Zeta 電位通常用于研究液體介質(zhì)中顆粒分散體系的等電點(diǎn)(IEP)和表面吸附，并作為比較不同樣品靜電分散穩(wěn)定性的指標(biāo)。Zeta電位不是可直接測(cè)量的量，而是使用適當(dāng)理論確定的量。此外，Zeta電位不是懸浮顆粒的固有屬性，而是取決于顆粒和介質(zhì)屬性，以及它們?cè)诮缑嫔系南嗷プ饔?。介質(zhì)的化學(xué)成分和離子濃度的任何變化都會(huì)影響這種界面平衡，從而影響Zeta電位。因此，樣品制備和測(cè)量過(guò)程都會(huì)影響測(cè)定結(jié)果。為了避免zeta電位測(cè)量操作問(wèn)題使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差，需要一個(gè)統(tǒng)一的zeta電位測(cè)量操作指導(dǎo)原則。

近期，GB/Z 42353-2023《Zeta電位測(cè)定操作指南》發(fā)布實(shí)施，提供了使用光學(xué)電泳遷移法或電聲法測(cè)定Zeta電位的樣品制備和測(cè)量過(guò)程的操作指南。本文特邀該標(biāo)準(zhǔn)主要起草人、ISO顆粒表征專(zhuān)家許人良博士對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀。

一、背景

近年來(lái)，Zeta電位這個(gè)參數(shù)越來(lái)越多地出現(xiàn)在各行各業(yè)。Zeta電位的測(cè)定不僅被用于科學(xué)探索，產(chǎn)品研發(fā)的理論設(shè)計(jì)、各個(gè)階段的試驗(yàn)、最終產(chǎn)品的參數(shù)設(shè)定，在生產(chǎn)中也越來(lái)越多地被用于過(guò)程控制，以及中間產(chǎn)品或最終產(chǎn)物的質(zhì)量控制，關(guān)于Zeta電位的在線測(cè)定也有所報(bào)道。

而在化學(xué)工業(yè)出版社2023年出版《Zeta電位實(shí)用指南》專(zhuān)著之前，國(guó)內(nèi)外尚缺乏有關(guān)Zeta電位的專(zhuān)業(yè)書(shū)籍，在相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)圖書(shū)中涉及的Zeta電位專(zhuān)業(yè)知識(shí)也不盡詳細(xì)。高等教育中除了膠體化學(xué)專(zhuān)業(yè)課程，一般本科物理化學(xué)教學(xué)中涉及Zeta電位的很少，致使很多使用者不能完全理解這一參數(shù)的物理意義，難以正確地進(jìn)行樣品制備與測(cè)量、闡釋測(cè)量結(jié)果，從而將測(cè)量結(jié)果應(yīng)用到所要解決的理論或?qū)嵺`問(wèn)題中去。

與其他顆粒表征的參數(shù)不同，Zeta電位不是通過(guò)直接測(cè)量得到的，而是通過(guò)測(cè)量某個(gè)物理量，然后使用某一理論模型得到的；Zeta電位不僅是顆粒表面的特性，而與顆粒的濃度以及所處的介質(zhì)性質(zhì)也密切有關(guān)。由于這兩個(gè)特性，在Zeta電位的測(cè)定以及數(shù)據(jù)闡釋中，普遍存在錯(cuò)誤的操作、計(jì)算與結(jié)論。

基于上述原因，及時(shí)制定發(fā)布《Zeta電位測(cè)定操作指南》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為廣大科技工作者提供正確的Zeta電位測(cè)定操作指導(dǎo)，是極其重要與必要的。本標(biāo)準(zhǔn)等同采用由ISO TC24/SC4制定的ISO/TR 19997:2018《Guidelines for good practice in zeta-potential measurement》，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的空白，為膠體顆粒Zeta電位測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)化奠定了良好的基礎(chǔ)；對(duì)正確使用Zeta電位測(cè)定技術(shù)與數(shù)據(jù)解釋?zhuān)哂兄匾膮⒖純r(jià)值。本標(biāo)準(zhǔn)制定了用于測(cè)定Zeta電位的樣品制備和測(cè)定過(guò)程的一般指導(dǎo)原則，有望統(tǒng)一國(guó)內(nèi)的測(cè)試方案，在科研、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域有著重要意義。

二、制定過(guò)程

本標(biāo)準(zhǔn)涉及的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域較為廣泛，因此集合了國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的一批權(quán)威代表性機(jī)構(gòu)和企業(yè)合作完成。主要參與單位有山東理工大學(xué)、上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院、中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司、河南中科智能制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)中心有限公司。

2021年4月，標(biāo)準(zhǔn)起草工作組組建，討論了具體的工作過(guò)程，擬定了相應(yīng)的工作計(jì)劃和各單位承擔(dān)的工作內(nèi)容。此標(biāo)準(zhǔn)的編制工作依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1 部分:標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草》，《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 第2 部分:以ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)化文件為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)化文件起草規(guī)則》，以及《國(guó)際單位制(SI)和國(guó)際單位制多功能與某些其它單位的使用推薦規(guī)程》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

本標(biāo)準(zhǔn)共進(jìn)行了一項(xiàng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，對(duì)聚苯乙烯的濃溶液采用均衡稀釋法進(jìn)行稀釋?zhuān)谝幌盗袧舛葪l件下測(cè)量樣品的Zeta電位，說(shuō)明均衡稀釋法使得樣品的特性除了顆粒濃度外，其余的都保持原樣，顆粒的Zeta電位在稀釋過(guò)程中沒(méi)有改變。

經(jīng)過(guò)廣泛征求修改意見(jiàn)與評(píng)審會(huì)專(zhuān)家意見(jiàn)，并經(jīng)過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本標(biāo)準(zhǔn)最終于2023年3月發(fā)布， 并于10月1日起實(shí)施。

三、主要內(nèi)容

本標(biāo)準(zhǔn)首先概括性地介紹了Zeta電位的定義與特性，主要用途，以及主要測(cè)量技術(shù)。強(qiáng)調(diào)了從不穩(wěn)定懸浮液到穩(wěn)定懸浮液轉(zhuǎn)變的臨界Zeta電位值，只在有限的應(yīng)用中才得到證實(shí)，需要小心使用。并建議以監(jiān)測(cè)和關(guān)聯(lián)第二被測(cè)量（例如粒度分布，濁度，黏度等）以驗(yàn)證由Zeta電位測(cè)量得到的結(jié)論。

本標(biāo)準(zhǔn)分兩章詳細(xì)地描述了樣品制備與測(cè)定的不確定度與誤差來(lái)源。

樣品制備：Zeta電位測(cè)定起始于取樣。只有當(dāng)測(cè)試樣品能夠代表某一材料批次，且取樣量足夠時(shí)，在該樣品中測(cè)到的實(shí)驗(yàn)值才適用于該批次。在大多數(shù)的應(yīng)用中，樣品必須保持穩(wěn)定狀態(tài)，例如沒(méi)有沉淀、團(tuán)聚等現(xiàn)象，否則所測(cè)量的實(shí)驗(yàn)值只能代表某一時(shí)間段的狀態(tài)。

除了懸浮液樣品制備中的一般做法以外，由于顆粒的Zeta電位取決于顆粒以及分散介質(zhì)，如果不采取特殊措施，簡(jiǎn)單的稀釋可能會(huì)改變介質(zhì)的化學(xué)成分，從而影響顆粒Zeta電位。樣品制備需要遵循的程序是能從原始體系變?yōu)榭捎糜跍y(cè)量的稀釋樣品后，Zeta電位不變。這就要求在稀釋時(shí)，不僅原始體系和稀釋后體系之間的顆粒及其表面保持相同，而且介質(zhì)保持相同的電化學(xué)性質(zhì)，有相同的pH值和各種離子濃度，也即除了顆粒濃度，懸浮液的其他特性都不變。使用去離子水進(jìn)行簡(jiǎn)單稀釋是一種常見(jiàn)的誤導(dǎo)性且通常不正確的制備Zeta電位測(cè)量樣品的方法。

樣品稀釋可以遵循所謂的平衡稀釋方法，即使用與原始體系中相同的液體作為稀釋劑。如果處理得當(dāng)，平衡稀釋會(huì)導(dǎo)致樣品中唯一修改的參數(shù)是顆粒濃度。理論上只有基于平衡稀釋的樣品制備過(guò)程才能產(chǎn)生與初始體系有相同Zeta電位的稀釋樣品。

得到用于平衡稀釋的液體有三種方法。第一種方法包括使用重力沉降或離心法提取上清液。然后用此清液或“母液”將初始樣品稀釋至所選測(cè)量技術(shù)的最佳程度。該方法適用于相對(duì)于介質(zhì)有足夠密度差的顆粒。對(duì)于用第三相（乳化劑）穩(wěn)定的通常不混溶的油相和水相的乳液，離心方法不適用。通常將其稀釋到匹配的離子背景中，使在初始的濃的和稀釋后的懸浮液有相同的離子背景。該稀釋劑可通過(guò)了解分散劑相中的離子組成（離子、離子表面活性劑）獲得。第三種可能更適合納米和生物膠體的方法是使用透析。透析膜需要對(duì)離子和分子具有滲透性，但對(duì)膠體顆粒不具有滲透性。

如果樣品需要稀釋?zhuān)ㄗh在不同濃度下進(jìn)行一系列測(cè)量，這樣可以觀察到顆粒-顆粒相互作用的影響或其他稀釋效應(yīng)。通常，由顆粒-顆粒相互作用引起的受阻運(yùn)動(dòng)會(huì)減少表觀運(yùn)動(dòng)，從而使測(cè)量的Zeta電位絕對(duì)值偏小，而不同程度的稀釋可能會(huì)觀察到不同的Zeta電位，直至稀釋到顆粒間的相互作用不再影響到測(cè)量值。

無(wú)論是初始樣品還是經(jīng)過(guò)制備（稀釋?zhuān)┑臉悠?，必須?duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行一系列按時(shí)間順序進(jìn)行的測(cè)量。如果遇到測(cè)量值隨時(shí)間而變，則除了報(bào)告測(cè)量值之外，還需報(bào)告變化率。通常在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中需要詳細(xì)說(shuō)明樣品是如何處理的，以及稀釋劑是如何制備的?？梢詫?duì)樣品進(jìn)行多次稀釋和測(cè)量，以證明所采用的方法是穩(wěn)定和可重復(fù)的。

測(cè)定的不確定度與誤差來(lái)源：為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，強(qiáng)烈建議儀器制造商或其指定人員定期對(duì)儀器進(jìn)行性能驗(yàn)證。當(dāng)使用電泳光散射法測(cè)量時(shí)，必須保證在測(cè)量區(qū)有足夠的顆粒，而不會(huì)由于沉降而使顆粒都沉到底部。當(dāng)電泳速度很小時(shí)，使用可測(cè)量極小電泳遷移率的相位分析光散射法。操作人員不正確的參數(shù)輸入也是可能的誤差來(lái)源。

Zeta電位測(cè)量對(duì)清潔度和少量污染物（如多價(jià)離子或浸出材料）的存在特別敏感，這些污染物可能不會(huì)顯著影響電導(dǎo)率或pH值，但卻會(huì)影響Zeta電位的測(cè)量?？赡艿奈廴驹从校?）用于稀釋或樣品制備的介質(zhì)（通常為水）的質(zhì)量；2）前一個(gè)樣品在樣品池內(nèi)的殘留，特別是當(dāng)前后兩個(gè)樣品的離子濃度相差很大時(shí)，簡(jiǎn)單的沖洗可能是不夠的；3）用于實(shí)驗(yàn)的任何玻璃器皿或其他容器內(nèi)壁所殘留的離子；4）介質(zhì)在測(cè)量溫度下顯著揮發(fā)或蒸發(fā)而導(dǎo)致介質(zhì)的變化；5）氣泡（在灌裝過(guò)程中或者過(guò)濾過(guò)程中形成，或者從溶解空氣中產(chǎn)生，或者由于電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生，例如在電極表面發(fā)生電解）的存在會(huì)扭曲電場(chǎng)，并導(dǎo)致錯(cuò)誤的電導(dǎo)率測(cè)量，或受障礙的電泳運(yùn)動(dòng)；6）水中二氧化碳的溶解對(duì)懸浮液pH與電導(dǎo)率的影響。

其他會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的因素主要來(lái)自于所加的電場(chǎng)：1）由于所加電場(chǎng)后產(chǎn)生焦耳熱。焦耳熱可以同時(shí)引起溫度升高和溫度梯度，兩者都會(huì)影響zeta電位測(cè)量過(guò)程中的電泳和電滲；2）當(dāng)電流通過(guò)樣品時(shí)所導(dǎo)致的樣品變化，特別是對(duì)蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)類(lèi)生物分子（如DNA），或顆粒表面包覆有生物分子或其他易受影響涂層的樣品；3）電場(chǎng)作用導(dǎo)致電極表面的氧化還原反應(yīng)，從而影響某些生物樣品。減輕該問(wèn)題可以考慮幾種解決方法，包括減少電場(chǎng)的施加時(shí)間，用微弱的電場(chǎng)，使用短脈沖電壓，使用較低活性的電極材料(如將金換成鈀)，或同時(shí)監(jiān)測(cè)粒徑大小，當(dāng)觀察到顯著的變化趨勢(shì)時(shí)，停止測(cè)量，等等。

Zeta電位是由電泳遷移率計(jì)算得來(lái)的。用于計(jì)算的合理理論和公式極大程度上取決于懸浮液的環(huán)境，商業(yè)儀器使用的理論計(jì)算ζ電位一般假定顆粒為光滑的剛性圓球，對(duì)非理想顆粒，應(yīng)謹(jǐn)慎使用。

四、進(jìn)一步閱讀

本標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)如何正確測(cè)定Zeta電位提出了一些指導(dǎo)，如果想要系統(tǒng)地了解Zeta電位的定義、物理含義、計(jì)算方式、測(cè)定方法，以及一些典型的應(yīng)用，可以參考由化學(xué)工業(yè)出版社出版、許人良所著的《Zeta電位實(shí)用指南》。該書(shū)涵蓋了有關(guān)Zeta電位與電動(dòng)現(xiàn)象的最新發(fā)展，提供了諸多最終能用于解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果的公式，并附有對(duì)于這些公式的理論基礎(chǔ)以及數(shù)學(xué)推導(dǎo)與公式演變過(guò)程的較詳細(xì)的參考資料。