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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。
粒径
最小浓度(推荐)
最大浓度(推荐)
<
10nm
0.5g/l
仅由样品材料相互作用、聚集、胶凝作用等限制
10nmto100nm
0.1mg/l
5%质量(假定密度1g/cm3)
100nmto1μm
0.01g/l(10-3%质量)
1%质量(假定密度1g/cm3)
>
1μm
0.1g/l(10-2%质量)
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(10kcps),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
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“Numberfluctuation”(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0.001g/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1g/cm3的不同浓度溶液中,每散射体积中粒子数的估算图。
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
ZetasizerNano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中央,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Logsheet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10-6w/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universaldipcell(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250mV。
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?
ZetasizerNano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。
ZetasizerNano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(Numberdistribution)。
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。
Intensity(光强)、Volume(体积)和Number(数量)分布
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。
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。
ZetasizerNano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
,用于提供照射样品池
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
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ZetasizerNano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
”,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
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
,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
ZetasizerNanoS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ZetasizerNano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。
对小粒子或较低浓度样品,使样品的散射量最大化是有利的。
因为激光穿样品池壁并进入分散剂,样品池壁会引起“闪光”。
这种闪光可能覆盖散射信号。
将测量点移离样品池壁,移向样品池中心,将消除这些效应。
大颗粒或较高浓度样品散射更多的光。
在这种情况下,距离样品池壁较近的测量,将降低多重散射效应。
在这种情况中,样品池壁的闪光将具有较少影响。
与散射信号比较,任何闪光强度都会按比例降低。
测量位置由Zetasizer软件自动确定。
90°
检测光学构造—经典装置
ZetasizerNano仪器范围中已包括90°
型号即ZetasizerNanoS90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
ZetasizerNano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(isoelecticpoint),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。
电动学效应
在粒子表面存在电荷的重要结果,是它们在所施加的电场影响下呈现一定效应。
这些效应被集体定义为电动效应。
依赖于哪种运动的方式被诱导,有四种明显的效应。
他们是:
电泳:
在所施加的电场影响下,带电粒子相对于其悬浮液体的运动。
电渗:
在所施加的电场影响下,液体相对于静止的带电表面的运动。
泳动电位:
当液体被迫流过静止的带电表面时所产生的电场。
沉降电位:
当带电粒子相对于静止液体运动时产生的电场。
电泳
当电场施加于电解质时,悬浮在电解质中的带电粒子被吸引向相反电荷的电极。
作用于粒子的粘性力倾向于对抗这种运动。
当这两种对抗力达到平衡时,粒子以恒定的速度运动。
粒子的速度依赖于下述因素:
电场或电压梯度的强度。
介质的介电常数。
介质的粘度。
Zeta电位。
电场中粒子的速度通常指的是电泳迁移率。
已知这个速度时,通过应用Henry方程,我们可以得到粒子的Zeta电位。
亨利(Henry)方程是:
z:
Zeta电位.
UE:
电泳迁移率
ε:
介电常数
η:
粘度
?
(Ka):
Henry函数
有两个值通常用于f(Ka)测定的近似,即1.5或1.0。
通常在水性介质和中等电解质浓度下进行Zeta电位的电泳测定法。
在这种情况下f(Ka)是1.5,即Smoluchowski近似。
因此,对适合Smoluchowski模型的系统,即大于0.2微米的粒子分散在含大于10-3摩尔盐的电解质溶液中,可由此中算法直接从迁移率计算Zeta电位。
Smoluchowski近似用于弯曲式毛细管样品池和通用插入式样品池的水相样品。
对较低介电常数介质中的小粒子,f(Ka)为1.0,允许同样的简单计算。
这通常指Huckel近似。
非水相
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