Zeta电位概念及检测原理浅析

一、Zeta电位的概念

Zeta电位是一个表征分散体系稳定性的重要指标。粒子表面存在的净电荷，影响粒子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。根据Stern双电层理论可将双电层分为两部分，即内层区和外层分散区（又称Stern层和扩散层）。在内层区离子与粒子紧紧地结合在一起；在外层分散区，离子不那么紧密的与粒子相吸附。在分散区内，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会随着粒子运动。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。

上述描述用通俗的语言表述就是：带电颗粒吸附分散系中的反相电荷的粒子，颗粒表面的离子被强力束缚，距离较远的离子则形成一个相对松散的电子云，电子云的内外电位差就叫Zeta电位。Zeta电位也称电动电位（只有当胶体颗粒在介质中运动时才会表现出来），实际上就是扩散层的电位差。

二、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:

1. pH 的变化

2. 溶液（分散剂）电导率的变化

3. 特殊添加剂及其浓度

Zeta电位与pH值

影响zeta电位重要的因素是pH值，当谈论zeta电位时不指明pH值没有意义。假设悬浮液中有一个带负电的颗粒，往这一悬浮液中加入碱性物质，颗粒更难以得到正电。如果往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。用Zeta电位与pH值作相关曲线图，在低pH值点将是正的，在高pH值点将是负的，曲线有一点会通过零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不稳定的。电位滴定法可用于测定样品的等电点。电位滴定图可以显示Zeta电位与pH值之间的关系变化。它说明可以通过酸或碱的调节，可以优化胶体产品的运输和储存。

Zeta电位与分散剂电导率（离子强度）

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。例如：对于表面带负电荷的纳米颗粒，当加入大量NaCl、CaCl2等电解质时，电解质中与反离子相同的电荷的排斥作用把更多反离子压入滑动面，导致纳米颗粒的带电量变小，Zeta电位绝对值变小更容易导致团聚。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+)有更多的双电层压缩。

无机离子可有两种方法与带电表面相作用：

A、非选择性吸附.对于等电点没有影响

B、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

特殊的添加剂会对胶体的zeta电位产生影响。研究不同的添加剂浓度对胶体zeta电位的影响，可以为研发稳定配方的产品提供科学依据。

备注：以上论述都是建立在相对简化的体系上的，并不是认定pH和电导率（离子强度）都是越大越好或者越小越好。只是讨论了一个趋势，以供大家分析问题时作为参考。

三、Zeta电位的测量

由上图的Henry方程可以看出，Zeta电位与电泳淌度之间由Henry方程关联，只要测得粒子的淌度，查到介质的粘度、介电常数等参数，就可以求得Zeta电位。开始测量粒子淌度时，是在分散体系两端加上电压，用显微装置观测。这种方法逐渐由现代仪器取代。

动态散射光纳米粒度仪检测zeta电位的大致原理为：通过电化学原理将Zeta电位的测量转化成带电粒子淌度的测量，而粒子淌度的测量则是通过动态光散射，运用入射光波的多普勒效应测得。

多普勒效应测量原理：用波照射运动着的物体,运动物体反射或散射波,由于存在多普勒效应,反射或散射波将产生多普勒频移,利用产生频移的波与本振波进行混频再经过适当的电子电路处理即可得到运动物体的运动速度.。因此，在电场作用下运动的粒子，当激光打到粒子上时，散射光频率会有变化。散射光与参考光叠加后频率变化表现得更为直观，更容易观测。将光信号的频率变化与粒子运动速度联系起来，即可测得粒子的淌度，进而计算出Zeta电位。

小结：在纳米材料领域，Zeta电位之重要，主要体现在两个方面：

1、判断纳米颗粒表面电荷的性质（正负），用于指导进一步的改性、修饰等等。

2、判定、指导改善分散体系中纳米颗粒的稳定性。

Zeta电位的重要意义在于它的数值与胶态分散的稳定性相关，是对颗粒之间相互排斥或吸附的强度的度量。分子或分散粒子越小，Zeta电位的绝对值（正或负）越高，体系越稳定。当Zeta电位（正或负）越低，胶体越倾向于凝结或凝聚，即吸引力超过了排斥力。Zeta电位与体系稳定性之间的大致关系如下表所示。

Zeta电位的主要用途之一就是研究胶体中颗粒与电解质的相互作用。由于许多胶质，特别是那些通过离子表面活性剂达到稳定的胶质是带电的，它们以复杂的方式与电解质产生作用。Zeta电位可以帮助我们了解在不同的体系中滑动层电位的变化即胶体纳米粒子表面实际带电量的多少。如果纳米颗粒整体带有电荷量少,它的Zeta电位绝对值很低，则纳米颗粒会倾向于相互吸引，从而使整个体系变得不稳定。Zeta电位的测量对了解分散机理，研究静电分散控制也非常重要。因此，在墨水染料、生物医药、纳米材料和水处理等诸多领域，Zeta电位都是非常重要的参数。