《ISOTR 19997-2018 Zeta电位测试》不确定度和误差来源

摘要：在客户使用PSS公司的Nicomp Z3000设备检测Zeta电位的时候，经常会出现数据波动较大的情况。Zeta电位不是悬浮颗粒的内在属性，取决于颗粒和介质的属性，以及他们之间如何进行的相互作用，且液体中的任何化学和离子组合的变化都会影响这种界面平衡，从而影响Zeta电位。本文阐述了测试Zeta电位的不确定度以及误差来源。

关键词：Zeta电位、不确定度、误差来源

概述

      精密度（使用光学方法时至少连续三次测量，或使用声学方法时至少连续六次测量，在重复条件下或相同起始材料的不同等分）和稳健性（e.g.稀释效应，电压效应等）应用。任何规格都可以是“刚好足够”和“适合用途”，注意到80mV时的1mV变化不适用于0mV左右时1mV的变化，趋势结果通常是系统变化的指标。

     Zeta电位测量对清洁度和少量污染物（如多价离子或浸出物）的存在特别敏感，这可能不会显著影响电导率或pH值。用于稀释或样品制备的任何水的质量都很重要。不能假定来自商业水处理系统的去离子水满足Zeta电位测量的要求。如果可能，该水源应独立于分配器。经认证的标准物质或二次测量物质的测量将确认仪器性能，如存在疑问，应始终进行定期测量（e.g.在可能的情况下，强烈建议制造商或其他指定人员每年进行一次仪表性能验证）。

1. 前样品的遗留污染

     由于冲洗不充分，先前样品的残留物可能留在样品池中，除非样品池为一次性或可更换类型。当在非常高和非常低的离子浓度或明细不同类型的样品之间切换时，冲洗可能不充分。最 好使用专门用于高离子浓度样品测量的单独样品池，或一次性样品池。对于多个相关样品，也建议从低到高离子浓度和从低到高pH值进行测量，以避免遗留污染。

2. 样品制备程序不当

     任何用于上清液或等效悬浮液介质的玻璃或其他容器必须洁净且无离子污染。样品在样品池表面可能存在的吸附也可能影响Zeta电位的测量结果或导致有偏差，避免此问题的一个方法是测样之前用该样品润洗样品池。

3. 不适合电泳光散射测试的样品

     在整个电泳迁移测试过程中，颗粒应悬浮在样品池中且留在光束中。因此，粒子密度决定了用特定方法和仪器设置在特定时间内可以测量的最 大颗粒。毛细管池在粒子沉降出测量区域之前的移动距离非常小，对于沉降颗粒来说，使用毛细管池可获得的测量时间将比使用浸渍池（两个平板电极进入反应池中）短得多。只有在产生足够散射的情况下才能检测到粒子，然后散射确定了给定浓度下可测量的最 小粒子。

     电泳光散射中的相位分析光散射（PALS）法可以测定纳米颗粒的最 低迁移率，由于PALS处理在很大程度上消除结果中的扩散项，布朗运动的影响大大减小。在处理电泳光散射测量数据的过程中，布朗运动的影响也可以从经验上消除。且相位分析法的灵敏度比频谱法高1000倍，这也是目前相位分析法替代频谱法的原因。但PSS公司的Nicomp Z3000设备不仅可以使用相位法测试，也可以使用频谱法测Zeta电位，满足客户更广泛的使用需求，如图1所示。

图1. Zeta电位相位法图谱和频谱法图谱

4. 不适合的液体介质

     介质必须透明且在所用激光的波长下不吸收，粘度不能太高，优选的粘度低于10mPa·s。在检测温度环境下，介质不能显著挥发或蒸发，或所用样品池应能防止介质的显著损失。

5. 参数的错误

     当介电常数、粘度、折射率、温度、电导率和电场等参数不正确时，会引入偏差，要确保仪器测量参数和条件的正确。Nicomp Z3000的Zeta电位参数设置界面如图2所示。

图2. Z3000仪器Zeta电位参数设置界面

     特别是对于非牛顿液体，粘度的合适值难以确定，一种方法是使用“微粘度”。根据这一概念，在非牛顿液体中运动的颗粒会经历“微粘度”，这不同于用经典流变仪测量的“宏观粘度”值。微粘度值取决于组成非牛顿液体的添加剂的粒径与筛孔尺寸之比。如果在特定的实验中施加交流电场，它还取决于粒子运动的频率。

     目前已知的测量微粘度的方法只有一种：测量含有已知尺寸颗粒的分散液。测量技术需要对粘度值敏感。这包括重力沉降、离心、声学和动态光散射（DLS）。测得的原始数据可用于确定粘度值，从而得出已知的颗粒尺寸。这样的粘度值可作为“微粘度”的输入参数，用于测量未知尺寸的样品并测定其Zeta电位。

     使用这种微粘度的方法有几个条件。首先，样品的尺寸范围需要与用于测定微粘度的尺寸相似，这确保颗粒大小与筛孔大小的比率不会发生显著变化。另一种情况与微粘度测量的频率有关。对于非牛顿液体，微粘度与频率有关。不同的Zeta电位测量方法需要不同的微粘度值，因为它们在不同的频率下起作用。例如，微电泳法和电泳光散射法要求在零频率下测量微粘度值，而电声法要求在MHz范围内测量微粘度值。因此，对于微电泳和ELS，可以使用沉降或DLS进行微粘度测量。对于电声学，声学粒度测定用于微粘度测量。

6. 气泡

     在填充过程中或过滤过程中，由于溶解的空气或电化学反应，可形成气泡，例如发生在电极表面的电解。附着在毛细管壁上的气泡会扭曲电场，导致固定层位置的不确定性。附着在电极表面的气泡可能导致电导率测量不准确。轻轻敲击通常可以去除附着在电极或毛细管表面的气泡，识别气泡的存在是最 重要的一步。

7. 根据测定的电泳迁移率计算Zeta电位的理论不当

     虽然Zeta电位是通过测量迁移率来计算的，但用于此计算的适当理论和公式在很大程度上取决于粒子的性质及悬浮环境。对于电动软粒子（e.g.毛茸茸的颗粒或乳状液滴），从商业仪器中的理论导出的Zeta电位可用于比较同一类型的不同样品，但应禁谨慎使用。

8. 二氧化碳

     大气中的二氧化碳溶于水，形成碳酸，然后分解成质子（H+）和碳酸氢根离子（HCO3-）。该反应的平衡受pH值得影响，但也会改变pH值。该系统是自动调节的，去离子水的pH值约为5.6；对于6~8之间的任何初始pH值，该值为真。pH低于6时，初始pH值基本不受CO2影响；pH值高于8时，pH值显著下降。

     这个过程也会影响离子强度，这对于以蒸馏水和去离子水为基础的系统尤为重要。根据氢离子和氢氧根离子的极限离子当量电导率和水的离解常数，确定了纯水在25.8℃时的电导率理论值为0.05μs/cm。

     水吸收周围的CO2会导致电解电导率增加10~30倍，这取决于大气中CO2的含量。例如，据报道：“与大气中CO2平衡的纯水的电解电导率可在0.7~1.3μs/cm，这取决于实验室的大气压，不确定度为±0.2μs/cm；对于12μs/cm的溶液，这相当于电解电导率的相对标准不确定度为±2%…”

Part 9. 外加电场对敏感样品的影响

     在电泳测量过程中，由于电场的应用，存在一些潜在的不利影响。其中一种效应是焦耳或电阻加热，这种效应随着介质的导电性而增加。焦耳加热可以通过遵循制造商关于适当导电范围的建议或通过使用为高导电介质设计的样品池来缓解。高导电性通常指离子强度显著高于约0.1mol/L的水介质。焦耳加热可以产生温度升高和温度梯度，这两种温度升高和温度梯度都会影响Zeta电位测量中的电泳和电渗流动。

     另一个与电流通过样品有关的重要问题是易感样品的潜在变性，如蛋白质和类蛋白质生物分子（e.g. DNA），包括样本（e.g.粒子）表面有生物分子涂层或其他敏感涂层。电场中的氧化还原降解发生在电极表面，可能受电极材料本身的影响，例如，金表面对蛋白质有高度反应性。

     氧化还原相关的降解通常在Zeta电位测量期间表现出特征性和可观察到的效应，如果存在，建议进一步研究。一个可观察到的现象是流体力学尺寸随时间而增加，与这种增加相关的是向更负的Zeta电位值漂移（通常），尤其是对于蛋白质材料。粒径的增加是由于样品或其表面涂层的降解引起的聚集。例如，对于易受氧化还原诱导降解（e.g.柠檬酸稳定颗粒）。在电极表面或其下方出现任何可见的发黑或“生长”是电解降解的明显特征。

     可以考虑降解或变性问题的几种可能的解决方案。包括缩短施加电场的时间、减小电场强度（可能只有在合适的样品池配置下才能实现），使用较低反应性的电极材料（e.g.钯vs黄金），或在观察到显著变化/趋势时同时监测尺寸和停止测量。这些步骤可以缓解或减缓退化问题。

     唯 一能解决这个问题的办法是用所谓的扩散屏障将易受影响的分析物从电极表面分离出来，这种方法只有在封闭的毛细管型样品池中使用才行，在浸池中不适用。这种情况下，首先用与分析物介质匹配的缓冲液填充毛细管，使用注射器针头，一个小的样品塞，然后注入到缓冲填充毛细管的光学测量区。这在塞子两侧形成了一个屏障，防止样品在Zeta电位测量所需的指定时间（分钟）内接触电极，毛细管的长度将影响分析物扩散到电极表面所需的时间。