Zeta电位仪测试简化过程.docx

1、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25C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 - Measurement file，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1.0 ml1.5 ml，Zeta点位测量至少需要

2、1.0 ml。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（Refractive Index）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

3、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（Refractive Index）、介电常数（Dielectric constant）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（

4、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） 1m0.1g/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10，00

5、0cp/s（10 kcps），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

6、们还必须考虑“Number fluctuation”（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0.001 g/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1 g/cm3的不同浓度溶液

7、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

8、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0.2m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

9、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Zetasizer Nano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Log sheet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

10、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

11、粒子，最小浓度可以为10-6 w/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0.11w/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

12、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

13、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universal dip cell（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

14、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250 mV。 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，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。 移去注射器，插入第二个塞子

15、。 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？ Zetasizer Nano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

16、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

17、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。Zetasizer Nano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+t）的光强信号相比较，我们将发现

18、，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+2t）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+t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110毫秒级。 “稍后短时”（t）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。

19、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+3t）, （t+4t）, （t+5t）, （t+6t）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。

20、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（volume distribution）。 也可进一步将这种体积分布转化为数量分布（Number distribution）。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。

21、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4/3（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

22、,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。Zetasizer Nano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Zetasizer Nano系列，依赖于仪器的型号，检测器位置将置于173或90。

23、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Ze

24、tasizer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Zetasizer Nano S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

25、 同样，这允许测量较高浓度样品。可移动透镜在Zetasizer Nano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Zet

26、asizer Nano仪器范围中已包括90型号即Zetasizer Nano S90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Zetasizer Nano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

27、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（slipping plane）。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）

28、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

29、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（isoelectic point），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。

30、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 : 介电常数 : 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