1、動態光散射基本原理及其在納米科技中的應用 Zeta電位測量前言：Zeta電位是納米材料的一種重要表征參數。現代儀器可以通過簡便的手段快速準確 地測得。大致原理為：通過電化學原理將Zeta電位的測量轉化成帶電粒子淌度的測量，而 粒子淌度的測量測是通過動態光散射，運用波的多普勒效應測得。Zeta電位與雙電層（圖1）粒子表面存在的凈電荷，影響粒子界面周圍區域的離子分布，導致接近表面抗衡離子 （與粒子電。荷相反的離子）濃度增加。于是，每個粒子周圍均存在雙電層。圍繞粒子的液 體層存在兩部分：一是內層區，稱為Stern層，其中離子與粒子緊緊地結合在一起；另一個 是外層分散區，其中離子不那么緊密的與粒子相吸

2、附。在分散層內，有一個抽象邊界在邊 界內的離子和粒子形成穩定實體。當粒子運動時（如由于重力），在此邊界內的離子隨著粒 子運動，但此邊界外的離子不隨著粒子運動。這個邊界稱為流體力學剪切層或滑動面（slippingplane）。在這個邊界上存在的電位即稱為Zeta電位。Zeta電位與膠體的穩定性（DLVO理論）在1940年代Derjaguin, Landau, Verway與Overbeek提出了描述膠體穩定的理論， 認為膠體體系的穩定性是當顆粒相互接近時它們之間的雙電層互斥力與范德瓦爾互吸力的 凈結果。此理論提出當顆粒接近時顆粒之間的能量障礙來自于互斥力，當顆粒有足夠的能量 克服此障礙時，互吸力

3、將使顆粒進一步接近并不可逆的粘在一起。（圖2）Zeta電位可用來作為膠體體系穩定性的指示：如果顆粒帶有很多負的或正的電荷也就是說很高的Zeta電位，它們會相互排斥，從而達到整 個體系的穩定性；如果顆粒帶有很少負的或正的電荷也就是說它的Zeta電位很低,它們會 相互吸引，從而達到整個體系的不穩定性。般來說，Zeta電位愈高，顆粒的分散體系愈穩定，水相中顆粒分散穩定性的分界線一般認 為在+30mV或-30mV，如果所有顆粒都帶有高于+30mV或低于-30mV的zeta電位，則該 分散體系應該比較穩定影響Zeta電位的因素分散體系的Zeta電位可因下列因素而變化：pH的變化溶液電導率的變化某種特殊添

4、加劑的濃度，如表面活性劑，高分子測量一個顆粒的zeta勢能作為上述變量的變化可了解產品的穩定性，反過來也可決定生成 絮凝的最佳條件。Zeta電位與pH(圖3)影響zeta電位最重要的因素是pH，當談論zeta電位時，不指明pH根本一點意義 都沒有。假定在懸浮液中有一個帶負電的顆粒；假如往這一懸浮液中加入堿性物質，顆粒會得到更多的負電；假如往這一懸浮液中加入酸性物質，在一定程度時，顆粒的電荷將會被中和； 進一步加入酸，顆粒將會帶更多的正電。Zeta電位對pH作圖在低pH將是正的，在高pH將是負的，這中間一定有一點會通 過零zeta電位，這一點稱為等電點，是相當重要的一點，通常在這一點膠體是最不穩

5、定的。Zeta電位與電導率雙電層的厚度與溶液中的離子濃度有關，可根據介質的離子強度進行計算，離子強度越高， 雙電層愈壓縮同，離子的化合價也會影響雙單層的厚度，三價離子(Al3+)將會比單價離子（Na+）更多的壓縮雙電層。無機離子可有兩種方法與帶電表面相作用：非選擇性吸附.對于等電點沒有影響選擇性吸附.會改變等電點即使很低濃度的選擇性吸附離子也會對Zeta電位有很大的影響，有時選擇性吸附離 子甚至會造成顆粒從帶負電變成帶正電從帶正電變成帶負電。Zeta電位與添加劑濃度研究樣品中的添加劑濃度對產品zeta電位的影響可為研發穩定配方的產品提供有用的 信息，樣品中已知雜質對zeta電位的影響可作為研制

6、抗絮凝的產品的有力工具。帶電粒子的動電學效應表面電荷的存在使得顆粒在一外加電場中呈現某些特殊效應，這些效應總稱為動電學 效應，根據引入運動的方式，有四種不同的動電學效應： 電泳：在外加電場中帶電顆粒相對于靜止懸浮液體的運動 電滲:在外加電場中相對于靜止帶電表面的液體運動 流動電勢：當液體流過靜止表面時所產生的電場沉降電勢：當帶電顆粒在靜止液體中流動時所產生的電場Zeta電位測量理論在一平行電場中，帶電顆粒向相反極性的電極運動，顆粒的運動速度與下列因素有關 電場強度，介質的介電常數，介質的粘度（均為已知參數） Zeta電位（未知參數）Zeta電位與電泳淌度之間由Henry方程相連（圖4）由Hen

7、ry方程可以看出，只要測得粒子的淌度，查到介質的粘度、介電常數等參數，就可以求得Zeta電位。淌度測量方法6.1直接觀測法在早期，測量粒子淌度時，是在分散體系兩端加上電壓，用顯微裝置觀測。6.2多普勒效應測量法當測量一個速度為C，頻率為no的波時，假如波源與探測器之間有一相對運動（速 度V）,所測到的波頻率將會有一多普勒位移。在電場作用下運動的粒子，當激光打到粒子上時，散射光頻率會有變化。散射光與參考光疊 加后頻率變化表現得更為直觀更容易觀測。將光信號的頻率變化與粒子運動速度聯系起來， 即可測得粒子的淌度。（如圖5）電滲及避免方法7.1電滲（圖6）由于毛細管樣品池壁帶電，當外加電場導致顆粒運動

8、時，池壁附近的液體也會在電場 中由于電滲而運動。當用毛細管樣品池時由于池壁與水中離子的作用水會在電場下移動（電 滲）而影響顆粒移動速度的測量（因為測到的是兩種運動的總和）。但是，由于在一個封閉的池 子內，池壁的液體流動會造成池中間的液體向另一方向運動，而在樣品池中造成拋物面狀的 液體流動。在樣品池中有兩個無限薄的層面（靜止層）內無電滲，經典方法將光束定位在靜止層內測量， 以避免電滲誤差，不可能準確定位及費時而造成各種誤差（甚至池壁有微量污染）。7.2電滲的避免（圖7）動電學的理論分析告訴我們：當外加一電場時，顆粒達到其最終運動速度的時間至少 要比電滲快一 數量級（參考 M. Minor, A.

9、J. van der Linde, H.P. van Leeuwen and J.Lyklema (1997) J Colloid and Interface Science 189, 370-375)快速電場反轉（FFR）假如一外加電場有足夠高的頻率時:與顆粒的運動相比，液體的運動可以忽略不計，這樣， 測量就不一定要在靜止層進行，但是，快速電場反轉（FFR）與傳統的慢速電場反轉（SFR） 相比，分辨率低。如果將二者結合起來，則可以得到準確率高，分辨率高的Zeta電位及分 布。四切面Particle SeparationDouble Layer Repulsive ForceaebleCOOH

10、COOHCOOHCOOHCOOHCOOH:知至電位與柩泳淌疫之間山上頌門?方在相連3 it啊向10wy 函:數 f 依（=、）非梯H分.擊llcnry 函數 1(w)S顆粒半徑盼二顆粒半徑與雙也層停度之比UiickftliHf舊就-1,0SiiiOLluchcvski 近似場=電泳浦度（皿七岫柬強/日 f - ”1.1也洗血） 一井市.幫數快力O ir 粘,（roisi?） 止球=gncrv函兼. K的單位是長挺的倒數，1/K二雙出層厚度（械拜長度）后不同的帽率& E-快肘乩與人貼入, 、 V相同的瑕苧 f %f+a-i- VZ 入NM參號尤F.勺弟刖丑g參考光片與麒規FlWWlFrF?=Af 用眥的T津產生忌I痛嫩蟀:-這誦皆成有很低的熟 甲，樣為“的至植率”，