Potenciál
zeta a elektrická dvojvrstva
Vznik síťového náboje na povrchu částic ovlivňuje distribuci iontů
v okolní meziplošné oblasti, což má za následek zvýšenou koncentraci opačných
iontů (iontů s opačným nábojem, než má částice) těsně u povrchu.
Tudíž kolem každé částice existuje elektrická dvojvrstva.
Vrstva kapaliny obklopující částici existuje jako dvě části; vnitřní
oblast, nazývaná Sternova
vrstva, kde
jsou ionty silně vázané, a vnější,
difúzní oblast, kde jsou ionty méně pevně připojené. Uvnitř difúzní
vrstvy existuje teoretická hranice, uvnitř které ionty a částice tvoří
stabilní jednotku. Když se částice pohybuje (např. kvůli gravitaci), ionty
uvnitř hranice se pohybují s ní, ale
všechny ionty za hranicí s částicí neputují. Tato hranice se nazývá povrch hydrodynamického
smyku, nebo rovina skluzu.
Potenciál, který existuje na této hranici, je známý jako potenciál
zeta.
Velikost potenciálu zeta naznačuje potenciální stabilitu koloidního
systému. Koloidní systém vzniká tehdy, když jedno ze tří skupenství:
plynné, kapalné a pevné, jsou jemně dispergované v jednom ze skupenství.
Pro tuto techniku se zajímáme o dvě skupenství: pevná látka dispergovaná
v kapalině, a kapalina dispergovaná v kapalině, tj. emulze.
Jestliže všechny částice v suspenzi mají velký záporný nebo
kladný potenciál zeta, pak budou inklinovat k odpuzování se navzájem, a
neexistuje žádná tendence k tomu, aby flokulovaly (vločkovaly). Jestliže však
částice mají nízké hodnoty potenciálu zeta, pak neexistuje žádná síla
k tomu, aby zabránila částicím se shlukovat a flokulovat. Obecná dělící
čára mezi stabilní a nestabilní suspenzí se zpravidla bere buď při +30 mV
nebo -30 mV.
Částice s potenciálem zeta kladnějším než +30 mV, nebo zápornějším
než -30 mV se normálně považují za stabilní.
Nejdůležitější faktor, který ovlivňuje potenciál zeta je pH. Hodnota potenciálu zeta sama o sobě
bez uvedení pH, je prakticky číslo nemající žádný smysl.
Představte si částici v suspenzi se záporným potenciálem zeta.
Jestliže se k této suspenzi přidá více alkálie, pak částice budou
inklinovat k tomu, aby získaly zápornější náboj. Jestliže se pak k této
suspenzi přidává kyselina, dosáhne se bod, kde se záporný náboj
neutralizuje. Jakékoliv další přidávání kyseliny může způsobit vytváření
kladného náboje. Proto křivka potenciálu zeta proti pH bude kladná při nízkém
pH, a nižší nebo záporná při vysokém pH.
Bod, kde vynesení prochází nulovým potenciálem zeta, se nazývá izoelektrický
bod a
z praktických důvodů je velmi důležitý. Normálně je to bod, kde je
koloidní systém nejméně stabilní. Typické vynesení potenciálu zeta proti
pH je ukázané dole.
Elektrokinetické
efekty
Důležitým důsledkem existence elektrických nábojů na povrchu částic
je, že budou pod vlivem aplikovaného elektrického pole vykazovat určité
efekty. Tyto efekty jsou souhrnně definované jako elektrokinetické efekty.
Existují čtyři rozdílné efekty, závisející na způsobu, jakým
se pohyb indukuje. Jsou to:
n
Elektroforéza:
Pohyb nabité částice ve vztahu ke kapalině, ve které je suspendovaná,
pod vlivem aplikovaného elektrického pole.
n
Elektroosmóza:
Pohyb kapaliny ve vztahu ke stacionárnímu nabitému povrchu, pod vlivem
elektrického pole.
n
Potenciál proudění:
Elektrické pole, generované, když je kapalina přinucená proudit
kolem stacionárního nabitého povrchu.
n
Sedimentační
potenciál:
Elektrické pole, generované, když se nabité částice pohybují ve
vztahu ke stacionární kapalině.
Elektroforéza
Když je na elektrolyt aplikované elektrické pole, nabité částice
suspendované v elektrolytu jsou přitahované směrem k elektrodě s opačným
nábojem. Viskózní síly, působící na částice, mají sklon bránit tomuto
pohybu. Když se dosáhne rovnováha mezi těmito dvěma protichůdnými silami,
částice se pohybují s konstantní rychlostí.
Rychlost
částice
je závislá na následujících faktorech:
n
Síla
elektrického pole nebo gradient napětí.
n
Dielektrická
konstanta média.
n
Viskozita
média.
n
Potenciál
zeta.
Rychlost
částice
v elektrickém poli se obvykle označuje jako její elektroforetická
pohyblivost.
S touto znalostí můžeme získat potenciál zeta částice aplikováním Henryovy
rovnice.
Henryova
rovnice je:
n
z
:
Potenciál zeta.
n
UE
:
Elektroforetická pohyblivost.
n
e : Dielektrická konstanta.
n
h : Viskozita.
n
f(Ka)
:
Henryova funkce.
Pro určení f(Ka) se obecně používají jako aproximace dvě
hodnoty - buď 1,5 nebo
1,0.
Elektroforetická stanovení potenciálu zeta se nejčastěji provádějí
ve vodném prostředí a při nepříliš velké koncentraci elektrolytu. f(Ka)
je v tomto případě 1,5,
a nazývá se Smoluchowskiho
aproximace.
Proto výpočet potenciálu zeta z pohyblivosti je přímočarý pro systémy,
které vyhovují Smoluchowského modelu, tj. částice větší než 0,2
mikrometru, dispergované v elektrolytu obsahujícím více než 10-3
molární sůl.
Smoluchowskiho
aproximace
se používá pro složenou kapilární kyvetu a univerzální ponornou kyvetu,
když se používají s vodnými vzorky. Pro malé částice v médiích s nízkou dielektrickou konstantou se f(Ka)
stane 1,0 a
umožňuje stejně jednoduchý výpočet. Toto se nazývá Huckelova aproximace. Tu zpravidla používají nevodná
měření.
Měření
elektroforetické pohyblivosti
Základem klasického mikroelektroforetického systému je cela s
elektrodami na každém konci, na které je aplikovaný potenciál. Částice se
pohybují směrem k elektrodě s opačným nábojem, jejich rychlost se měří
a vyjádří se v jednotkách intenzity pole jako jejich pohyblivost.
Technika používaná pro měření této rychlost je laserová
dopplerova velocimetrie (Laser Doppler Velocimetry).
Laserová
Dopplerova velocimetrie (Laser Doppler Velocimetry
(LDV)) je dobře zavedená technika v inženýrství
pro studium proudění tekutin v široké škále situací, od nadzvukových toků
kolem lopatek turbín v proudových motorech, po rychlosti mízy stoupající ve
stvolu rostlin.
V obou těchto příkladech je to ve skutečnosti rychlost drobounkých částic
v proudu kapaliny, pohybujících se rychlostí kapaliny, kterou měříme.
Proto je LDV dobře zavedená pro měření rychlosti částic pohybujících se
v kapalině při elektroforéze.
Přijímající optika je zaostřovaná tak, aby přenášela rozptyl částic v
kyvetě.
Světlo rozptýlené v úhlu 17° se kombinuje s referenčním paprskem.
To vyvolá kolísající signál intenzity, kde poměr fluktuace je úměrný
rychlosti částic. Pro vytáhnutí charakteristických frekvencí v rozptýleném
světle se používá digitální procesor signálu.
Optický
modulátor
Propracování toho systému zahrnuje modulaci jednoho z laserových
paprsků oscilujícím zrcadlem. To dává jednoznačnou míru znaménka
potenciálu zeta.
Druhou výhodou modulátoru je, že nízká nebo nulová pohyblivost částic dává
stejně dobrý signál, takže měření je stejně přesné, jako pro částice
s vysokou pohyblivostí.
Tato technika zajišťuje přesný výsledek během několika sekund, s možností
pozorovat miliony částic.
Elektroosmotický
efekt
Stěny kapiláry cely nesou povrchový náboj tak, že aplikace
elektrického pole potřebného pro sledování elektroforézy způsobí, že
kapalina sousedící se stěnami podstoupuje elektroosmotický tok. Koloidní částice
budou podléhat tomuto toku navíc k jejich elektroforetické pohyblivosti. V
uzavřeném systému se však tok podél stěn musí kompenzovat obráceným
tokem dolů středem kapiláry.
V cele je bod, ve kterém je elektroosmotický tok nulový - kde se dva
toky kapaliny vyruší. Jestliže se pak měření provede v tomto bodě,
rychlost měřené částice bude skutečná
elektroforetická rychlost. Tento bod se nazývá stacionární
vrstva.
Je to místo, kde se kříží dva laserové paprsky; měřený potenciál zeta
je proto bez elektroosmotických chyb.
Vyhnutí
se elektroosmóze
Technika stacionární vrstvy popsaná výše se používala po mnoho
let. Kvůli efektu elektroosmózy se měření může provádět pouze ve
specifickém bodě uvnitř cely. Kdyby bylo možné úplně odstranit elektroosmózu,
pak by bylo také možné provádět měření částic ve kterémkoliv bodě v cele a získat skutečnou pohyblivost.
Toto je nyní možné. S kombinací laserové dopplerově velocimetrie a fázové
analýzy rozptylu světla (Phase Analysis
Light Scattering (PALS)) se toho může nyní dosáhnou pomocí
patentované techniky M3-PALS
firmy Malvern. Realizace M3-PALS umožňuje analyzovat dokonce vzorky s velmi nízkou
pohyblivostí a vypočítat distribuci jejich pohyblivosti.
Pro provádění měření v kterémkoliv bodě uvnitř cely a získání
elektroforetické pohyblivosti společnost Malvern vyvinula svou patentovanou
techniku M3-PALS.
Je to kombinace zlepšené metody laserové dopplerovy velocimetrie firmy
Malvern - technika měření M3
a aplikace PALS (Fázová analýza rozptylu světla
(Phase
Analysis Light Scattering)).
Jak bylo diskutované dříve, tradiční elektroforetická měření se
provádějí měřením částic ve stacionární vrstvě, v přesné poloze blízko
stěn cely. S M3 se může provádět měření kdekoli v cele, ačkoli s přístroji
řady Zetasizer Nano se to provádí uprostřed cely.
M3
sestává z měření "pomalého obracení pole" (Slow Field Reversal
(SFR)) a "rychlého obracení
pole" (Fast
Field Reversal (FFR)), z toho důvodu název "Měření ve smíšeném
režimu" (Mixed Mode
Measurement).
Měřící
poloha v cele
Metoda M3 provádí měření uprostřed cely, místo ve stacionární
vrstvě. V zásadě by se měření M3 mohlo provádět v libovolné poloze v
cele, nicméně, existuje řada důvodů, proč si zvolit pracovat uprostřed.
n
Měřící
zóna je dále od stěny cely, a tak se sníží možnost záření z blízkého
povrchu.
n
Seřízení
cely je méně kritické.
n
Náboj
na stěně cely se může vypočítat.
Obracení
aplikovaného pole
Všechny systémy, které měří pohyblivosti s použitím LDV (laserová
dopplerova velocimetrie) pravidelně obracejí aplikované pole během měření.
To je právě normálně pomalé obrácení pole zmíněné níže. M3 však
sestává ze dvou měření pro každé měření potenciálu zeta, jedno s
aplikovaným polem obraceným pomalu - měření SFR; a druhé s rychlým
obracením aplikovaného pole - měření FFR.
Pomalé
obracení pole (SFR)
Toto obracení se aplikuje pro snížení polarizace elektrod, které je
ve vodivém roztoku nevyhnutelné. Pole se obvykle obrací asi každou sekundu,
aby se umožnilo stabilizování toku kapaliny.
Rychlé
obracení pole (FFR)
Jestliže se pole obrací mnohem rychleji, je možné ukázat, že částice
dosáhnou mezní rychlost, zatímco tok kapaliny kvůli elektroosmóze je
zanedbatelný (zbytkový tok v grafu níže je zveličený). To znamená, že
pohyblivost měřená během této doby je pouze kvůli elektroforéze částic,
a není ovlivněná elektroosmózou.
Střední potenciál zeta, který se vypočítá touto technikou, je proto velmi
velký, protože poloha měření v cele není kritická. Nicméně, protože se
rychlost částic měří po tak krátký časový úsek, informace o distribuci
se degraduje. To je to, na co se obrací M3, technika PALS se používá pro určení
pohyblivosti částice v této části posloupnosti.
Posloupnost
měření M3
Měření M3 se provádí následujícím způsobem:
n
Měření
rychlého obracení pole
se provádí ve středu cely. To dává přesné stanovení průměru.
n
Provede
se měření pomalého
obracení pole. To dává lepší rozlišení, ale hodnoty pohyblivosti jsou posunuté
účinkem elektroosmózy.
n
Průměrné
potenciály zeta vypočítané z měření FFR a SFR se odečtou pro stanovení
osmotického toku. Tato hodnota se používá pro normalizování distribuce
pomalého obracení pole.
n
Hodnota
pro elektroosmózu se používá pro vypočítání potenciálu zeta stěny
cely.
Výhody
M3
Používáním M3 se celé měření potenciálu zeta zjednoduší. Již
není nutné, aby obsluha volila jakékoliv parametry systému pro měření,
protože příslušná nastavení se vypočítají jako součást posloupnosti
M3. Se snížením počtu proměnných měření se opakovatelnost i přesnost měření
zlepší. Navíc, seřízení již není problém, protože se netýká umístění
stacionární vrstvy. M3 se nyní kombinuje s měřením PALS.
Přidání
PALS a co to je?
PALS
(Phase Analysis Light Scattering)
(Fázová analýza rozptylu světla) je další zlepšení tradiční laserové
dopplerovy velocimetrie a implementace M3 popsané výše. Celkově aplikace PALS zlepšuje přesnost měření nízkých
pohyblivostí částic. To může dát zvýšení výkonu více než 100-krát,
než je u standardních technik měření. Metoda umožňuje měření vzorků s
vysokou vodivostí, navíc má schopnost přesně změřit vzorky, které mají
nízké pohyblivosti částic. Nyní se mohou používat nízká aplikovaná napětí
pro zabránění jakémukoliv riziku efektů vzorku, kvůli jouleovskému zahřívání.
Jak PALS
pracuje
Fázová analýza rozptylu světla, jak naznačuje název, používá
pro měření rychlosti částic fázový posuv, místo použití dopplerova
posuvu frekvence, způsobeného pohybujícími se částicemi. Fáze se zachová
ve světle rozptýleném pohybujícími se částicemi, ale je posunutá ve fázi
v poměru k jejich rychlosti. Tento fázový posuv se měří srovnáním fáze
světla rozptýleného částicemi s fází referenčního paprsku. Pro oddělení
malého podílu původního laserového paprsku pro použití jako referenční
se používá dělič paprsků. Fázová analýza signálu se může stanovit přesně
dokonce i v přítomnosti dalších efektů, které nejsou v důsledku
elektroforézy, například termální drifty v důsledku jouleovského zahřívání.
To je proto, že forma změny fáze kvůli aplikování pole je známá, takže
se různé efekty mohou oddělit. Protože elektroosmóza je zanedbatelná kvůli
implementaci M3, pak rozdíl mezi dvěma fázemi bude konstantní, takže dochází-li
k nějakému pohybu částic, pak se tento vztah fází změní. Detekce změny
fáze je citlivější na změny pohyblivosti, než tradiční detekce posunu
frekvence.
Elektroforetická
pohyblivost a následkem toho potenciál
zeta se pak stanoví sečtením fázových posuvů změřených během části
FFR měření.