儀的精度對(duì)Zeta電位的影響等。

電滲運(yùn)動(dòng)：影響測量精度的主要因素，它與電泳運(yùn)動(dòng)方向相反，極大地影響電泳速度測量的真實(shí)性。因此，測量時(shí)必須有效地剔除由于電滲運(yùn)動(dòng)所引起的誤差。根據(jù)膠體化學(xué)的有關(guān)論述，只有當(dāng)測量在所謂“穩(wěn)定層”上進(jìn)行時(shí)，體系的電滲運(yùn)動(dòng)速度才可為零，理論上，這時(shí)得到的結(jié)果才是電泳運(yùn)動(dòng)的速度。

交叉污染：由于Zeta電位對(duì)于體系的離子環(huán)境十分敏感，因此交叉污染對(duì)于電化學(xué)測量的影響巨大。樣品池和電極若清洗不干凈，其表面帶有殘留電荷后，容易吸附樣品，并增大引入樣品交叉污染的可能性。

展寬：Zeta電位的測量實(shí)際上就是對(duì)體系電泳運(yùn)動(dòng)速度的測量。這個(gè)過程中，樣品顆粒電泳率不均勻所造成的非均勻性拓寬以及由于顆粒布朗運(yùn)動(dòng)速度與電泳運(yùn)動(dòng)速度疊加所造成的擴(kuò)散拓寬，都會(huì)造成多普勒頻移線拓寬，進(jìn)而降低測量分辨率，影響測量結(jié)果的精度。

信噪比與溫度變化：高信噪比是儀器高性能的根本保證，其中激光器功率大小就是一個(gè)關(guān)鍵的影響因素。對(duì)于低電泳遷移率或極稀體系的樣品，低功率激光器在測量時(shí)產(chǎn)生的低散射強(qiáng)度會(huì)使系統(tǒng)的信噪比降低，影響測量結(jié)果的可靠性。溫度變化會(huì)引起某些體系粘度以及布朗運(yùn)動(dòng)劇烈程度的變化，進(jìn)而影響Zeta電位的測量結(jié)果。

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應(yīng)用分析

正如前面提到的，Zeta電位的測量使我們能夠詳細(xì)了解分散機(jī)理，因而其在釀造、陶瓷、制藥、藥品、礦物處理和水處理等各個(gè)行業(yè)應(yīng)用廣泛。

目前，包括艾滋病毒在內(nèi)的病毒性疾病的傳播治療是一個(gè)緊迫的問題，在當(dāng)今醫(yī)學(xué)中用于治療免疫缺陷疾病的藥物普遍具有合成復(fù)雜以及副作用多的問題。因此，人們對(duì)來自天然來源(植物來源)的化合物(包括多酚)作為合成抗病毒物的替代品這一途徑非常感興趣。

而其中，單寧屬于植物的次生代謝產(chǎn)物，具有多種生物活性，包括抗病毒活性。Szymon[1]等人研究了人血清白蛋白(HSA)與兩種鞣花單寧的相互作用，發(fā)現(xiàn)將單寧添加到蛋白質(zhì)中會(huì)導(dǎo)致Zeta電位略有增加(圖7)。

值得注意的是，在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，沒有研究單寧和有研究單寧的HSA的Zeta電位值是相同的，說明在研究化合物的存在下，人血清白蛋白表面結(jié)構(gòu)無明顯變化，保持穩(wěn)定。這項(xiàng)工作揭示了Zeta電位分析在藥物領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖7 加入單寧時(shí)的Zeta電位

膜技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)應(yīng)用中，包括水凈化，制藥，生物技術(shù)，石化和紡織等。膜的一般作用是從各種溶液中分離，純化，濃縮或去除物質(zhì)，例如微生物，細(xì)顆粒，蛋白質(zhì)，核酸，糖，其他有機(jī)物和礦物溶質(zhì)。膜表面的電荷效應(yīng)較為復(fù)雜，對(duì)電荷行為的詳細(xì)檢查可提供對(duì)溶質(zhì)-溶液-表面機(jī)理相互作用的更多了解，從而可以更好地理解后續(xù)的膜工藝性能。Matthew[2]等人研發(fā)了一種全新的測定膜表面Zeta電位的方法，用于測量超濾，納濾和反滲透膜的表面電荷。

如圖8所示，使用切向流電勢和激光多普勒電泳評(píng)估了PTFE膜的Zeta電位。可以看到，PTFE膜在低pH范圍內(nèi)帶正電，然后隨著pH的增加而迅速變?yōu)樨?fù)，等電點(diǎn)在pH 為5左右。在較高的pH值(7.5)下，膜的Zeta電位穩(wěn)定在約-20 mV。該工作證實(shí)了激光多普勒電泳是通過確定膜表面Zeta電位來表征膜表面電荷的合適方法。與傳統(tǒng)方法相比，該技術(shù)具有多個(gè)優(yōu)勢，其將方法擴(kuò)展到覆蓋帶正電的表面，這使該新技術(shù)能夠跨越膜表面電荷表征所需的整個(gè)測量范圍。

  圖8 未改性PTFE膜的Zeta電勢