Zeta电位粒子径测量仪

一、工作原理

Zeta 电位粒子径测量仪的工作原理

Zeta 电位粒子径测量仪的核心功能是测量悬浮液或胶体体系中的颗粒表面电荷（Zeta 电位）和粒径分布。该仪器主要基于两种光学测量技术：

动态光散射（Dynamic Light Scattering, DLS） —— 用于测量粒径分布

电泳光散射（Electrophoretic Light Scattering, ELS） —— 用于测量 Zeta 电位

此外，某些高端型号的仪器还采用**静态光散射（Static Light Scattering, SLS）**进行分子量测量。以下详细介绍其测量原理。

1. 粒径测量原理（DLS 技术）

1.1 物理原理：布朗运动与动态光散射

悬浮液中的纳米级颗粒会因溶剂分子的不断碰撞而产生无规则运动（布朗运动）。颗粒尺寸越小，运动速度越快；颗粒越大，运动越慢。动态光散射（DLS）技术通过激光照射待测颗粒，并分析散射光随时间的强度变化，计算颗粒的扩散系数（Diffusion Coefficient, D），进而根据Stokes-Einstein 方程计算颗粒的水合粒径（Hydrodynamic Diameter, d_H）：

dH=kBT3πηDd_H = \frac{k_B T}{3 \pi \eta D} 其中：

kBk_B —— 玻尔兹曼常数

TT —— 绝对温度（K）

η\eta —— 溶剂粘度

DD —— 扩散系数

1.2 主要测量步骤

激光照射样品：样品池内的颗粒受到激光照射，产生散射光。

散射光的时间相关性分析：由于颗粒不断运动，散射光的干涉图案会随时间变化。通过光子相关光谱仪（Photon Correlation Spectroscopy, PCS）分析散射信号的变化速率，可计算颗粒扩散速度。

粒径计算：利用 Stokes-Einstein 方程，将扩散速度转换为粒径信息，得到粒径分布数据。

2. Zeta 电位测量原理（ELS 技术）

2.1 物理原理：电泳运动与电泳光散射

Zeta 电位（Zeta Potential）是指颗粒在液体介质中因表面电荷形成的电势，它决定了颗粒的静电相互作用和分散稳定性。

当在溶液中施加外加电场时，带电颗粒会发生电泳运动，其运动速度（电泳迁移率，Electrophoretic Mobility, μE）与 Zeta 电位 (ζ\zeta) 之间的关系由 Smoluchowski 方程 或 Henry 方程 描述：

ζ=μEηεf(κa)\zeta = \frac{\mu_E \eta}{\varepsilon f(\kappa a)} 其中：

μE\mu_E —— 电泳迁移率

η\eta —— 溶剂粘度

ε\varepsilon —— 介电常数

f(κa)f(\kappa a) —— 亨利函数（Henry function），取决于颗粒大小与溶液离子强度

2.2 主要测量步骤

施加外加电场：在测量池两端施加电压，使带电颗粒在电场中发生定向移动。

激光照射颗粒：使用激光照射样品，颗粒的电泳运动会引起散射光的多普勒频移。

分析散射光频移：利用光学干涉仪测量散射光的多普勒频率变化，从而计算电泳迁移率。

计算 Zeta 电位：根据 Smoluchowski 或 Henry 方程，将迁移率转换为 Zeta 电位值。

3. 额外测量功能

3.1 等电点测量（Isoelectric Point, IEP）

通过在不同 pH 条件下测量 Zeta 电位，可以找到颗粒电位为 0 mV 的 pH 值，即等电点。这对于优化分散体系的稳定性非常重要。

3.2 分子量测量（SLS 技术）

部分设备还集成静态光散射（SLS）功能，可用于测量高分子材料的分子量（Molecular Weight, Mw），进一步表征颗粒体系的结构特性。

4. Zeta 电位与粒径测量的应用价值

4.1 粒径测量的意义

评估颗粒均匀性和分散性

监测胶体或悬浮液的聚集情况

优化材料的粒度控制，提高产品质量

4.2 Zeta 电位测量的意义

评估分散体系的稳定性：Zeta 电位绝对值越高（>±30 mV），体系越稳定；低于 ±10 mV，易发生聚集沉降。

指导电解质调控：调整 pH、添加离子或表面修饰以优化分散体系。

研究界面电荷特性：用于药物载体、纳米材料、乳液稳定性等研究。

5. 总结

Zeta 电位粒子径测量仪利用 动态光散射（DLS） 测量纳米颗粒的粒径分布，利用 电泳光散射（ELS） 测量颗粒的表面电荷（Zeta 电位），部分设备还集成 静态光散射（SLS） 进行分子量测量。该仪器广泛应用于 纳米材料、制药、生物技术、化学工程、食品、化妆品 等领域，为胶体稳定性分析、粒度控制、表面电荷调控 提供重要的实验数据支持。

 物理原理:布朗运动与动态光散射

悬浮液中的纳米级颗粒会因溶剂分子的不断碰撞而产生无规则运动(布朗运动)颗粒尺寸越小，运动速度越快;颗粒越大，运动越慢。动态光散射(DLS)技术通过激光照射待测颗粒，并分析散射光随时间的强度变化，计算颗粒的扩散系数(Diffusion Coefficient,D)，进而根据Stokes-Einstein 方程计算颗粒的水合粒径(Hydrodynamic Diameter, d H):

kвT

dн=3πηD

其中:

·kp -- 玻尔兹曼常数

T -- 绝对温度(K)

ŋ -- 溶剂粘度

D -- 扩散系数

Zeta 电位(Zeta Potential)是指颗粒在液体介质中因表面电荷形成的电势，它决定了颗粒的静电相互作用和分散稳定性。

当在溶液中施加外加电场时，带电颗粒会发生电泳运动，其运动速度(电泳迁移率，ElectrophoreticMobility, μE)与 Zeta 电位(()之间的关系由 Smoluchowski方程 或 Henry 方程 描述:

μET

ef(κa)

其中:

·μE-- 电泳迁移率

·ŋ-- 溶剂粘度

ε-- 介电常数

f(κa)--亨利函数(Henry function)，取决于颗粒大小与溶液离子强度

二、产品特点

### **Zeta电位粒子径测量仪产品特点**  

1. **高精度测量**  

   采用动态光散射（DLS）和电泳光散射（ELS）技术，实现纳米级颗粒粒径及Zeta电位的高精度测量，适用于胶体、乳液和悬浮液等多种体系。  

2. **宽测量范围**  

   适用于1 nm至数微米的颗粒粒径测量，并可测量从-200 mV到+200 mV的Zeta电位，涵盖广泛的应用领域。  

3. **智能温控系统**  

   配备精确的温度控制模块，支持低至0°C、高至90°C的温度调节，确保测试结果的稳定性，适用于温度敏感型样品分析。  

4. **自动优化光路与信号处理**  

   采用智能算法自动调整激光强度、测量角度和信号处理参数，提高测量稳定性和重复性，减少人为误差。  

5. **低样品体积需求**  

   采用微量样品池设计，仅需极少量样品（如几十微升），降低昂贵试剂的消耗，适合珍贵或难以获取样品的研究需求。  

6. **高稳定性和抗干扰能力**  

   采用高品质激光光源、精密光学系统和先进信号处理技术，有效降低环境振动、电磁干扰对测量的影响，保证数据可靠性。  

7. **多功能测试模式**  

   支持不同溶剂体系、多种离子强度和pH值条件下的测量，可用于稳定性分析、絮凝性研究、表面电荷特性评估等多种应用。  

8**用户友好的软件界面**  

   配备直观的软件操作系统，支持数据分析、统计、导出和报告生成，简化实验流程，提高工作效率。  

9. **广泛应用领域**  

    适用于生物医药、纳米材料、化工、食品、化妆品、环境科学等多个领域，助力科研与工业生产中的颗粒表征分析。  

该设备为精确测量纳米颗粒粒径及Zeta电位提供了强大的工具，适用于高要求的研究和质量控制应用。

三、应用领域

Zeta 电位粒子径测量仪的应用领域及具体应用案例

Zeta 电位粒子径测量仪在纳米材料、制药、生物技术、化学工程、食品、化妆品、环境科学等多个领域有广泛应用，主要用于研究颗粒表面电荷特性、粒径分布和分散稳定性。以下列举其在各领域的具体应用案例，每个领域包含至少 8 个应用实例。

1. 纳米材料与功能材料

Zeta 电位与粒径测量在纳米材料制备与优化过程中起着关键作用。

具体应用案例：

纳米金（AuNPs） —— 评估纳米金在不同 pH 和离子强度下的稳定性。

二氧化硅纳米粒子（SiO₂） —— 研究纳米二氧化硅的表面修饰及分散特性。

碳纳米管（CNTs） —— 通过表面改性提高 CNTs 在水相体系中的分散性。

氧化石墨烯（GO）/ 还原氧化石墨烯（rGO） —— 研究 GO 在不同溶剂和电解质中的稳定性。

量子点（Quantum Dots, QDs） —— 评估半导体纳米颗粒在溶液中的聚集状态。

陶瓷纳米粉体（Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂） —— 通过调节 pH 和表面活性剂优化陶瓷浆料的稳定性。

磁性纳米粒子（Fe₃O₄, MnFe₂O₄） —— 用于磁流体（ferrofluid）的稳定性优化。

超疏水涂层材料 —— 研究纳米级涂层颗粒在不同溶剂中的分散状态。

2. 制药与生物医学

Zeta 电位分析对药物递送系统、蛋白稳定性及生物医用材料研究至关重要。

具体应用案例：

脂质体药物载体 —— 评估脂质体在不同 pH 和电解质环境下的稳定性。

纳米乳（Nanoemulsions） —— 优化药物纳米乳液的配方，提高稳定性。

聚合物纳米颗粒（PLGA, PEG） —— 研究用于靶向药物递送的纳米载体的表面电荷特性。

抗体-纳米颗粒偶联物 —— 评估抗体修饰纳米颗粒的电荷变化。

基因/核酸递送系统（siRNA, mRNA 载体） —— 研究脂质纳米颗粒（LNPs）在不同介质中的稳定性。

蛋白质与抗体稳定性 —— 监测蛋白聚集倾向，提高生物制剂的储存稳定性。

血液相容性研究 —— 研究纳米材料对红细胞的影响，优化生物相容性。

疫苗佐剂 —— 评估疫苗佐剂（如铝盐佐剂）的分散稳定性。

3. 化学工程与胶体科学

Zeta 电位测量在涂料、乳液聚合、胶体稳定性等研究中具有重要意义。

具体应用案例：

颜料与染料分散 —— 研究涂料中颜料颗粒的分散和稳定性。

水性油墨 —— 评估油墨颗粒的粒径和表面电荷特性。

胶乳聚合物（Latex） —— 监测聚合物乳液的 Zeta 电位，优化配方。

矿物浮选 —— 通过调节表面电荷改善矿物分离效果。

陶瓷浆料配制 —— 研究陶瓷浆料在不同 pH 和电解质环境中的稳定性。

电池浆料（锂离子电池） —— 评估正负极材料（LiFePO₄, NMC）的分散特性。

纳米催化剂 —— 研究催化剂颗粒的稳定性，提高催化效率。

纺织助剂 —— 评估染料在纺织品上的吸附性能。

4. 食品与饮料

食品乳液、蛋白质溶液和稳定剂的研究需要精确的 Zeta 电位分析。

具体应用案例：

乳制品（如牛奶、酸奶） —— 研究蛋白质与脂肪颗粒的相互作用。

植物基饮料（豆奶、杏仁奶） —— 评估植物蛋白的溶解度和稳定性。

食品乳液（调味酱、蛋黄酱） —— 研究乳化体系的稳定性优化。

蛋白质溶液（酪蛋白、乳清蛋白） —— 评估蛋白质溶解性和等电点。

食品色素 —— 研究天然色素颗粒（如姜黄素、花青素）的稳定性。

食品增稠剂（阿拉伯胶、黄原胶） —— 研究增稠剂对食品体系稳定性的影响。

功能性纳米颗粒（纳米硒、纳米钙） —— 研究营养成分的生物利用度。

啤酒与果汁澄清 —— 研究胶体沉淀与清澈度优化。

5. 环境科学与水处理

水处理中的污染物去除、絮凝过程等需要 Zeta 电位分析。

具体应用案例：

水中胶体污染物 —— 研究污水中纳米级污染物的分散特性。

污水处理絮凝剂优化 —— 通过调整 Zeta 电位优化絮凝剂添加量。

重金属去除 —— 研究吸附剂对重金属离子的去除效果。

海水淡化 —— 评估膜污染物的分散性，提高膜寿命。

纳米颗粒污染 —— 监测环境水体中的纳米颗粒浓度和稳定性。

悬浮颗粒过滤 —— 研究不同滤料对悬浮物的吸附效果。

酸雨环境下颗粒稳定性 —— 研究 pH 变化对水体悬浮物的影响。

工业废水处理 —— 监测纳米级污染物的去除率。

总结

Zeta 电位粒子径测量仪在纳米材料、制药、生物医学、化学工程、食品、环境科学等多个领域都有广泛应用，主要用于评估颗粒的表面电荷特性和分散稳定性。其在工业和科研中的重要性不断提高，为优化配方、提高产品质量及改善环境提供了关键数据支持。