Zeta电位仪测试简化过程资料

Zeta电位仪测试简化过程

1、开启仪器(仪器的开关在设备的后⾯的右上部位)，

将出现“嘟嘟”声，指⽰仪器已开启，开始初始化步骤；如果仪器完成例程，出现第⼆次“嘟嘟”声。将再次听到两次“嘟嘟”声，说明仪器已达到25°C的默认温度。因为本仪器为632.8激光光源，⼀般需稳定30分钟2、点击图标，启动Zetasizer软件

3、点击软件中 File – New - Measurement file，创建此次

测试⽂件，⼀经创建，本次测试的结果均⾃动保存在此⽂件中，⽆需另⾏保存。4、制备样品

5、将制备的样品注⼊样品池，粒径分布需1.0 ml—1.5 ml，Zeta点位测量⾄少需要1.0 ml。6、将样品池插⼊仪器中，等待温度平衡7、点击Start （），即进⾏测量。8、使⽤光盘拷取数据。使⽤注意事项测量粒径分布

1.测量粒径前，需查知样品分散剂的粘度、折光指数（Refractive Index）2.⽤卷纸轻轻点拭样品池外侧⽔滴，切勿⽤⼒擦拭，以防将样品池划伤，如发现样品池有划纹，需更换。

3.⼿尽量避免触摸样品池下端，否则会影响光路。4.⼀定要去除样品池内的⽓泡

5.实验室提供的样品池为聚苯⼄烯材质，不可⽤于测量有机分散体系6.实验室提供的样品池,测量温度不可⾼于50摄⽒度

7.如需测量有机分散体系或⾼于50摄⽒度，请⾃带⽯英⽐⾊⽫

8.使⽤滤纸过滤时，舍去过滤后的第⼀滴样品，以防滤纸上杂质进⼊样品池测量时需⾃带：卷纸、多个注射器、多个离⼼管（⽤于稀释样品）Zeta电位测量

1、测量粒径前，需查知样品分散剂的粘度、折光指数（Refractive Index）、介电常数（Dielectric constant）

2、⽤卷纸轻轻点拭样品池外侧⽔滴，尤其是两个塞⼦外侧3、⼀定要去除样品池内的⽓泡，尤其是电极上⽓泡4、如发现电极变⿊，需更换

5、实验室提供的样品池为聚苯⼄烯材质，不可⽤于测量有机分散体系6、实验室提供的样品池测量温度不可⾼于70度

7、使⽤滤纸过滤时，舍去过滤后的第⼀滴样品，以防滤纸上杂质进⼊样品池

测量时需⾃带：卷纸、多个注射器（5ml）、多个离⼼管（⽤于稀释样品）制备样品—粒径样品浓度

每个类型的样品材料，有最佳的样品浓度测量范围。

如果样品浓度太低，可能会没有⾜够的散射光进⾏测量。除极端情况外，对该仪器来说⼀般不会发⽣。

如果样品太浓，那么⼀个粒⼦散射光也会被其它粒离所散射（这称为多重散射）。

浓度的上限也要考虑到：在某⼀浓度以上，由于粒⼦间相互作⽤，粒⼦不再进⾏⾃由扩散。

⼩粒⼦需要考虑的事项最⼩浓度

对⼩于10nm的粒⼦，决定最⼩浓度的主要因素是样品⽣成的散射光强。实⽤的⾓度，这种浓度应⽣成最低光强为

10，000cp/s（10 kcps），这样才能超过分散剂的散射。作为⼀个指导，⽔的散射光强应超过10kcp的，甲苯的应超过100kcps。最⼤浓度

对⼩粒径的样品，最⼤浓度实际上不存在（以进⾏动态光散射（DLS）测量的术语来说）。但实际，样品的性质本⾝会决定此最⼤值。例如，样品可能有以下性质：

胶凝作⽤：凝胶不适合采⽤Zetasizer进⾏测量（这对所有基于动态光散射原理仪器都是事实）

粒⼦相互作⽤：如果粒⼦之间存在相互作⽤，那么粒⼦的扩散常数通常会改变，导致不正确的结果。应选择某⼀浓度避免粒⼦相互作⽤。⼤颗粒需要考虑的事项最⼩浓度

即使对⼤颗粒，知道最⼩浓度仍然是得到有效散射光强的保障，虽然我们还必须考虑“Number fluctuation”（数量—波动: 粒⼦浓度太低导致在光路中的粒⼦数量随时间较⼤波动）的附加效应。

例如，如果在低浓度（⽐如说0.001 g/l （10-4%））下测量⼀个⼤颗粒（⽐如说500nm）样品，⽣成的散射光⼤于进⾏测量的所需量。但是，散射体积中粒⼦数太⼩（⼩于10），在散射体积中会发⽣严重的粒⼦数量随时间波动。这些波动与所⽤计算⽅法中假设的类型不符，通常会被错误诠释为样品中的⼤颗粒。

必须避免此类波动，这决定了所要求浓度的下限和粒⼦数的下限。光路中⾄少应存在500个粒⼦，但推荐最⼩量为1000个粒⼦。参见下图：对假定密度为1 g/cm3的不同浓度溶液中，每散射体积中粒⼦数的估算图。

最⼤浓度

较⼤颗粒的样品浓度上限，由其引起多重散射的趋势决定。虽然Zetasizer对多重散射不是⼗分敏感，但随着浓度增加，多重散射效应越来越占优势，在达到某⼀浓度时，⽣成过多的多重散射，会影响测量结果。当然，如此⾼的浓度不应⽤于精确测量，上表中给出了不同粒径粒⼦最⼤浓度的粗略估算。

通⽤规则是，在多重散射和粒⼦相互作⽤影响结果之前，以可能的最⾼浓度进⾏测量。可以假定样品中的灰尘污染对⾼浓度和低浓度是相同的，因此样品浓度增加，从样品得到的散射光强相对灰尘散射光强有所增加。过滤

⽤于稀释样品（分散剂和溶剂）的所有液体，应于使⽤前过滤，避免污染样品。过滤器的粒径应由样品的估算粒径决定。如果样品是10nm，那么50nm灰尘将是分散剂中的重要污染物。⽔相分散剂可被0.2µm孔径膜过滤，⽽⾮极性分散剂可被10或20nm孔径膜过滤。

尽可能不过滤样品。过滤膜能通过吸附以及物理过滤消耗样品。只有在溶液中有较⼤粒径粒⼦如聚集物时，且它们不是所关⼼的成分，或可能引起结果改变，才过滤样品。运⽤超声波

可使⽤超声处理除去⽓泡或破坏聚集物—但是，必须谨慎应⽤，以便避免损坏样品中的原有粒⼦。使⽤超声的强度和施加时间⽅⾯，依赖于样品。矿物质如⼆氧化钛，是通过超声探头进⾏

分散的⼀个理想的例⼦，但是某些矿物质，如炭⿊，的粒径，可能依赖于所应⽤的功率和超声处理时间。超声甚⾄可使得某些矿物质粒⼦聚集。

乳状液和脂质体不得采⽤超声处理。制备样品— Zeta电位

Zetasizer Nano中⽤于Zeta电位测量的光学设置在第15章中讨论。使⽤⼀束激光作为光源，激光被⼀个分光镜分为⼀束⼊射光和⼀束参考光。参考光的光强在出⼚时设置，通常在2000⾄

3500Kcps之间。⼊射光穿过样品池的，散射光在向前的⾓度被检测。因此总的来说对于Zeta 电位测量的样品应该光学透明。最⾼和最低样品浓度可依赖于以下因素：粒⼦的光学性质粒⼦粒径粒⼦的分散度

在Zeta电位测量过程中，⾸先测量参考光的强度，并且显⽰在Log sheet中。随后检测散射光强度，并由衰减器调节散射光的强度⾄参考光源的1/10。举个例⼦说，如果参考光源的光强是2600kcps, 衰减器将会调节散射光强不⾼于260kcps.如第5章所述，仪器中的衰减器有11个位置，覆盖从100%⾄0.0003%透射率在Zeta电位测试过程中的最⼩光强为20kcps，低于此光强测试将中⽌。Zeta电位测试中的最低浓度

在Zeta电位测试过程中所需的最⼩光强为20kcps。因此最低浓度取决于相对折光指数差（粒⼦和溶剂间的折光指数差值）和粒⼦尺⼨。粒⼦的尺⼨越⼤所产⽣的散射光越强，所需的浓度也就越低。举例来说，氧化钛粒⼦的⽔性悬浮液。氧化钛的折光指数为2.5，与⽔的折光指数差较⼤，因此有较强的散射能⼒。因此对于300nm的氧化钛粒⼦，最⼩浓度可以为10-6 w/v %。对于折光指数差很⼩的样品，⽐如蛋⽩质溶液，最低浓度会⾼很多。通常最低浓度需要在0.1—1w/v %之间才能有⾜够的散射光强进⾏Zeta电位测量。

最终，对于特定样品进⾏⼀个成功的Zeta电位测量的最低浓度，应该由试验实际测量得到。Zeta电位测试中的最⾼浓度对于在本仪器的Zeta电位测量的最⾼浓度没有⼀个明确的答案。以上讨论的因素，如粒⼦的粒径，分散度，样品的光学性质，都应考虑。

Zeta电位测量过程中的散射光在向前的⾓度收集，因此激光应该能够穿过样品。如果样品的浓度

过⾼，则激光将会由于样品的散射衰减很多，相应的降低检测到的散射光光强。为了补偿此影响，衰减器会让更过的激光通过。

最终，样品的浓度范围必须由测定不同浓度下的Zeta电位的试验决定，由此来得到浓度对Zeta 电位的影响。

多数样品要求稀释，这个步骤在确定最终测量值中是⾄关重要的。对有意义的测量，稀释介质也是⾮常重要的。所给出的测量结果，如没有提及所分散的介质，则是没有意义的。Zeta电位依赖于分散相的组成，因为它决定了粒⼦表⾯的特性。稀释介质

⼤多数样品的分散相，可以归于两类之⼀：

介电常数⼤于20的分散剂被定义为极性分散剂，如⼄醇和⽔。

介电常数⼩于20的分散剂被定义为⾮极性或低极性分散剂，如碳氢化合物类、⾼级醇类。⽔相/极性系统

制备样品的⽬标，是在稀释过程中，保留表⾯的现存状态。只有⼀种⽅式保证这种情况。即通过过滤或离⼼原始样品，得到清澈的分散剂，使⽤这种分散剂稀释原有浓度样品。以这种⽅式，完美地维持了表⾯与液体之间的平衡。

如果提取上清液是不可能的，那么需让样品⾃然沉淀，使⽤上清液中留下的⼩粒⼦是⽐较好好的⽅法。使⽤Smoluchowski理论近似，Zeta电位不是粒径依赖性参数。

另⼀种⽅法是尽可能接近地模拟原始介质。需考虑下述条件：pH。

系统的总离⼦浓度。

存在的任何表⾯活性剂或聚合物的浓度⾮极性系统

在绝缘介质如正⼰烷、异链烷烃中，测量样品是极为不易。它要求使⽤universal dip cell（通⽤插⼊式样品池）。因为此样品池较好的化学兼容性以及电极间的狭窄空间，这对于不使⽤⾼电压时，⽣成较⾼磁场强度是必需的。

这种系统的样品制备，将遵照与极性系统相同样的规则。由于在⾮极性分散剂中，通常很少有离⼦以抑制Zeta电位，所测量的实际值似乎是⾮常⾼的，如200或250 mV。在这样的⾮极性系统中，稀释后样品的平衡呈时间依赖性，平衡时间可超过24⼩时。

弯曲式⽑细管样品池如下所述填充样品池：⽤注射器取⾄少1ml样品。将注射器与样品池⼀端连接。

将样品缓慢注射⼊样品池①，检查是否除去所有⽓泡。

如果在样品池端⼝下形成⼀个⽓泡，将注射器活塞拉回，使⽓泡吸回注射器体，再重新注射。⼀旦样品开始从第⼆个样品端⼝冒出，插⼊塞⼦②。移去注射器，插⼊第⼆个塞⼦③。

在样品池的透明⽑细区域，不应看到任何⽓泡。必要时，轻拍样品池以驱逐⽓泡。检查样品池电极是否仍然完全被样品淹没。移去溅在外部电极上的任何液体。

注意：

进⾏测量之前，必须配置塞⼦。粒径测量原理什么是动态光散射？

Zetasizer Nano系列使⽤称为动态光散射（DLS）的过程进⾏粒径测量。

动态光散射（也称为PCS —光⼦相关光谱）测量布朗运动，并将此运动与粒径相关。这是通过⽤激光照射粒⼦，分析散射光的光强波动实现的。

散射光波动如果⼩粒⼦被光源如激光照射，粒⼦将在各个⽅向散射。

如果将屏幕靠近粒⼦，屏幕即被散射光照亮。现在考虑以千万个粒⼦代替单个粒⼦。屏幕将出现如下所⽰的散射光斑。

散射光斑由明亮和⿊暗的区域组成，在⿊暗区域不能监测到光。

什么引起这些明亮区域和⿊暗区域？

下图显⽰粒⼦散射光的传播的波动。光的明亮区域是：粒⼦散射光以同⼀相位到达屏幕，相互叠加相⼲形成亮斑。⿊暗区域是：不同相位达到屏幕互相消减。

在上例中，我们说粒⼦是不运动的。在这种情况下，散射光斑也将是静⽌的—即散射光斑位置和散射光斑⼤⼩都是不变的。实际上，悬浮于液体中的粒⼦从来不是静⽌的。由于布朗运动，粒⼦不停地运动。布朗运动是由于与环绕粒⼦的分⼦随机碰撞引起的粒⼦运动。对DLS来说，布朗运动的⼀个重要特点是：⼩粒⼦运动快速，⼤颗粒运动缓慢。在Stokes - Einstein⽅程中，定义了粒径与其布朗运动所致速度之间的关系。

由于粒⼦在不停地运动，散射光斑也将出现移动。由于粒⼦四处运动，散射光的建设性和破坏性相位叠加，将引起光亮区域和⿊暗区域呈光强⽅式增加和减少—或以另⼀种⽅式表达，光强似乎是波动的。Zetasizer Nano测量了光强波动的速度，然后⽤于计算粒径。诠释散射光波动数据

我们知道，Zetasizer测量散射光的光强波动，并⽤于计算样品中粒径—但它如何进⾏⼯作的呢？在仪器中有⼀个部件叫数字相关器。在⼀段时间，⼀个相关器基本上测量了两个信号之间的相似程度。

如果我们将在某⼀时间点（⽐如说时间= t）将散射光斑特定部分的光强信号，与极短时间后（t+δt）的光强信号相⽐较，我们将发现，两个信号是⾮常相似的—或是强烈相关的。然后，如果我们⽐较时间稍提前⼀点（t+2δt）的原始信号，这两个信号之间仍然存在相对良好的⽐较，但它也许不如t+δt时良好。因此，这种相关性是随时间减少的。

现在考虑在“t”时的光强信号与随后更多时间的光强信号—两个信号将互相没有关系，因为粒⼦是在任意⽅向运动的（由于布朗运动）。在这种情况下，可以说这两个信号没有任何相关。使⽤DLS，我们可处理⾮常短的时间标度。在典型的散射光斑模式中，使相关关系降⾄0的时间长度，处于1—10毫秒级。“稍后短时”（δt）将在纳秒或微秒级。

如果我们将“t”时的信号强度与它本⾝⽐较，那么我们得到完美的相关关系，因为信号是同⼀个。完美的相关关系为1，没有任何相关关系为0。

如果我们继续测量在（t+3δt）, （t+4δt）, （t+5δt）, （t+6δt）时的相关关系，相关关系将最终减⾄0。相关关系对照时间的典型相关关系函数如下所⽰。

使⽤相关函数得到粒径信息

相关关系函数如何与粒径相关？我们早先提到，正在做布朗运动的粒⼦速度，与粒径（粒⼦⼤⼩）相关（Stokes - Einstein⽅程）。⼤颗粒运动缓慢，⼩粒⼦运动快速。这对散射光斑有什么效应？如果测量⼤颗粒，那么由于它们运动缓慢，散射光斑的强度也将缓慢波动。

类似地，如果测量⼩粒⼦，那么由于它们运动快速，散射光斑的密度也将快速波动。

下图显⽰了⼤颗粒和⼩粒⼦的相关关系函数。可以看到，相关关系函数衰减的速度与粒径相关，⼩粒⼦的衰减速度⼤⼤快于⼤颗粒的。

在测量相关函数后，可以使⽤这个信息计算粒径分布。Zetasizer软件使⽤算法，提取针对⼀系列粒径类别的衰减速度，以得到粒径分布。

典型粒径分布图如下所⽰。X轴显⽰粒径类别分布，⽽Y轴显⽰散射光的相对强度。因此，这称为光强度分布。

虽然由DLS⽣成的基础粒径分布是光强度分布，但使⽤⽶⽒理论，可将其转化为体积分布（volumedistribution）。

也可进⼀步将这种体积分布转化为数量分布（Number distribution）。

但是，数量分布的运⽤有限，因为相关⽅程采集数据中的⼩错误将导致数量分布的巨⼤误差。光强）、Volume（体积）和Number（数量）分布Intensity（光强、体积和数量分布之间有什么差别？

说明光强、体积和数量分布之间差异的简单⽅式，是考虑只含两种粒径（5nm和10nm）、但每种粒⼦数量相等的样品。

下⾯第⼀个图显⽰了数量分布结果。可以预期有两个同样粒径（1:1）的峰，因为有相等数量的粒⼦。

第⼆个图显⽰体积分布的结果。50nm粒⼦的峰区⽐5nm（1:1000⽐值）的峰区⼤1000倍。这是因为，50nm粒⼦的体积⽐5nm粒⼦的体积（球体的体积等于4/3π（r）3）⼤1000倍。

第三个图显⽰光强度分布的结果。50nm粒⼦的峰区⽐5nm（1:1000⽐值）的峰区⼤1,000,000倍（⽐值1:1000000）。这是因为⼤颗粒⽐⼩粒⼦散射更多的光（粒⼦散射光强与其直径的6次⽅成正⽐—（得⾃瑞利近似）。

需要再说明的是，从DLS测量得到的基本分布是光强分布—所有其它分布均由此⽣成。Zetasizer Nano操作—粒径测量

典型的DLS系统由6个主要部件组成。⾸先是激光器①，⽤于提供照射样品池②内样品粒⼦的光源。⼤多数激光束直接穿过样品，但有⼀些被样品中的粒⼦所散射。⼀个检测器③⽤于测量散射光的强度。由于粒⼦向所有⽅向散射光，将检测器置于任何位置都是（理论上）可能的，都可以监测到散射。

对于Zetasizer Nano系列，依赖于仪器的型号，检测器位置将置于173°或90°。

散射光强必须在检测器的特定范围，以便成功进⾏测量。如果监测到太多的光，那么检测器可能会过载。为克服这个问题，使⽤⼀个“衰减器④”，降低激光强并因此降低散射光的光强。

对散射少量光的样品，如极⼩粒⼦或较低浓度样品，必须增加散射光量。在这种情况下，衰减器允许更多激光穿过样品。

对散射更多光的样品，如⼤颗粒或较⾼浓度样品，必须降低散射光量。这是通过使⽤衰减器降低穿过样品的激光量实现的。

在测量过程中，Zetasizer⾃动确定衰减器的适当位置。

将检测器的散射光强信号传递⾄数字信号处理板，此板称为相关器⑤。相关器在连续时间间隔内⽐较散射光强，得到光强变化的速率。

然后将相关器信息传递⾄计算机⑥，此处Zetasizer软件将分析数据并得到粒径信息。

173°检测光学构造—背散射检测Zetasizer Nano S和ZS可测量接近180°的散射信息。这称为背散射检测。背散射检测运⽤了称为NIBS（⾮侵⼊背散射）的专利技术。

为什么测量背散射？测量背散射有⼏个优点：

因为测量背侧散⾝，⼊射光束没有必要穿过整个样品。因为光只需穿过样品的较短路径长度，因此可以测量较⾼浓度的样品。

这降低了称为多重散射的效应；在多重散射中，来⾃⼀个粒⼦的散射光本⾝是其它粒⼦散射的。

与样品粒径⽐较，分散剂中的灰尘等污染物⽐较⼤。⼤颗粒主要在前进⽅向散射。因此，通过测量背散射，可⼤⼤降低灰尘效应。

多重散射效应在180o最⼩—同样，这允许测量较⾼浓度样品。可移动透镜

在Zetasizer Nano系统内，可移动透镜允许改变样品池内的聚焦位置。这允许测量更⼤范围的样品浓度。

测量位置由Zetasizer软件⾃动确定。90°检测光学构造—经典装置

Zetasizer Nano仪器范围中已包括90°型号即Zetasizer Nano S90和ZS90，提供与其它有90°检测光学构造的系统的连续性。这些模型不使⽤可移动测量装置，但使⽤“经典的”固定为90°的监测设置，即检测器和激光以样品池区中⼼为90°排列。这种配置降低了这些型号的可检测粒径范围。对测量范围，请参见附录A中的规格表。Zeta电位测量原理

Zetasizer Nano系列通过测量电泳迁移率并运⽤Henry⽅程计算Zeta电位。通过使⽤激光多普勒测速法（LDV）对样品进⾏电泳迁移率实验，得到带电粒⼦电泳迁移率。在随后的⼏节说明这些技术。Zeta电位和双电层

粒⼦表⾯存在的净电荷，影响粒⼦界⾯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。

围绕粒⼦的液体层存在两部分：⼀是内层区，称为Stern层，其中离⼦与粒⼦紧紧地结合在⼀起；另⼀个是外层分散区，其中离⼦不那么紧密的与粒⼦相吸附。在分散层内，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随着粒⼦运动。这个边界称为流体⼒学剪切层或滑动⾯（slippingplane）。

在这个边界上存在的电位即称为Zeta电位。

Zeta电位的⼤⼩表⽰胶体系统的稳定性趋势。胶体系统是：当物质三相（⽓体、液体和固体）之⼀，良好地分散在另⼀相⽽形成的体系。对这种技术，我们对两种状态感兴趣：固体分散在液体中和液体分散在液体中即乳剂。

如果悬浮液中所有粒⼦具有较⼤的正的或负的Zeta电位，那么他们将倾向于互相排斥，没有絮凝的倾向。但是如果粒⼦的Zeta电位值较低，则没有⼒量阻⽌粒⼦接近并絮凝。稳定与不稳定悬浮液的通常分界线是：+30mV或-30mV。Zeta电位⼤于+30mV正电或⼩于-30mV负电的粒⼦，通常认为是稳定的。

影响Zeta电位的最重要因素是pH。没有引⽤pH值的Zeta电位值，本⾝实际上是没有意义的数字。想象悬浮液中的⼀个粒⼦，具有负Zeta电位。如果在这个悬浮液中加⼊更强碱，那么粒⼦将倾向于得到更多负电荷。如果在这个悬浮液中加⼊酸，将达到某⼀点，负电荷被中和。进⼀步加⼊酸，则导致在表⾯产⽣正电荷。因此，Zeta电位对照pH的曲线，在低pH时是正电的，⽽在⾼pH时较低正电或是负电的。

曲线通过零Zeta电位的点，叫做等电点（isoelectic point），在实际应⽤过程中是⾮常重要的。正常情况下它就是胶体系统最不稳定的点。Zeta电位对照pH的典型图⽰如下。