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Helmholtz-Smoluchowski-Gleichung Zeta-Potentialtheorie

Anton Paar hat die digitale Dichtemessung mit der bahnbrechenden Erfindung eines neuen Messprinzips erneut neu definiert: In den letzten Jahrzehnten haben sich Zeta-Potential-Messungen zu einer wichtigen Charakterisierungsmethode für die Oberflächenfunktionalität oder Stabilität dispergierter Partikel entwickelt. Das Hauptaugenmerk der Zeta-Potentialanalyse liegt auf der Gewinnung von Informationen über die Oberflächenladung eines Materials. Das Material kann von kolloidalen Nanopartikeln bis zu makroskopischen Oberflächen wie Membranen oder Siliziumwafern reichen.

Dieser Artikel beschreibt die Theorie hinter dem Zetapotential, erklärt, warum es vom pH-Wert und der Ionenstärke des Mediums abhängt, und beschreibt die Techniken, die für die Zetapotentialanalyse verwendet werden.

Das Zeta-Potential, auch als elektrokinetisches Potential bekannt, wird auf der Oberfläche eines Materials hergestellt, wenn es mit einem flüssigen Medium in Kontakt kommt. Es ist somit eine Grenzflächeneigenschaft. Es wird typischerweise in Millivolt-Einheiten angegeben. Wenn ein Material mit einer Flüssigkeit in Kontakt kommt, reagieren die funktionellen Gruppen auf seiner Oberfläche mit dem umgebenden Medium.

Dieser Prozess führt zu einer Oberflächenladung, die die Ansammlung von entgegengesetzt geladenen Ionen anzieht. Diese Gegenionen ordnen sich spontan in einer sogenannten elektrochemischen Doppelschicht an. Das Zetapotential ist definiert als die Summe der anfänglichen Oberflächenladung und der akkumulierten Schicht. Die Messung des Zetapotentials liefert Informationen über die Oberflächenfunktionalität, die Stabilität dispergierter Partikel sowie die Wechselwirkung gelöster Verbindungen mit der festen Oberfläche.

Das Zetapotential makroskopischer Oberflächen ist daher wichtig für das Verständnis des Verhaltens fester Materialien in vielen technischen Prozessen, in denen wässrige Systeme eine Rolle spielen, z.

Die Kenntnis des Zetapotentials eines Materials hilft Ihnen dabei, bestimmte Oberflächenmodifizierungsprozesse zu optimieren, damit ein Material bei der Anwendung seine beste Leistung erbringt. Das Zetapotential von Partikeln ist ein Schlüsselindikator für die Stabilität einer kolloidalen Dispersion wie Nanopartikeln oder Liposomen, da es die Fähigkeit von Partikeln widerspiegelt, sich elektrostatisch gegenseitig abzustoßen.

Nur die Größe des Zetapotentials zeigt die Stabilität der Probe an, während das Vorzeichen des Zetapotentials anzeigt, ob positive oder negative Ladungen an der Oberfläche dominieren. Ladungsbildung erfolgt aufgrund von.

Die Ladungsbildung durch Reaktion funktioneller Gruppen basiert auf sauren und basischen Oberflächengruppen. Saure Gruppen wie Carbonsäure oder Sulfonsäure dissoziieren, wenn sie mit Wasser in Kontakt kommen, d.h. Grundgruppen wie Amingruppen werden protoniert, wenn sie mit Wasser in Kontakt kommen, d.h.

Das Gleichgewicht von Dissoziation und Protonierung hängt stark vom pH-Wert des flüssigen Mediums ab und hat daher einen starken Einfluss auf die gebildete Oberflächenladung des Materials und weiter auf das Zetapotential. Abbildung 1: Schematische Darstellung der Ladungsbildung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche für eine hydrophile Materialoberfläche mit sauren oder basischen funktionellen Gruppen.

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Ladungsbildung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche für eine hydrophobe Materialoberfläche ohne funktionelle Gruppen.

Das Vorhandensein funktioneller Gruppen ist jedoch keine Voraussetzung für die Ladungsbildung. Auf inerten Oberflächen wird aufgrund der bevorzugten Adsorption von Hydroxidionen aus Wasser eine negative Oberflächenladung gebildet. Inerte Oberflächen sind somit bei neutralem und alkalischem pH negativ geladen. Nur bei niedrigem pH-Wert, bei dem die Konzentration an Hydroniumionen dominiert, zeigen inerte Oberflächen eine positive Oberflächenladung.

Auch hier hängt die Ladungsbildung durch Adsorption stark vom pH-Wert ab. Abbildung 2. Das Ladungsverhalten an der Fest-Flüssig-Grenzfläche und die Definition des Zetapotentials werden anhand des Modells der elektrochemischen Doppelschicht-EDL, die aus einer stationären und besteht, gut erklärt eine diffuse Schicht Abbildung 3.

Abbildung 3: Die Grenze zwischen der immobilisierten und der diffusen Schicht wird als Scherebene charakterisiert und gibt an, welcher Teil der elektrochemischen Doppelschicht zur Gesamtnettoladung des Materials beiträgt.

Daher ist das Potential, das in der Scherebene vorhanden ist, als das Zetapotential definiert. Elektrokinetische Effekte wie das Zetapotential können mit vier verschiedenen Messtechniken bestimmt werden: Streaming-Potential und Elektrophorese sind die beiden am häufigsten verwendeten Techniken und werden in Instrumenten wie dem SurPASS-Streaming-Potential und der Litesizer-Elektrophorese implementiert. Abbildung 4: Schematische Darstellung der Streaming-Potential-Technik zur Darstellung des Elektrolytflusses in einem Kapillarkanal und der daraus resultierenden Ladungstrennung.

Messungen des Strömungspotentials werden für makroskopische Oberflächen angewendet, bei denen Proben auf Probenhaltern montiert sind und einen Kapillarströmungskanal bilden. Abbildung 4. Bei relativer Bewegung der Flüssigkeit in Bezug auf die feste Probe werden die Ionen der elektrochemischen Doppelschicht geschert aus ihrer Gleichgewichtsposition und entlang der festen Oberfläche verschoben.

Die resultierende Ladungstrennung führt zu elektrokinetischen Effekten, von denen einer als Streaming-Potential bezeichnet wird. Streaming-Potential oder alternativ Streaming-Stromdaten werden verwendet, um das Zeta-Potential zu berechnen. Die Grundgleichungen, die das Strömungspotential und den Strömungsstrom mit dem Zetapotential in Beziehung setzen, wurden von Hermann von Helmholtz und Marjan von Smoluchowski abgeleitet.

Die Gleichung, die zur Berechnung des Zetapotentials unter Verwendung von Streaming-Stromdaten verwendet wird, erfordert genaue Kenntnisse über die Länge und den Querschnitt des Streaming-Kanals, d.h.

Die Gleichung eignet sich daher gut für Zeta-Potential-Untersuchungen planarer Feststoffe, ist jedoch nicht für die Zeta-Potential-Bewertung unregelmäßig geformter Proben geeignet. Für Beispieltypen, bei denen die Geometrie des Streaming-Kanals unbekannt ist, e. Diese Gleichung verwendet Streaming-Potentialdaten in Kombination mit der Elektrolytleitfähigkeit.

Im Gegensatz zu Strömungspotentialmessungen wird keine Bewegung der Flüssigkeit erzeugt, sondern die Bewegung der Partikel induziert. Daher wird ein elektrisches Feld angelegt und die elektrophoretische Mobilität von Partikeln wird verwendet, um das Zetapotential zu berechnen.

Aufgrund des elektrischen Feldes bewegen sich Partikel mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten: Die Bewegung der Partikel innerhalb des angelegten elektrischen Feldes führt zu einer Frequenzverschiebung eines einfallenden Laserstrahls, auch Doppler-Verschiebung genannt. Die aufgezeichneten Frequenzverschiebungen sind proportional zur Geschwindigkeit der Partikel und können zur Messung der elektrophoretischen Mobilität und des Zetapotentials verwendet werden.

Die tatsächlichen Frequenzverschiebungen, die bei ELS beobachtet werden, sind jedoch zu klein, um direkt gemessen zu werden. Außerdem geben sie nur Auskunft über den Absolutwert des Zetapotentials, nicht aber über das Vorzeichen, ob der Wert positiv oder negativ ist.

Diese Einschränkungen werden durch die Verwendung eines Referenzstrahls gelöst, der dann am Streuungsdetektor wieder mit dem Messsignal kombiniert wird. Abbildung 5. Der Referenzstrahl wird durch einen Modulator doppelt verschoben, was zu einer Frequenzverschiebung führt, die für die Berechnung bekannt sein muss des Messergebnisses.

Die patentierte cmPALS-Technik zur kontinuierlichen Überwachung der Phasenanalyse-Lichtstreuung verwendet anstelle einer theoretischen Berechnung einen zusätzlichen Detektor zur Live-Überwachung der Doppler-Verschiebung des modulierten Referenzstrahl-Monitor-Detektors in 5.

Dies führt zu schnelleren Messungen, einer höheren Reproduzierbarkeit auch bei niedrigen angelegten elektrischen Feldern sowie einer höheren Empfindlichkeit der Messung. ELS-Messungen werden für die Partikelanalyse verwendet und die Methode wird häufig mit dynamischer Lichtstreuung kombiniert, die zur Bestimmung der Partikelgröße auf der Grundlage der Partikelbewegung aufgrund der Brownschen Bewegung verwendet wird.

Das Zetapotential hängt sowohl von der Oberfläche der Probe selbst als auch von den Eigenschaften der flüssigen Phase ab. Die pH-Abhängigkeit des Zetapotentials gehört zu den am ausführlichsten untersuchten Abhängigkeiten des oben erläuterten Zetapotentials. Automatisierte Systeme für pH-abhängige Messungen verhindern dadurch wiederholte lang anhaltende manuelle Anpassungen des pH-Wertes.

Der pH-Wert, bei dem das Zetapotential 0 mV beträgt, ist als isoelektrischer Punkt bekannt und dient als Indikator für die Chemie einer Oberfläche und wird daher zur Charakterisierung von Proteinen und Peptiden sowie zur Entwicklung neuer pharmazeutischer Formulierungen verwendet .

Neben dem pH-Wert ist die Konzentration der Ionen in der wässrigen Phase e. Wenn mehr Ionen verfügbar sind, kann die anfängliche Oberflächenladung viel schneller kompensiert werden, was zu einem geringen Zetapotential führt. Das heißt, durch Erhöhen der Pufferkonzentration nimmt das Zetapotential ab. Dieser Effekt kann beobachtet werden, z. Das Zetapotential ist empfindlich gegenüber der äußersten Oberflächenschicht des Materials. Es ist daher perfekt geeignet, um Änderungen der Oberflächenladung bei der Adsorption von gelösten Substanzen in Lösung auf der festen Oberfläche zu überwachen.

Sowohl die Zeit- als auch die Konzentrationsabhängigkeit von Adsorptionsprozessen sind direkt zugänglich, indem die jeweilige Änderung der Daten zum Streaming-Potential, zum Streaming-Strom oder zum Zeta-Potential überwacht wird. Das Wissen über die Oberflächenladung und ihre Änderungen aufgrund der Adsorption von Flüssigkeit auf festem Untergrund ist wichtig, um die Materialeigenschaften abzustimmen und Prozesse zu optimieren.

Änderungen der Oberflächeneigenschaften aufgrund von Modifikation, Lagerung, Alterung oder Verschleiß während des Betriebs können untersucht werden. Die Zeta-Potentialmessung ist eine übliche Charakterisierungsmethode für makroskopische Oberflächen sowie für Partikelsysteme.

Unter verschiedenen Techniken sind Streaming-Potential- und elektrophoretische Messungen wie die cmPALS-Technik des Litesizer 500 am häufigsten.

Anton Paar. Bellmann, C. Luxbacher, T. Dichte neu definiert Anton Paar hat die digitale Dichtemessung mit der bahnbrechenden Erfindung eines neuen Messprinzips erneut neu definiert: Erfahren Sie mehr. Zetapotential. Was ist das Zetapotential? Folgendes muss beachtet werden, wenn über das Zetapotential gesprochen wird: Das Zetapotential liegt nur vor, wenn ein Material mit einer Flüssigkeit in Kontakt kommt.

Es stellt die effektive Nettoladung in diesem Zustand dar. Das Zetapotential kann an makroskopischen Oberflächen gemessen werden, z. Die Differenzierung ist jedoch wichtig, um die richtige Technologie zur Messung des Zetapotentials auszuwählen. Die Eigenschaften des flüssigen Mediums spielen eine wichtige Rolle bei der Bildung des Zetapotentials, das stark vom pH-Wert oder der Pufferkonzentration abhängt.

Eine Oberflächenladung kann sowohl für die Fest-Flüssig-Grenzfläche zwischen festen Materialien als auch für die Flüssig-Flüssig-Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Tröpfchen beobachtet werden. Warum das Zetapotential wichtig ist Die Messung des Zetapotentials liefert Informationen über die Oberflächenfunktionalität, die Stabilität dispergierter Partikel sowie die Wechselwirkung gelöster Verbindungen mit der festen Oberfläche.

Die Ladungsbildung erfolgt aufgrund von Reaktionen funktioneller Gruppen oder der Adsorption von Ionen aus der Lösung. Eine stationäre Schicht wird direkt an der Oberfläche gebildet. Ionen in dieser Schicht werden aufgrund starker Wechselwirkungen mit der Oberfläche immobilisiert. Die äußere Schicht wird als diffuse Schicht bezeichnet, da Ionen von der Oberfläche weniger angezogen werden und sich innerhalb dieser Schicht bewegen können. Messung des Zetapotentials Elektrokinetische Effekte wie das Zetapotential können mit vier verschiedenen Messtechniken bestimmt werden: Strömungspotential Elektrophorese Elektroosmose Sedimentationspotential Strömungspotential und Elektrophorese sind die beiden häufigsten Techniken und werden in Instrumenten wie dem SurPASS-Strömungspotential und der Litesizer-Elektrophorese implementiert.

Streaming-Potenzial Abbildung 4: Gleichung 1: Gleichung 2:

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