纳米粒子溶液的ζ电势测量引 言 ζ电势是对颗粒之间相互排斥或吸引力的强度的度量，它的数值与粒子分散的稳定性密切相关。分子或分散粒子越小，ζ电势（正或负）越高，体系越稳定，即溶解或分散可以抵抗聚集。反之，ζ电势（正或负）越低，越倾向于凝结或凝聚。 本标准文本概述了样品准备以及用动态光散射激光粒度仪测量溶液中纳米粒子的ζ电势大小。 纳米粒子溶液的ζ电势测量 Measuring the ζ potential of nanoparticle solutions 1.术语和定义 1.1 双电层：当固体与液体接触时，固体从溶液中选择性地吸附某种离子，或由于固体分子本身的电离作用使离子进入溶液，以致固液两相分别带有不同符号的电荷，在界面上形成了双电层结构。 1.2 ζ电势：在电场作用下，固液之间发生电动现象时，相对运动边界处与液体本体之间的电势差。 1.3 DLVO理论：粒子在溶液中的稳定性取决于它的总位能VT，它包括由于溶剂产生的位能VS，以及范德华吸引位能VA和双电层引起的静电排斥位能VR。 2.原理[1] 在DLVO理论中，VT=VS+VA+VR，其中 A表示Hamaker常数，D表示粒子间距离。 a表示粒子半径，π表示溶剂的渗透性，κ是离子组成的函数，ζ表示ζ电势。 DVLO理论表明胶体系统的稳定性由范德华吸引和粒子间双电层的排斥力之和决定。这个理论提出两个粒子彼此靠近需要克服一个势垒，如果粒子有足够多的能量克服这个势垒，吸引力就会使它们产生紧密而不可逆的聚集。 在电解质溶液上加一个电场，带电粒子会朝电荷相反的方向移动。黏滞力阻止带电粒子的运动，当这两种相反的力平衡时，带电粒子做匀速运动。运动速率取决于电场强度，介质的介电常数和ζ电势。 根据亨利方程（Henry equation），ζ电势与电泳迁移率相关 UE表示电泳迁移率，z表示ζ电势，ε表示介电常数η表示粘度，f(κa)表示Henry方程。κ称为德拜长度，是长度的倒数，κ-1通常取双电层厚度的测量值。a表示粒子的半径，因此κa表示离子半径和双电层厚度的比值。用电泳测定ζ电势通常在溶液中进行，在这种情况下f(κa)=1.5，这是根据Smoluchowski近似。因此，根据迁移率计算ζ电势的需要符合Smoluchowski模型，即大于0.2µm的粒子分散在含有10-3mol·L-1以上盐浓度的电解质。 对于分散在低介电常数的小粒子，f(κa)小于1.0，这是根据Huckel近似。经典微电泳系统的本质就是带有两个电极的微电池，粒子向电极运动，测量它们的速率，单位电位梯度的速率即电迁移率。 马尔文系列的仪器所采用的测电迁移率的技术为激光多普勒速度测量和相分析光散射相结合的技术，称为M3-PALS。ζ电势的测量系统由六部分组成。Ζ电势测量过程中首先是照射粒子的激光，入射光通过样品池的中央，在13°处检测散射光。当在样品池上加一个电场时，在测量体积中移动的粒子引起散射光强度的涨落，其频率与粒子速度成正比。 3.仪器 本实验中所用的仪器为英国马尔文仪器有限公司（Malvern Instruments Ltd）生产的ζ电势。 4.试剂 待测样品，所选择的溶剂（通常是水溶液）、超纯水、0.2µm孔径滤膜、镜头纸 5.样品制备 5.1 首先要选择合适的溶剂对样品进行稀释，溶液的pH值、盐浓度会影响测量结果。 5.2 其次要对样品进行适当地稀释，可测量几个不同稀释倍数，选择较好的结果，保证不同样品的稀释倍数相同。 5.3 对稀释好的溶液用合适孔径的滤膜过滤。 5.4 使用专用的测量电势的样品池，清洗干净后将样品用注射器转移进去，盖上盖子。 6.测量步骤[2] 6.1 打开仪器，预热30min，使激光稳定。 6.2 设置测量温度。一般实验在25.0℃下进行，测量前，将温度调至25.0℃，保温2min。 6.3 每个样品测量3次，以保证实验的可重复性。测量时间应根据仪器的情况以及样品的粒径大小和散射特征来决定。 7.参考文献 [1] ‘Measuring the Size of Nanoparticles in Aqueous Media Using Batch-Mode DLS', Assay Cascade Protocols, Frederick National Lab, Nanotechnology Characterization Laboratory, ncl.cancer.gov. [2] ‘Zeta sizer Nano Series User Manual', Malvern Instruments Ltd. 2003,2004. 国家纳米科学分析报告
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