Zéta-potenciál mérése végrehajtható a dinamikus lézerfényszórás (DLS) elve alapján működő Microtrac készülékekkel. Ezek az analizátorok egyidejűleg szolgáltatnak információt a szemcsék méretéről, koncentrációjáról, molekulasúlyáról és zéta-potenciáljáról. A Microtrac cég úttörő munkát végez a szemcseméretanalízis területén, már 30 éve fejleszt és gyárt DLS analizátorokat.
Szemcsék, cseppecskék vagy kolloid részek körül rendszerint elektromos kettősréteg alakul ki a folyadékban lévő ionokból. Ez azért történik, mert felszínükön rendszerint jelenlévő felületi töltés vonzza ezeket az (ellen)ionokat. Ha mozog a szemcse a folyadékban, akkor vele együtt mozog ez az elektromos kettősréteg az ún. nyírási felület - azaz az elektromos kettősréteg és a környező folyadék közötti határfelület - mentén. A nyírási felületen mért elektromos potenciál a zéta-potenciál. mV mértékegységben adják meg, értéke rendszerint -200 mV és + 200 mV tartományba esik.
| Rétegfelület | Potenciál | |
| 1. | Felületi töltés (negatív) | Felületi potenciál |
| 2. | Stern-felület | Stern-potenciál |
| 3. | Nyírási felület | ζ-potenciál (zéta-potenciál) |
Nagy pozitív vagy nagy negatív zéta-potenciállal rendelkező szemcsék között erősen taszító elektromos kölcsönhatás lép fel. Ez megakadályozza, hogy a szemcsék közel kerüljenek egymáshoz és agglomerátumokat képezzenek.
A DLVO elmélet szerint, ha szemcsék közel kerülnek egymáshoz, akkor közöttük dipól-dipól kölcsönhatáson alapuló van der Waals erők kezdenek hatni. Ezek az erők vonzó jellegűek. Zérus közeli zéta-potenciál értéknél az elektromos kettősréteg taszító hatása kicsiny, ezért valószínűbb, hogy összetapadnak (agglomerálódnak) a szemcsék.
A zéta-potenciál ugyan nem közvetlenül méri egy szuszpenzió stabilitását, ám jó becslést ad róla. Mivel a zéta-potenciál sokkal könnyebben és gyorsabban mérhető, mint a stabilitás, ezért gyakran használják a szuszpenziók minősége jellemzésére.
Az elektrolitok összetétele és koncentrációja megváltozása a zéta-potenciál eltolódásához vezet.
Az ábrák 5 minta példáján mutatják be ezt az összefüggést:
(1) -20.6 mV (2) -16.8 mV (3) -9.9 mV (4) +13.9 mV (5) +15.1 mV
Pozitív töltésű polielektrolit egyre növekvő mértékű hozzáadásával változik a minta szemcsemérete is:
(1) vörös, (2) zöld, (3) sárga, (4) kék, (5) lila
A zéta-potenciál értéke egyrészt a szemcsék tulajdonságaitól, pl. anyaguk fajtájától, felszínük jellegétől függ. Másrészt erősen függ a diszpergáló folyadéktól is. Itt az elektrolitok (oldott ionok) típusa és koncentrációja játszik döntő szerepet.
Nagyon gyakran különböző pH-értéknél mérik a zéta-potenciált, és anyagfajtától függően jelentős eltolódások figyelnek meg. Sok esetben pozitívról negatívra vált a zéta-potenciál előjele a pH-érték növekedésekor. A zérus zéta-potenciálnak megfelelő pH-értéket izoelektromos pontnak is nevezik. Ebben az állapotban nagyon valószínű flokkulálódás (pelyhesedés) vagy agglomerálódás (csomósodás) előfordulása, mivel az elektromos kettősréteg gyakorlatilag semlegesítve van.
Ezért a zéta-potenciál mérését titrálással kombinálva különböző pH-értékeknél hajtják végre.
Számos módja van a zéta-potenciál mérésének. A leggyakrabban alkalmazott módszer az ún. lézer-Doppler-elektroforézis, ezt használják a Microtrac szemcseanalizátorokban is. A Microtrac cég dinamikus lézerfényszórás analizátorai ugyanazt a frekvencia teljesítményspektrum számítást alkalmazzák a zéta-potenciál méréséhez, mint a nanoszemcsék mérete meghatározásához.
A méretméréshez hasonlóan ekkor is visszaszórt fényt detektálnak lézererősítéssel, az alkalmazott elektromos tér iránya gyors váltakozása pedig az elektro-ozmózis előfordulását akadályozza meg. A két mérőfej közül az egyik (=elektróda) a szemcsék töltése előjele meghatározására, a másik (=optikai szonda) elektromos térben való mozgékonysága meghatározására szolgál.
A mérőcellában lévő kationos (pozitív töltésű) szemcsék az optikai szonda felé, az anionosak (=negatív töltésűek) pedik az elektróda felé vándorolnak. A mérés alapfeladata tehát töltött szemcsék váltakozó elektromos térben történő mozgékonysága meghatározása.
1. feszültségforrás | 2. teflon zéta mérőcella | 3. ellenoldali elektróda | 4. optikai mérőfej
A zéta-potenciál mérése tehát a szemcsék Brown-féle és külső elektromos tér által indukált mozgásból (sebességéből) származó modulált frekvencia teljesítményspektrum analízisén alapul. A zéta-potenciál arányos a szemcsék mozgékonyságával. Az elektroforetikus mozgékonyság zéta-potenciálba való átszámításához a következő paramétereket kell figyelembe venni: dielektromos állandó és Henry-féle együttható.
Dielektromos állandó értékek az irodalomban fellelhetők. A Henry-féle együtthatót az elektromos kettősréteg vastagsága és a szemcseméret aránya adja meg. Ehhez a szuszpenzió típusától függően különböző modelleket és megközelítéseket alkalmaznak. Vizes rendszerek esetén ez a Smoluchowski-féle megközelítés, apolárisok esetén a Hueckel-féle.
Mindkét számítási modellt tartalmazza a Microtrac szemcseanalizátor adatkiértékelő szoftvere.
Helyes eredményeket adó szemcseméret és zéta-potenciál analizátor, nanoszemcsék méréséhez ideális
Munkatársaink szívesen adnak tanácsot készülékeinkről és alkalmazási lehetőségeikről.
A zéta-potenciál a nanoszemcse, cseppecske vagy kolloid rész nyírási felületén mért elektromos potenciál. Folyékony közegben diszpergált nanoszemcsék felületén elektromos töltés van, emiatt a szemcsék körül ún. elektromos kettősréteg alakul ki, mivel a szemcsék felületi töltését ellenionok egyenlítik ki a diszpergáló közegből. A kettősrétegen belül folyamatosan változik az elektromos potenciál (az oldat belsejében mérthez képest). Ha mozog a szemcse a közegben, akkor hozzátapadva vele együtt elmozdul egy ionréteg is, ez a nyírási felület. E nyírási felületen mért elektromos potenciál a zéta-potenciál.
A zéta-potenciált a szemcsék elektroforetikus mozgékonysága meghatározása útján közvetett módon mérik. Többféle módja is van a zéta-potenciál meghatározásának, leginkább a lézer-Doppler-elektroforézis módszerét használják. A mérés során váltakozó elektromos térben való mozgékonyságuk mértéke szerint a pozitív szemcsék az anód felé, a negatívok a katód felé vándorolnak. A zéta-potenciál azután a mért mozgékonyságból számítódik a Henry-féle vagy Smoluchowski-féle egyenlet alapján.
A zéta-potenciál jelezheti egy szuszpenzió vagy emulzió stabilitását. Általánosságban minél nagyobb e potenciál értéke, annál stabilabb a szuszpenzió vagy emulzió. A stabilitás szempontjából érdektelen a potenciál (pozítív vagy negatív) előjele. Az előjelnek azonban komoly jelentősége van a szuszpenzió vagy emulzió alkalmazása szempontjából.
A zéta-potenciál értékét több tényező is befolyásolhatja, pl. a közeg pH-értéke vagy elektromos vezetőképessége. Mindkettő lényeges szerepet játszik a zéta-potenciál nagysága és előjele szempontjából. Polielektrolitoknak is hasonló a hatása. Ha megváltozik az előjel, akkor közben a rendszer áthalad az izoelektromos (pH) vagy zérus töltésű (polielektrolitok) ponton. Ezekben a pontokban a zéta-potenciál érték ±0. Erős hígításnak is lehet ilyen hatása.
