Zeta电位仪测试简化过程.docx

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Zeta电位仪测试简化过程

Zeta电位仪测试简化过程

1、开启仪器（仪器的开关在设备的后面的右上部位），

将出现“嘟嘟”声，指示仪器已开启，开始初始化步骤；如果仪器完成例程，出现第二次“嘟嘟”声。

将再次听到两次“嘟嘟”声，说明仪器已达到25°C的默认温度。

因为本仪器为632.8激光光源，一般需稳定30分钟

2、点击图标

，启动Zetasizer软件

3、点击软件中File–New-Measurementfile，创建此次测试文件，一经创建，本次测试的结果均自动保存在此文件中，无需另行保存。

4、制备样品

5、将制备的样品注入样品池，粒径分布需1.0ml—1.5ml，Zeta点位测量至少需要1.0ml。

6、将样品池插入仪器中，等待温度平衡

7、点击Start（

），即进行测量。

8、使用光盘拷取数据。

使用注意事项

测量粒径分布

1.测量粒径前，需查知样品分散剂的粘度、折光指数（RefractiveIndex）

2.用卷纸轻轻点拭样品池外侧水滴，切勿用力擦拭，以防将样品池划伤，如发现样品池有划纹，需更换。

3.手尽量避免触摸样品池下端，否则会影响光路。

4.一定要去除样品池内的气泡

5.实验室提供的样品池为聚苯乙烯材质，不可用于测量有机分散体系

6.实验室提供的样品池,测量温度不可高于50摄氏度

7.如需测量有机分散体系或高于50摄氏度，请自带石英比色皿

8.使用滤纸过滤时，舍去过滤后的第一滴样品，以防滤纸上杂质进入样品池

测量时需自带：

卷纸、多个注射器、多个离心管（用于稀释样品）

Zeta电位测量

1、测量粒径前，需查知样品分散剂的粘度、折光指数（RefractiveIndex）、介电常数（Dielectricconstant）

2、用卷纸轻轻点拭样品池外侧水滴，尤其是两个塞子外侧

3、一定要去除样品池内的气泡，尤其是电极上气泡

4、如发现电极变黑，需更换

5、实验室提供的样品池为聚苯乙烯材质，不可用于测量有机分散体系

6、实验室提供的样品池测量温度不可高于70度

7、使用滤纸过滤时，舍去过滤后的第一滴样品，以防滤纸上杂质进入样品池

测量时需自带：

卷纸、多个注射器（5ml）、多个离心管（用于稀释样品）

制备样品—粒径

样品浓度

每个类型的样品材料，有最佳的样品浓度测量范围。

⏹如果样品浓度太低，可能会没有足够的散射光进行测量。

除极端情况外，对该仪器来说一般不会发生。

⏹如果样品太浓，那么一个粒子散射光也会被其它粒离所散射（这称为多重散射）。

⏹浓度的上限也要考虑到：

在某一浓度以上，由于粒子间相互作用，粒子不再进行自由扩散。

粒径

最小浓度（推荐）

最大浓度（推荐）

<10nm

0.5g/l

仅由样品材料相互作用、聚集、胶凝作用等限制

10nmto100nm

0.1mg/l

5%质量（假定密度1g/cm3）

100nmto1μm

0.01g/l（10-3%质量）

1%质量（假定密度1g/cm3）

>1μm

0.1g/l（10-2%质量）

1%质量（假定密度1g/cm3）

小粒子需要考虑的事项

最小浓度

对小于10nm的粒子，决定最小浓度的主要因素是样品生成的散射光强。

实用的角度，这种浓度应生成最低光强为10，000cp/s（10kcps），这样才能超过分散剂的散射。

作为一个指导，水的散射光强应超过10kcp的，甲苯的应超过100kcps。

最大浓度

对小粒径的样品，最大浓度实际上不存在（以进行动态光散射（DLS）测量的术语来说）。

但实际，样品的性质本身会决定此最大值。

例如，样品可能有以下性质：

⏹胶凝作用：

凝胶不适合采用Zetasizer进行测量（这对所有基于动态光散射原理仪器都是事实）

⏹粒子相互作用：

如果粒子之间存在相互作用，那么粒子的扩散常数通常会改变，导致不正确的结果。

应选择某一浓度避免粒子相互作用。

大颗粒需要考虑的事项

最小浓度

即使对大颗粒，知道最小浓度仍然是得到有效散射光强的保障，虽然我们还必须考虑“Numberfluctuation”（数量—波动:

粒子浓度太低导致在光路中的粒子数量随时间较大波动）的附加效应。

例如，如果在低浓度（比如说0.001g/l（10-4%））下测量一个大颗粒（比如说500nm）样品，生成的散射光大于进行测量的所需量。

但是，散射体积中粒子数太小（小于10），在散射体积中会发生严重的粒子数量随时间波动。

这些波动与所用计算方法中假设的类型不符，通常会被错误诠释为样品中的大颗粒。

必须避免此类波动，这决定了所要求浓度的下限和粒子数的下限。

光路中至少应存在500个粒子，但推荐最小量为1000个粒子。

参见下图：

对假定密度为1g/cm3的不同浓度溶液中，每散射体积中粒子数的估算图。

最大浓度

较大颗粒的样品浓度上限，由其引起多重散射的趋势决定。

虽然Zetasizer对多重散射不是十分敏感，但随着浓度增加，多重散射效应越来越占优势，在达到某一浓度时，生成过多的多重散射，会影响测量结果。

当然，如此高的浓度不应用于精确测量，上表中给出了不同粒径粒子最大浓度的粗略估算。

通用规则是，在多重散射和粒子相互作用影响结果之前，以可能的最高浓度进行测量。

可以假定样品中的灰尘污染对高浓度和低浓度是相同的，因此样品浓度增加，从样品得到的散射光强相对灰尘散射光强有所增加。

过滤

用于稀释样品（分散剂和溶剂）的所有液体，应于使用前过滤，避免污染样品。

过滤器的粒径应由样品的估算粒径决定。

如果样品是10nm，那么50nm灰尘将是分散剂中的重要污染物。

水相分散剂可被0.2μm孔径膜过滤，而非极性分散剂可被10或20nm孔径膜过滤。

尽可能不过滤样品。

过滤膜能通过吸附以及物理过滤消耗样品。

只有在溶液中有较大粒径粒子如聚集物时，且它们不是所关心的成分，或可能引起结果改变，才过滤样品。

运用超声波

可使用超声处理除去气泡或破坏聚集物—但是，必须谨慎应用，以便避免损坏样品中的原有粒子。

使用超声的强度和施加时间方面，依赖于样品。

矿物质如二氧化钛，是通过超声探头进行分散的一个理想的例子，但是某些矿物质，如炭黑，的粒径，可能依赖于所应用的功率和超声处理时间。

超声甚至可使得某些矿物质粒子聚集。

乳状液和脂质体不得采用超声处理。

制备样品—Zeta电位

ZetasizerNano中用于Zeta电位测量的光学设置在第15章中讨论。

使用一束激光作为光源，激光被一个分光镜分为一束入射光和一束参考光。

参考光的光强在出厂时设置，通常在2000至3500Kcps之间。

入射光穿过样品池的中央，散射光在向前的角度被检测。

因此总的来说对于Zeta电位测量的样品应该光学透明。

最高和最低样品浓度可依赖于以下因素：

⏹粒子的光学性质

⏹粒子粒径

⏹粒子的分散度

在Zeta电位测量过程中，首先测量参考光的强度，并且显示在Logsheet中。

随后检测散射光强度，并由衰减器调节散射光的强度至参考光源的1/10。

举个例子说，如果参考光源的光强是2600kcps,衰减器将会调节散射光强不高于260kcps.

如第5章所述，仪器中的衰减器有11个位置，覆盖从100%至0.0003%透射率

在Zeta电位测试过程中的最小光强为20kcps，低于此光强测试将中止。

Zeta电位测试中的最低浓度

在Zeta电位测试过程中所需的最小光强为20kcps。

因此最低浓度取决于相对折光指数差（粒子和溶剂间的折光指数差值）和粒子尺寸。

粒子的尺寸越大所产生的散射光越强，所需的浓度也就越低。

举例来说，氧化钛粒子的水性悬浮液。

氧化钛的折光指数为2.5，与水的折光指数差较大，因此有较强的散射能力。

因此对于300nm的氧化钛粒子，最小浓度可以为10-6w/v%。

对于折光指数差很小的样品，比如蛋白质溶液，最低浓度会高很多。

通常最低浓度需要在0.1—1w/v%之间才能有足够的散射光强进行Zeta电位测量。

最终，对于特定样品进行一个成功的Zeta电位测量的最低浓度，应该由试验实际测量得到。

Zeta电位测试中的最高浓度

对于在本仪器的Zeta电位测量的最高浓度没有一个明确的答案。

以上讨论的因素，如粒子的粒径，分散度，样品的光学性质，都应考虑。

Zeta电位测量过程中的散射光在向前的角度收集，因此激光应该能够穿过样品。

如果样品的浓度过高，则激光将会由于样品的散射衰减很多，相应的降低检测到的散射光光强。

为了补偿此影响，衰减器会让更过的激光通过。

最终，样品的浓度范围必须由测定不同浓度下的Zeta电位的试验决定，由此来得到浓度对Zeta电位的影响。

多数样品要求稀释，这个步骤在确定最终测量值中是至关重要的。

对有意义的测量，稀释介质也是非常重要的。

所给出的测量结果，如没有提及所分散的介质，则是没有意义的。

Zeta电位依赖于分散相的组成，因为它决定了粒子表面的特性。

稀释介质

大多数样品的分散相，可以归于两类之一：

⏹介电常数大于20的分散剂被定义为极性分散剂，如乙醇和水。

⏹介电常数小于20的分散剂被定义为非极性或低极性分散剂，如碳氢化合物类、高级醇类。

水相/极性系统

制备样品的目标，是在稀释过程中，保留表面的现存状态。

只有一种方式保证这种情况。

即通过过滤或离心原始样品，得到清澈的分散剂，使用这种分散剂稀释原有浓度样品。

以这种方式，完美地维持了表面与液体之间的平衡。

如果提取上清液是不可能的，那么需让样品自然沉淀，使用上清液中留下的小粒子是比较好好的方法。

使用Smoluchowski理论近似，Zeta电位不是粒径依赖性参数。

另一种方法是尽可能接近地模拟原始介质。

需考虑下述条件：

⏹pH。

⏹系统的总离子浓度。

⏹存在的任何表面活性剂或聚合物的浓度

非极性系统

在绝缘介质如正己烷、异链烷烃中，测量样品是极为不易。

它要求使用universaldipcell（通用插入式样品池）。

因为此样品池较好的化学兼容性以及电极间的狭窄空间，这对于不使用高电压时，生成较高磁场强度是必需的。

这种系统的样品制备，将遵照与极性系统相同样的规则。

由于在非极性分散剂中，通常很少有离子以抑制Zeta电位，所测量的实际值似乎是非常高的，如200或250mV。

在这样的非极性系统中，稀释后样品的平衡呈时间依赖性，平衡时间可超过24小时。

弯曲式毛细管样品池

如下所述填充样品池：

⏹用注射器取至少1ml样品。

⏹将注射器与样品池一端连接。

⏹将样品缓慢注射入样品池①，检查是否除去所有气泡。

如果在样品池端口下形成一个气泡，将注射器活塞拉回，使气泡吸回注射器体，再重新注射。

⏹一旦样品开始从第二个样品端口冒出，插入塞子②。

⏹移去注射器，插入第二个塞子③。

⏹在样品池的透明毛细区域，不应看到任何气泡。

必要时，轻拍样品池以驱逐气泡。

检查样品池电极是否仍然完全被样品淹没。

⏹移去溅在外部电极上的任何液体。

注意：

进行测量之前，必须配置塞子。

粒径测量原理

什么是动态光散射？

ZetasizerNano系列使用称为动态光散射（DLS）的过程进行粒径测量。

动态光散射（也称为PCS—光子相关光谱）测量布朗运动，并将此运动与粒径相关。

这是通过用激光照射粒子，分析散射光的光强波动实现的。

散射光波动

如果小粒子被光源如激光照射，粒子将在各个方向散射。

如果将屏幕靠近粒子，屏幕即被散射光照亮。

现在考虑以千万个粒子代替单个粒子。

屏幕将出现如下所示的散射光斑。

散射光斑由明亮和黑暗的区域组成，在黑暗区域不能监测到光。

什么引起这些明亮区域和黑暗区域？

下图显示粒子散射光的传播的波动。

光的明亮区域是：

粒子散射光以同一相位到达屏幕，相互叠加相干形成亮斑。

黑暗区域是：

不同相位达到屏幕互相消减。

在上例中，我们说粒子是不运动的。

在这种情况下，散射光斑也将是静止的—即散射光斑位置和散射光斑大小都是不变的。

实际上，悬浮于液体中的粒子从来不是静止的。

由于布朗运动，粒子不停地运动。

布朗运动是由于与环绕粒子的分子随机碰撞引起的粒子运动。

对DLS来说，布朗运动的一个重要特点是：

小粒子运动快速，大颗粒运动缓慢。

在Stokes-Einstein方程中，定义了粒径与其布朗运动所致速度之间的关系。

由于粒子在不停地运动，散射光斑也将出现移动。

由于粒子四处运动，散射光的建设性和破坏性相位叠加，将引起光亮区域和黑暗区域呈光强方式增加和减少—或以另一种方式表达，光强似乎是波动的。

ZetasizerNano测量了光强波动的速度，然后用于计算粒径。

诠释散射光波动数据

我们知道，Zetasizer测量散射光的光强波动，并用于计算样品中粒径—但它如何进行工作的呢？

在仪器中有一个部件叫数字相关器。

在一段时间，一个相关器基本上测量了两个信号之间的相似程度。

如果我们将在某一时间点（比如说时间=t）将散射光斑特定部分的光强信号，与极短时间后（t+δt）的光强信号相比较，我们将发现，两个信号是非常相似的—或是强烈相关的。

然后，如果我们比较时间稍提前一点（t+2δt）的原始信号，这两个信号之间仍然存在相对良好的比较，但它也许不如t+δt时良好。

因此，这种相关性是随时间减少的。

现在考虑在“t”时的光强信号与随后更多时间的光强信号—两个信号将互相没有关系，因为粒子是在任意方向运动的（由于布朗运动）。

在这种情况下，可以说这两个信号没有任何相关。

使用DLS，我们可处理非常短的时间标度。

在典型的散射光斑模式中，使相关关系降至0的时间长度，处于1—10毫秒级。

“稍后短时”（δt）将在纳秒或微秒级。

如果我们将“t”时的信号强度与它本身比较，那么我们得到完美的相关关系，因为信号是同一个。

完美的相关关系为1，没有任何相关关系为0。

如果我们继续测量在（t+3δt）,（t+4δt）,（t+5δt）,（t+6δt）时的相关关系，相关关系将最终减至0。

相关关系对照时间的典型相关关系函数如下所示。

使用相关函数得到粒径信息

相关关系函数如何与粒径相关？

我们早先提到，正在做布朗运动的粒子速度，与粒径（粒子大小）相关（Stokes-Einstein方程）。

大颗粒运动缓慢，小粒子运动快速。

这对散射光斑有什么效应？

如果测量大颗粒，那么由于它们运动缓慢，散射光斑的强度也将缓慢波动。

类似地，如果测量小粒子，那么由于它们运动快速，散射光斑的密度也将快速波动。

下图显示了大颗粒和小粒子的相关关系函数。

可以看到，相关关系函数衰减的速度与粒径相关，小粒子的衰减速度大大快于大颗粒的。

在测量相关函数后，可以使用这个信息计算粒径分布。

Zetasizer软件使用算法，提取针对一系列粒径类别的衰减速度，以得到粒径分布。

典型粒径分布图如下所示。

X轴显示粒径类别分布，而Y轴显示散射光的相对强度。

因此，这称为光强度分布。

虽然由DLS生成的基础粒径分布是光强度分布，但使用米氏理论，可将其转化为体积分布（volumedistribution）。

也可进一步将这种体积分布转化为数量分布（Numberdistribution）。

但是，数量分布的运用有限，因为相关方程采集数据中的小错误将导致数量分布的巨大误差。

Intensity（光强）、Volume（体积）和Number（数量）分布

光强、体积和数量分布之间有什么差别？

说明光强、体积和数量分布之间差异的简单方式，是考虑只含两种粒径（5nm和10nm）、但每种粒子数量相等的样品。

下面第一个图显示了数量分布结果。

可以预期有两个同样粒径（1:

1）的峰，因为有相等数量的粒子。

第二个图显示体积分布的结果。

50nm粒子的峰区比5nm（1:

1000比值）的峰区大1000倍。

这是因为，50nm粒子的体积比5nm粒子的体积（球体的体积等于4/3π（r）3）大1000倍。

第三个图显示光强度分布的结果。

50nm粒子的峰区比5nm（1:

1000比值）的峰区大1,000,000倍（比值1:

1000000）。

这是因为大颗粒比小粒子散射更多的光（粒子散射光强与其直径的6次方成正比—（得自瑞利近似）。

需要再说明的是，从DLS测量得到的基本分布是光强分布—所有其它分布均由此生成。

ZetasizerNano操作—粒径测量

典型的DLS系统由6个主要部件组成。

首先是激光器

，用于提供照射样品池

内样品粒子的光源。

大多数激光束直接穿过样品，但有一些被样品中的粒子所散射。

一个检测器

用于测量散射光的强度。

由于粒子向所有方向散射光，将检测器置于任何位置都是（理论上）可能的，都可以监测到散射。

对于ZetasizerNano系列，依赖于仪器的型号，检测器位置将置于173°或90°。

散射光强必须在检测器的特定范围，以便成功进行测量。

如果监测到太多的光，那么检测器可能会过载。

为克服这个问题，使用一个“衰减器

”，降低激光强并因此降低散射光的光强。

⏹对散射少量光的样品，如极小粒子或较低浓度样品，必须增加散射光量。

在这种情况下，衰减器允许更多激光穿过样品。

⏹对散射更多光的样品，如大颗粒或较高浓度样品，必须降低散射光量。

这是通过使用衰减器降低穿过样品的激光量实现的。

在测量过程中，Zetasizer自动确定衰减器的适当位置。

将检测器的散射光强信号传递至数字信号处理板，此板称为相关器

。

相关器在连续时间间隔内比较散射光强，得到光强变化的速率。

然后将相关器信息传递至计算机

，此处Zetasizer软件将分析数据并得到粒径信息。

173°检测光学构造—背散射检测

ZetasizerNanoS和ZS可测量接近180°的散射信息。

这称为背散射检测。

背散射检测运用了称为NIBS（非侵入背散射）的专利技术。

为什么测量背散射？

测量背散射有几个优点：

⏹因为测量背侧散身，入射光束没有必要穿过整个样品。

因为光只需穿过样品的较短路径长度，因此可以测量较高浓度的样品。

⏹这降低了称为多重散射的效应；在多重散射中，来自一个粒子的散射光本身是其它粒子散射的。

⏹与样品粒径比较，分散剂中的灰尘等污染物比较大。

大颗粒主要在前进方向散射。

因此，通过测量背散射，可大大降低灰尘效应。

⏹多重散射效应在180o最小—同样，这允许测量较高浓度样品。

可移动透镜

在ZetasizerNano系统内，可移动透镜允许改变样品池内的聚焦位置。

这允许测量更大范围的样品浓度。

对小粒子或较低浓度样品，使样品的散射量最大化是有利的。

因为激光穿样品池壁并进入分散剂，样品池壁会引起“闪光”。

这种闪光可能覆盖散射信号。

将测量点移离样品池壁，移向样品池中心，将消除这些效应。

大颗粒或较高浓度样品散射更多的光。

在这种情况下，距离样品池壁较近的测量，将降低多重散射效应。

在这种情况中，样品池壁的闪光将具有较少影响。

与散射信号比较，任何闪光强度都会按比例降低。

测量位置由Zetasizer软件自动确定。

90°检测光学构造—经典装置

ZetasizerNano仪器范围中已包括90°型号即ZetasizerNanoS90和ZS90，提供与其它有90°检测光学构造的系统的连续性。

这些模型不使用可移动测量装置，但使用“经典的”固定为90°的监测设置，即检测器和激光以样品池区中心为90°排列。

这种配置降低了这些型号的可检测粒径范围。

对测量范围，请参见附录A中的规格表。

Zeta电位测量原理

ZetasizerNano系列通过测量电泳迁移率并运用Henry方程计算Zeta电位。

通过使用激光多普勒测速法（LDV）对样品进行电泳迁移率实验，得到带电粒子电泳迁移率。

在随后的几节说明这些技术。

Zeta电位和双电层

粒子表面存在的净电荷，影响粒子界面周围区域的离子分布，导致接近表面抗衡离子（与粒子电荷相反的离子）浓度增加。

于是，每个粒子周围均存在双电层。

围绕粒子的液体层存在两部分：

一是内层区，称为Stern层，其中离子与粒子紧紧地结合在一起；另一个是外层分散区，其中离子不那么紧密的与粒子相吸附。

在分散层内，有一个抽象边界，在边界内的离子和粒子形成稳定实体。

当粒子运动时（如由于重力），在此边界内的离子随着粒子运动，但此边界外的离子不随着粒子运动。

这个边界称为流体力学剪切层或滑动面（slippingplane）。

在这个边界上存在的电位即称为Zeta电位。

Zeta电位的大小表示胶体系统的稳定性趋势。

胶体系统是：

当物质三相（气体、液体和固体）之一，良好地分散在另一相而形成的体系。

对这种技术，我们对两种状态感兴趣：

固体分散在液体中和液体分散在液体中即乳剂。

如果悬浮液中所有粒子具有较大的正的或负的Zeta电位，那么他们将倾向于互相排斥，没有絮凝的倾向。

但是如果粒子的Zeta电位值较低，则没有力量阻止粒子接近并絮凝。

稳定与不稳定悬浮液的通常分界线是：

+30mV或-30mV。

Zeta电位大于+30mV正电或小于-30mV负电的粒子，通常认为是稳定的。

影响Zeta电位的最重要因素是pH。

没有引用pH值的Zeta电位值，本身实际上是没有意义的数字。

想象悬浮液中的一个粒子，具有负Zeta电位。

如果在这个悬浮液中加入更强碱，那么粒子将倾向于得到更多负电荷。

如果在这个悬浮液中加入酸，将达到某一点，负电荷被中和。

进一步加入酸，则导致在表面产生正电荷。

因此，Zeta电位对照pH的曲线，在低pH时是正电的，而在高pH时较低正电或是负电的。

曲线通过零Zeta电位的点，叫做等电点（isoelecticpoint），在实际应用过程中是非常重要的。

正常情况下它就是胶体系统最不稳定的点。

Zeta电位对照pH的典型图示如下。

电动学效应

在粒子表面存在电荷的重要结果，是它们在所施加的电场影响下呈现一定效应。

这些效应被集体定义为电动效应。

依赖于哪种运动的方式被诱导，有四种明显的效应。

他们是：

⏹电泳：

在所施加的电场影响下，带电粒子相对于其悬浮液体的运动。

⏹电渗：

在所施加的电场影响下，液体相对于静止的带电表面的运动。

⏹泳动电位：

当液体被迫流过静止的带电表面时所产生的电场。

⏹沉降电位：

当带电粒子相对于静止液体运动时产生的电场。

电泳

当电场施加于电解质时，悬浮在电解质中的带电粒子被吸引向相反电荷的电极。

作用于粒子的粘性力倾向于对抗这种运动。

当这两种对抗力达到平衡时，粒子以恒定的速度运动。

粒子的速度依赖于下述因素：

⏹电场或电压梯度的强度。

⏹介质的介电常数。

⏹介质的粘度。

⏹Zeta电位。

电场中粒子的速度通常指的是电泳迁移率。

已知这个速度时，通过应用Henry方程，我们可以得到粒子的Zeta电位。

亨利（Henry）方程是：

⏹z:

Zeta电位.

⏹UE:

电泳迁移率

⏹ε:

介电常数

⏹η:

粘度

⏹?

（Ka）:

Henry函数

有两个值通常用于f（Ka）测定的近似，即1.5或1.0。

通常在水性介质和中等电解质浓度下进行Zeta电位的电泳测定法。

在这种情况下f（Ka）是1.5，即Smoluchowski近似。

因此，对适合Smoluchowski模型的系统，即大于0.2微米的粒子分散在含大于10-3摩尔盐的电解质溶液中，可由此中算法直接从迁移率计算Zeta电位。

Smoluchowski近似用于弯曲式毛细管样品池和通用插入式样品池的水相样品。

对较低介电常数介质中的小粒子，f（Ka）为1.0，允许同样的简单计算。

这通常指Huckel近似。

非水相