界達電位量測原理介紹，固態樣品表面電位(surface zeta potential)量測方法與實踐

目錄 1.界達電位Zeta potential是什麼?   a.界達電位的正負號有什麼意義?   b.界達電位Zeta potential的大小受到什麼影響?又有什麼意義?   c.界達電位量測基礎概念 2.界達電位實際量測中會產生的電氣滲透流是什麼   a.解析界達電位:森岡本公式   b.量測界達電位時解析電滲流的好處   c.補充-解析界達電位量測中電滲流的森岡本公式 3.高鹽度下的界達電位 ＊影片【10分鐘了解Zeta Potential】 4.固體表面電位量測基礎概念   a.固體表面電位的實際量測   b.固體表面電位理論計算   c.ELSZneo固體表面電位樣品容器組裝影片 5.固體表面電位實際應用

 

界達電位Zeta potential是什麼?

溶液中的粒子透過離子的吸附，粒子表面的水合及官能團的解離等方式帶電，為了中和電荷，符號相反的離子聚集在粒子周圍，形成電雙層。
當施加電場時，粒子與吸附在粒子表面的離子層在與電荷相反的方向進行電泳運動。
此時粒子與溶液之間的邊界稱為滑動面，此處的電位稱為界達電位。

界達電位Zeta potential的正負號有什麼意義?

值得一提的是界達電位不等於表面電位，代表的是微粒子在該溶液環境下，粒子本身帶電後與溶劑中離子相互吸引後整體的電性。
舉例來說粒子本身是帶負電的，但如果溶液環境中充斥大量正離子，也有可能讓界達電位呈現正值。我們有很多種方法(例如:pH值、添加劑...)去調整界達電性的正負號以及界達電位大小。
界達電位不論正或負，其絕對值較大，利用電荷斥力抵銷奈米粒子之間的吸引力，使奈米微粒形成長時間的良好分散狀態。

界達電位Zeta potential的大小受到什麼影響?又有什麼意義?

由上面圖可以理解界達電位是一種很直觀的方法理解粒子分散狀態的指標，不論正負，一般而言絕對值越大(正得越多或負的越多)分散安定性越好。
但是必須說明的是界達電位這個參數必須自己跟自己比較，也就是說兩種完全不相關的東西相互比較是沒有意義的。
例如，『A是一種乳膠粒子在水中』跟『B是一種顏料在有機溶劑中』，這兩種完全無關的狀態下就沒有可比性。就算A的絕對值比B的大，也無法直接說明A分散比B好。
我們要比較的是同樣是A，但是我做了一些『改質後若界達電位的絕對值變高了，這時我們才能比較有把握說改質後的分散安定性比改質前好。

~界達電位正負30的迷思~

另外，在我們的經驗中，也沒有辦法很直接武斷的說一個物質的界達電位超過多少就代表分散安定性很好，我們稱為『正負30的迷思』。我們可以很輕易地舉出數種界達電位絕對值小於10 mV，分散性卻很好的；反之也可以輕易舉出很多種界達電位已經大於30 mV了，卻還是會有沉降的案例。

綜合以上所述，重申一次。界達電位是個相對比較的概念，僅能同樣系統之間相比，且沒有大於多少就一定是分散很好的數值。
 

界達電位Zeta potential量測基礎概念

        了解了上述觀念以後，接著我們一起看界達電位是怎麼量測的。
在量測界達電位時的概念是，在溶液中施加一定方向的電場使溶液中粒子移動。
假設粒子帶負電荷在電場中會往正極移動，帶正電荷則往負極移動。
再加上粒子跑動的程度(帶負電越強，向正極跑動越多)，配合粒子移動的方向，可以求得粒子所代電荷正負以及大小。


我們使用雷射光當作眼睛，利用都普勒效應量測粒子跑動的方向以及跑動的速度，這方法也稱為雷射都卜勒(Laser Doppler)法。
 

界達電位實際量測中會產生的電氣滲透流是什麼

理想狀態下，我們可以直接量測粒子運動軌跡，直接求得zeta potential，實際上卻有一些技術需要克服。
在水或是溶劑中，除了我們要量測的粒子本身外，以水為例還有H+及OH-等離子存在。
因為管壁是帶負電材質的關係，H+等正離子會往管壁聚集。


施加電場後，正離子就會一起往負極移動，產生電氣滲透流，也稱為電滲流。


樣品槽內就有兩種運動。
1.粒子本身運動
2.離子所造成的電滲流
我們觀察到的移動，就是由兩種運動相加後的結果。


電滲流影響了我們想要看到的粒子移動，為得到正確的值，我們使用下面公式解析內部的電滲流。

解析界達電位:森岡本公式

森岡本公式為了放便閱讀，也為了不要讓讀者看到公式就胃痛按上一頁，我們將詳細公式展開放在文章最後面，有興趣可以先到文章最下方閱讀。
公式中Uobs及是我們觀察到的電泳，Up是粒子本身的移動度，Uosm則是電滲流。
我們藉由森岡本公式，實際解析電滲流後，求得靜止面。(靜止面:電滲流正負流動抵銷的水平面) 在靜止面上粒子的移動就不受到電滲流的影響，也就是Up，我們可以得到粒子移動的真值，在換算後求得界達電位。

量測界達電位時解析電滲流的好處

值得一提的是，靜止面不會永遠保持在同一個水平。
會隨著樣品沉降性，或是容器表面髒污等等因素造成靜止面改變。


ELS系列實際量測垂直所有水平面後，若靜止面因為沉降或髒汙等情況改變時，靜止面也會一起做修正。
在量測有沉降性樣品時，也能得到高再現性真值。
受惠於日本細膩的高精確工藝，實現量測點位在小流道中的高精度位移，才能實現的界達電位真值量測。

補充-解析界達電位量測中電滲流的森岡本公式

 

高鹽度下的界達電位

ELSZ採用長直型流道，配合圓鼎型白金電極可分散電流，使在高鹽度環境(如人體buffer等等)可以直接進行量測，無須擔心氣泡或是電極劣化等問題。

	直線型電泳
樣品容器形狀示意圖
重複使用	可全部拆開清洗重複使用
電極	圓鼎型白金電極
流道形狀	長直型流道，粒子可直線電泳
高鹽度量測	直接量測高鹽度高導電度，最高實測到3M NaCl當量鹽度
量測高鹽度樣品後的電極外觀	使用後電極宛如全新

• 不同鹽度下乳膠粒子界達電位的變化

由上圖可知，不同鹽度下的Zeta potential會有很大的差異。若不能量到當下環境的正確數值是非常危險的，尤其是在製藥產業需要大量研究人體環境下藥物的變化。 想更加深入了解界達電位的量測小撇步，歡迎聯繫我們。