Debye屏蔽 – 其对ζ电位的影响
Debye屏蔽 – 它是什么？
在胶体样品中（这涵盖了从溶液中的分子到分散体中的颗粒的整个范围），对象之间的运动和力往往由影响邻居的电荷决定。当我们通过电泳光散射测量ζ电位时，其实是在探测颗粒的有效电荷。换句话说：ζ电位（或电泳迁移率）是衡量颗粒/分子的电荷如何影响另一个颗粒/分子的运动的标准。作为距离的函数，完整的电位描述了（探针）颗粒会受到多少该电荷的影响。随着距离的变化，这当然会改变：一个正电探针颗粒在靠近另一个正电颗粒时会非常“注意”到其电荷 – 然而，当距离远时则不会太“注意”。物理学将此描述为静电势随着1/r或探针和颗粒之间距离的增加而衰减。
当通过向分散体中添加额外的离子（例如NaCl）改变样品时，会发生一个有趣的现象。盐离子（既有正离子[Na+], 也有负离子[Cl-]）将围绕带正电的颗粒排列。当存在大量盐时，许多离子倾向于在颗粒周围形成离子云，这将对颗粒的净电荷产生屏蔽或弱化的净效应。在草图中，蓝色情境表示高盐，而粉色电位表示低盐。这种效应以Debye命名，Debye屏蔽的一种特定特性长度尺度是Debye长度，即从某个颗粒到电静力得以显著减弱的位置的距离（为1/e）。高浓度盐的缓冲液或溶液具有较短的屏蔽长度，只有少量额外离子的溶液有较长的屏蔽长度。
Debye-Hückel屏蔽长度
这可以用Debye-Hückel屏蔽长度λ的公式表示
对于在25°C下的水溶液中的单价离子，其中I为以mol/L计算的摩尔离子强度，而Debye-Hückel屏蔽长度1/κ以纳米获得（另见维基百科或“浓缩电解质中的静电屏蔽长度…”，最终可从DLVO理论推导出）。以下示例展示了水溶性缓冲液中的典型屏蔽长度:
- 100mM盐：~1nm屏蔽长度
- 10mM盐：~3nm屏蔽长度
- 1mM盐：~10nm屏蔽长度
因此，盐或其他离子的存在可以显著影响胶体样品内静电力的作用范围。
Debye屏蔽和ζ电位
由于离子会影响静电势，这将通过ζ电位的测量显现出来，而ζ电位是滑动面的静电势强度的度量。当向胶体样品中添加更多离子时，实效ζ电位将降低，因为它被Debye-Hückel屏蔽云中的反离子的存在“遮蔽”。当减少样品中的离子存在时，幅度更大的静电力延伸得更远，其净效应更强，从而导致更强的ζ电位。
这种效应可以在不同离子强度的硝酸锂LiNO3中制备的氧化铝颗粒数据中观察到：较低的盐浓度（红点）显示强ζ电位，而高盐浓度（蓝三角）抑制了观察到的值，使其更接近于零。
屏蔽长度与价态
以上Debye方程指出，离子的价态Z对屏蔽长度有影响：价态越大，屏蔽长度越小，即离子在屏蔽静电力方面越有效。有趣的是，当絮凝是期望结果且目标ζ电位接近零时，价态较大的离子能更早影响絮凝，即在较低浓度下即可实现。正如Malcolm Connah和Rolf Nitzsche在旧版Zetasizer的手册中所述：
多价离子特别重要。它们对表面电荷屏蔽的影响与反离子的价数有关。对于二价反离子，絮凝浓度平均比单价离子低约100倍，而对于三价离子则低约1000倍。这被称为Schulze-Hardy规则，也是使用铝[Al3+]或铁[Fe3+]离子在水处理厂中导致负ζ电位颗粒絮凝的解释。
屏蔽长度、Henry的F(ka)或F(κa)与ζ
在电泳光散射中，我们获得的原始数据是电泳迁移率（通常以μm/s/V/cm或简化为μmcm/Vs表示）。然后可以将其转换为ζ电位，该转换的关键参数是Henry函数，也称为F(ka)或F(κa)，其中a是颗粒半径，而kappa或k是Debye屏蔽长度的倒数。该转换有两种常用的限制：对于κa<~1时，Huckel（或Hückel）近似为F(κa)=1.0，而对于κa>~100时，Smoluchowski近似为F(κa)=1.5。这两个极限意味着屏蔽长度是重要的（Huckel）或屏蔽长度是可忽略的（Smoluchowski）。后者通常（但不总是）适用于典型胶体。
在纯水中稀释怎么样？
想知道如何稀释或准备样品进行ζ电位测量吗？最佳方法是使用“母液”或上清液，即样品已经体验的相同介质。奇怪的是，这可能会让人倾向于只使用milliQ水（以减少Debye屏蔽和获得最大ζ电位）。然而，这可能导致电极极化效应和不稳定的ζ结果。因此，样品中需要至少有一些电导率（从而存在一定的Debye屏蔽）。通常，几mM的毫摩尔盐（如NaCl，KCl）可能有效。关于此主题的有趣讨论，请查看为什么建议在测量ζ电位时向milliQ水中加盐？。当然，添加过多的盐可能会由于过多的Debye屏蔽而导致样品“沉淀”…
以前的文章
如果有任何问题，请发邮件给我：ulf.nobbmann@malvernpanalytical.com。 谢谢！意见通常为作者个人观点，有些部分可能已被我们的编辑团队修改。
这篇文章可能已被自动翻译
{{ product.product_name }}
{{ product.product_strapline }}
{{ product.product_lede }}
