Зета-потенциалы – тайғанақ жазықтықтағы электрлік потенциал. Бұл жазықтық – қозғалмалы сұйықтықты бетінде қалған сұйықтықтан бөлетін интерфейс. Зета-потенциалы – коллоидты дисперсиялардағы электрокинетикалық потенциалды білдіретін ғылыми термин. Коллоидты химия әдебиетінде ол әдетте грек әрпі zeta (ζ) арқылы белгіленеді, сондықтан ζ-потенциалы. Әдеттегі бірліктер – вольт (V) немесе, көбінесе, милливольт (mV). Теориялық тұрғыдан алғанда, зета-потенциалы – бұл сұйықтықтан алыс орналасқан жиектік сұйықтыққа қатысты тайғанақ жазықтығындағы интерфейстік қос қабаттағы (DL) электр потенциалы. Басқаша айтқанда, зета-потенциалы – дисперсия ортасы мен дисперсияланған бөлшекке жабысқан сұйықтықтың тұрақты қабаты арасындағы потенциалдық айырмашылық. Зета-потенциалы тайғанақ жазықтығымен шектелген аймақтағы электрлік зарядтың жалпы санына және осы жазықтықтың орналасуына байланысты. Осылайша, ол зарядтың шамасын анықтау үшін кеңінен қолданылады. Алайда, зета-потенциалы екі қабаттағы Стерн потенциалымен немесе электрлік беттік потенциалымен тең емес, өйткені олар әртүрлі орналасқан жерлерде анықталады. Мұндай теңдік туралы болжамдарды сақтықпен қолдану керек. Дегенмен, зета-потенциалы екі қабаттың қасиеттерін сипаттаудың көбінесе жалғыз мүмкіндігі болып табылады. Зета-потенциалы – коллоидты дисперсиялардың тұрақтылығының маңызды және оңай өлшенетін көрсеткіші. Зета-потенциалының шамасы дисперсиядағы жақын, бірдей зарядталған бөлшектер арасындағы электростатикалық итергіш күштің дәрежесін көрсетеді. Көлденеңінен жеткілікті кішкентай молекулалар мен бөлшектер үшін жоғары зета-потенциалы тұрақтылықты қамтамасыз етеді, яғни ерітінді немесе дисперсия агрегацияға қарсы тұрады. Потенциал төмен болған кезде, тартымды күштер осы итергіш күшті басып, дисперсия бұзылып, флокуляцияға ұшырауы мүмкін. Сондықтан, жоғары (теріс немесе оң) зета-потенциалы бар коллоидтар электрлік тұрақтылыққа ие, ал төмен зета-потенциалы бар коллоидтар кестеде көрсетілгендей коагуляцияға немесе флокуляцияға бейім. [[Файл:Зета потенциалы және pka. jpg|alt=Зета потенциалы, pKa және комплекстік полимерлер|thumb|[A] pH-қа тәуелді әлсіз қышқылдың [HA] және оның конъюгацияланған негізінің [A-] иондануы Хендерсон-Хассельбах теңдеуімен суреттелген; [B] pH-қа жауап беретін полимердің иондануы және ерігіштігінің pH функциясы бойынша; [C] зарядталған бөлшектің бетінен қашықтыққа байланысты потенциалдық айырмашылықтың схемалық кескіні; [D] pH-қа жауап беретін полимерлердің ерію механизмі рұқсат етумен қайта өңделген. [D] нөмірімен белгіленген шеңберлер (1) су мен гидроксил иондарының полимерлік матрицаға диффузиясы гель қабатын құру үшін, (2) гель қабатындағы полимерлік тізбектердің иондануы, (3) полимерлік тізбектердің гель қабатынан полимерлік ерітінді интерфейсіне дейін ажырауы, (4) полимерлік интерфейсте полимерлік тізбектердің одан әрі иондануы, (5) ажыратылған полимерлік тізбектердің интерфейстен жаппай ерітіндіге қарай диффузиясын көрсетеді. +Зета-потенциалына байланысты коллоидтің тұрақтылық мінез-құлқы Зета-потенциалының шамасы (мВ) Тұрақтылық мінез-құлқы 0-ден 5-ке дейін Жылдам коагуляция немесе флокуляция 10-нан 30-ға дейін Бастапқы тұрақсыздық 30-нан 40-қа дейін Орташа тұрақтылық 40-тан 60-қа дейін Жақсы тұрақтылық >61 Тамаша тұрақтылық
Zeta potential is the electrical potential at the slipping plane. This plane is the interface which separates mobile fluid from fluid that remains attached to the surface. Zeta potential is a scientific term for electrokinetic potential in colloidal dispersions. In the colloidal chemistry literature, it is usually denoted using the Greek letter zeta (ζ), hence ζ potential. The usual units are volts (V) or, more commonly, millivolts (mV). From a theoretical viewpoint, the zeta potential is the electric potential in the interfacial double layer (DL) at the location of the slipping plane relative to a point in the bulk fluid away from the interface. In other words, zeta potential is the potential difference between the dispersion medium and the stationary layer of fluid attached to the dispersed particle. The zeta potential is caused by the net electrical charge contained within the region bounded by the slipping plane, and also depends on the location of that plane. Thus, it is widely used for quantification of the magnitude of the charge. However, zeta potential is not equal to the Stern potential or electric surface potential in the double layer, because these are defined at different locations. Such assumptions of equality should be applied with caution. Nevertheless, zeta potential is often the only available path for characterization of double layer properties. The zeta potential is an important and readily measurable indicator of the stability of colloidal dispersions. The magnitude of the zeta potential indicates the degree of electrostatic repulsion between adjacent, similarly charged particles in a dispersion. For molecules and particles that are small enough, a high zeta potential will confer stability, i. e., the solution or dispersion will resist aggregation. When the potential is small, attractive forces may exceed this repulsion and the dispersion may break and flocculate. So, colloids with high zeta potential (negative or positive) are electrically stabilized while colloids with low zeta potentials tend to coagulate or flocculate as outlined in the table. [[File:Zeta potential and pka. jpg|alt=Zeta potential, pKa and complex polymers|thumb|[A] pH dependant ionisation of a weak acid [HA] and its conjugated base [A ] drawn using Henderson Hasselbalch equation; [B] Ionisation and solubility of a pH responsive polymer as a function of pH [C] A schematic showing the potential difference as a function of distance from the charged surface of a particle in a medium; [D] Dissolution mechanism of pH responsive polymers reproduced with permission from. The encircled numbers in [D] represent (1) Diffusion of water and hydroxyl ions into the polymer matrix to form a gel layer, (2) Ionization of polymer chains in the gel layer, (3) Disentanglement of polymer chains out of the gel layer to the polymer solution interface, (4) Further ionization of polymer chains at the polymer interface, (5) Diffusion of disentangled polymer chains away from the interface toward the bulk solution. +Stability behaviour of a colloid depending on zeta potential Magnitude of Zeta potential (mV) Stability behavior 0 to 5 Rapid coagulation or flocculation 10 to 30 Incipient instability 30 to 40 Moderate stability 40 to 60 Good stability >61 Excellent stability
Өлшем
Зета потенциалын өлшеуге мүмкіндік беретін бірнеше жаңа аспаптар бар. Зета потенциалын талдағыш қатты, талшықты немесе ұнтақ материалды өлшеуге арналған. Аспаптың ішіндегі мотор сынама арқылы электролит ерітіндісінің құбылмалы ағынын тудырады. Аспаптағы бірнеше сенсорлар басқа факторларды қадағалайды, сондықтан қоса берілген бағдарламалық жасақтама зетта потенциалын анықтау үшін есептеулер жүргізе алады. Осы себепті температура, pH, өткізгіштік, қысым және ағын потенциалы аспапта өлшенеді. Зетта потенциалын теориялық модельдерді, сондай-ақ эксперименттік жолмен анықталған электрофоретикалық немесе динамикалық электрофоретикалық ұтқырлықты пайдалану арқылы есептеуге болады. Электрокинетикалық және электроакустикалық құбылыстар зетта потенциалын есептеу үшін қолданылатын негізгі дерек көздері болып табылады. (Зетта потенциалының титрациясына қараңыз.)
Some new instrumentations techniques exist that allow zeta potential to be measured. The Zeta Potential Analyzer can measure solid, fibers, or powdered material. The motor found in the instrument creates an oscillating flow of electrolyte solution through the sample. Several sensors in the instrument monitor other factors, so the software attached is able to do calculations to find the zeta potential. Temperature, pH, conductivity, pressure, and streaming potential are all measured in the instrument for this reason. Zeta potential can also be calculated using theoretical models, and an experimentally determined electrophoretic mobility or dynamic electrophoretic mobility. Electrokinetic phenomena and electroacoustic phenomena are the usual sources of data for calculation of zeta potential. (See Zeta potential titration.)
Электрокинетикалық құбылыстар
Электрофорез бөлшектердің зета-потенциалын бағалау үшін қолданылады, ал ағынды потенциал/ток – кеуекті денелер мен тегіс беттер үшін. Іс жүзінде дисперсияның зета-потенциалы дисперсияға электр өрісін қолдану арқылы өлшенеді. Дисперсиядағы зета-потенциалы бар бөлшектер, зета-потенциалының шамасына пропорционал жылдамдықпен қарама-қарсы зарядталған электродқа қарай қозғалады. Бұл жылдамдық лазерлік Допплер анемометрі әдісімен өлшенеді. Осы қозғалатын бөлшектердің салдарынан туындаған түсетін лазер сәулесінің жиілік немесе фазалық ығысы бөлшектердің жылдамдығы ретінде өлшенеді, ал бұл жылдамдық дисперстің тұтқырлығы мен диэлектрлік өткізгіштігін ескере отырып, Смолуховский теорияларын қолдану арқылы зета-потенциалына айналдырылады.
Electrophoresis is used for estimating zeta potential of particulates, whereas streaming potential/current is used for porous bodies and flat surfaces. In practice, the zeta potential of dispersion is measured by applying an electric field across the dispersion. Particles within the dispersion with a zeta potential will migrate toward the electrode of opposite charge with a velocity proportional to the magnitude of the zeta potential. This velocity is measured using the technique of the laser Doppler anemometer. The frequency shift or phase shift of an incident laser beam caused by these moving particles is measured as the particle mobility, and this mobility is converted to the zeta potential by inputting the dispersant viscosity and dielectric permittivity, and the application of the Smoluchowski theories.
Электрофорез
Электрофоретикалық жылдамдық электрофоретикалық қозғалысқа пропорционалды, ал ол – өлшенетін параметр. Электрофоретикалық қозғалыс пен зета-потенциалды байланыстыратын бірнеше теориялар бар. Олар электрофорез туралы мақалада қысқаша, ал коллоидтық және интерфейстік ғылымдар бойынша көптеген кітаптарда толық сипатталған. Әлемдік сарапшылар тобы дайындаған электрокинетикалық құбылыстар жөніндегі IUPAC техникалық есебі де бар. Құралдық тұрғыдан алғанда, үш түрлі тәжірибелік әдіс қолданылады: микроэлектрофорез, электрофоретикалық жарық шашырауы және реттелетін кедергілік импульсті сезгіш (TRPS). Микроэлектрофорездің артықшылығы – қозғалатын бөлшектердің бейнесін алу мүмкіндігі. Алайда, бұл үлгі жасушасының қабырғаларында электроосмоз пайда болуымен қиындатылады. Электрофоретикалық жарық шашырауы динамикалық жарық шашырауының негізінде құрылған. Ол капиллярлық жасушадан басқа, электроосмостық ағын мәселесін жоятын ашық жасушада өлшеуге мүмкіндік береді. Бұл әдіс өте кішкентай бөлшектерді сипаттауға қолданылады, бірақ қозғалатын бөлшектердің бейнесін көрсету мүмкіндігінен айырылуына соқтырады. Реттелетін кедергілік импульсті сезгіш (TRPS) – кедергіге негізделген өлшеу әдісі, ол кедергілік импульс сигналының ұзақтығы бойынша жеке бөлшектердің зета-потенциалын анықтайды. Нанобөлшектердің транслокация уақыты кернеу және қолданылатын қысымға байланысты өлшенеді. Кері транслокация уақыты мен кернеуге тәуелді электрофоретикалық қозғалыс арқылы зета-потенциалдар есептеледі. TRPS әдісінің басты артықшылығы – ол бір бөлшек бойынша бір мезгілде өлшем мен беттік зарядын өлшеуге мүмкіндік береді, соның арқасында синтетикалық және биологиялық нано/микробөлшектердің және олардың қоспаларының кең спектрін талдауға болады. Мұның барлық өлшеу әдістері үшін үлгіні сұйылту қажет болуы мүмкін. Кейде мұндай сұйылту үлгінің қасиеттеріне әсер етіп, зета-потенциалын өзгерте алады. Сұйылтуды орындаудың жалғыз дұрыс жолы – тепе-теңдік супернатантты пайдалану. Бұл жағдайда, бет пен көлемдік сұйықтық арасындағы интерфейстік тепе-теңдік сақталады және зета-потенциалы суспензиядағы бөлшектердің барлық көлемдік үлестері үшін бірдей болады. Егер сұйылтқыш белгілі болса (мысалы, химиялық формула үшін), қосымша сұйылтқышты дайындауға болады. Егер сұйылтқыш белгісіз болса, тепе-теңдік супернатантты центрифугалау арқылы оңай алуға болады.
Electrophoretic mobility is proportional to electrophoretic velocity, which is the measurable parameter. There are several theories that link electrophoretic mobility with zeta potential. They are briefly described in the article on electrophoresis and in details in many books on colloid and interface science. There is an IUPAC Technical Report prepared by a group of world experts on the electrokinetic phenomena. From the instrumental viewpoint, there are three different experimental techniques: microelectrophoresis, electrophoretic light scattering, and tunable resistive pulse sensing. Microelectrophoresis has the advantage of yielding an image of the moving particles. On the other hand, it is complicated by electro osmosis at the walls of the sample cell. Electrophoretic light scattering is based on dynamic light scattering. It allows measurement in an open cell which eliminates the problem of electro osmotic flow except for the case of a capillary cell. And, it can be used to characterize very small particles, but at the price of the lost ability to display images of moving particles. Tunable resistive pulse sensing (TRPS) is an impedance based measurement technique that measures the zeta potential of individual particles based on the duration of the resistive pulse signal. The translocation duration of nanoparticles is measured as a function of voltage and applied pressure. From the inverse translocation time versus voltage dependent electrophoretic mobility, and thus zeta potentials are calculated. The main advantage of the TRPS method is that it allows for simultaneous size and surface charge measurements on a particle by particle basis, enabling the analysis of a wide spectrum of synthetic and biological nano/microparticles and their mixtures. All these measuring techniques may require dilution of the sample. Sometimes this dilution might affect properties of the sample and change zeta potential. There is only one justified way to perform this dilution – by using equilibrium supernatant. In this case, the interfacial equilibrium between the surface and the bulk liquid would be maintained and zeta potential would be the same for all volume fractions of particles in the suspension. When the diluent is known (as is the case for a chemical formulation), additional diluent can be prepared. If the diluent is unknown, equilibrium supernatant is readily obtained by centrifugation.
Ағымы бар потенциал, ағымы бар ток
Ағып өту потенциалы – сұйықтықтың капилляр арқылы ағуы кезінде пайда болатын электр потенциалы. Табиғатта, вулкандық белсенділік болатын аймақтарда ағып өту потенциалы айтарлықтай шамада болуы мүмкін. Ағып өту потенциалы – қатты материалдың су интерфейсіндегі зета-потенциалды бағалау үшін негізгі электрокинетикалық құбылыс. Тиісті қатты үлгі капиллярлық ағын арнасын құру үшін орналастырылады. Жазық беті бар материалдар параллель пластиналар ретінде орналастырылған екі үлгі түрінде орнатылады. Үлгі беттері капиллярлық ағын арнасын құру үшін шағын қашықтықта бөлінеді. Тілшелер немесе ұсақ бөлшекті орта сияқты бейреттелген пішіндегі материалдар, ағып өту потенциалын өлшеу үшін капиллярлар қызметін атқаратын тесікті желіні қамтамасыз ету мақсатында тесікті тығын ретінде орнатылады. Сынақ ерітіндісіне қысым қолданғанда сұйықтық ағып, электр потенциалын тудырады. Бұл ағып өту потенциалы, беттік зета-потенциалды есептеу үшін бір ағын арнасының (жазық беті бар үлгілер үшін) немесе тесікті тығынның (тілшелер мен ұсақ бөлшекті орталар үшін) арасындағы қысым градиентімен байланысты. Ағып өту потенциалын өлшеуге балама ретінде ағын тогын өлшеу беттік зета-потенциалды анықтаудың тағы бір тәсілін ұсынады. Көбінесе, Мариан Смолуховски ұсынған классикалық теңдеулер ағып өту потенциалы немесе ағын тогы нәтижелерін беттік зета-потенциалына түрлендіру үшін қолданылады. Ағып өту потенциалы және ағын тогы әдісінің қолданылу салалары полимерлік мембраналардың, биоматериалдардың, медициналық құрылғылардың және минералдардың беттік зарядын сипаттау үшін беттік зета-потенциалды анықтаудан тұрады.
The streaming potential is an electric potential that develops during the flow of liquid through a capillary. In nature, a streaming potential may occur at a significant magnitude in areas with volcanic activities. The streaming potential is also the primary electrokinetic phenomenon for the assessment of the zeta potential at the solid material water interface. A corresponding solid sample is arranged in such a way to form a capillary flow channel. Materials with a flat surface are mounted as duplicate samples that are aligned as parallel plates. The sample surfaces are separated by a small distance to form a capillary flow channel. Materials with an irregular shape, such as fibers or granular media, are mounted as a porous plug to provide a pore network, which serves as capillaries for the streaming potential measurement. Upon the application of pressure on a test solution, liquid starts to flow and to generate an electric potential. This streaming potential is related to the pressure gradient between the ends of either a single flow channel (for samples with a flat surface) or the porous plug (for fibers and granular media) to calculate the surface zeta potential. Alternatively to the streaming potential, the measurement of streaming current offers another approach to the surface zeta potential. Most commonly, the classical equations derived by Maryan Smoluchowski are used to convert streaming potential or streaming current results into the surface zeta potential. Applications of the streaming potential and streaming current method for the surface zeta potential determination consist of the characterization of surface charge of polymer membranes, biomaterials and medical devices, and minerals.
Электроакустикалық құбылыстар
Зета-потенциалды сипаттау үшін кеңінен қолданылатын екі электроакустикалық эффект бар: коллоидтік діріл тогы және электрлік дыбыс амплитудасы. Бұл теория бастапқыда электрофорез үшін жасалған, бірақ қазір электроакустикаға да қолданылады. және Бут. Кез келген зета-потенциал үшін жарамды, қазіргі заманғы қатаң электрокинетикалық теориялар негізінен советтік украиндық (Духин, Шилов және басқалар) және австралиялық (О'Брайен, Уайт, Хантер және басқалар) мектептерінен пайда болған. Тарихи тұрғыдан алғанда, алғашқысы Духин-Семеніхин теориясы болды. Осыған ұқсас теорияны он жылдан кейін О'Брайен мен Хантер жасады. Жұқа қос қабатты болған жағдайда, бұл теориялар О'Брайен мен Уайт ұсынған сандық шешімге өте жақын нәтижелер береді. Дебье ұзындығы мен Духин санының кез келген мәні үшін жарамды жалпы электроакустикалық теориялар да бар.
There are two electroacoustic effects that are widely used for characterizing zeta potential: colloid vibration current and electric sonic amplitude. This theory was originally developed for electrophoresis; however, an extension to electroacoustics is now also available. and Booth. Modern, rigorous electrokinetic theories that are valid for any zeta potential, and often any , stem mostly from Soviet Ukrainian (Dukhin, Shilov, and others) and Australian (O'Brien, White, Hunter, and others) schools. Historically, the first one was Dukhin–Semenikhin theory. A similar theory was created ten years later by O'Brien and Hunter. Assuming a thin double layer, these theories would yield results that are very close to the numerical solution provided by O'Brien and White. There are also general electroacoustic theories that are valid for any values of Debye length and Dukhin number.
Генри теңдеуі
Кка үлкен мәндердің арасында, онда қарапайым талдамалық модельдер қолжетімді, және төмен мәндердің арасында, онда сандық есептеулер жарамды болғанда, зета потенциалы төмен болса Генри теңдеуін қолдануға болады. Өткізбейтін шар үшін Генри теңдеуі , мұндағы f1 – Генри функциясы, κa шексіздікке жақындағанда 1.0-ден 1.5-ке дейін тегіс өзгеретін функциялар жиынтығының бірі.
When κa is between large values where simple analytical models are available, and low values where numerical calculations are valid, Henry's equation can be used when the zeta potential is low. For a nonconducting sphere, Henry's equation is , where f1 is the Henry function, one of a collection of functions which vary smoothly from 1.0 to 1.5 as κa approaches infinity.