Die Messung des Zeta-Potential ist bei vielen Partikelanalysatoren auf Basis der dynamischen Lichtstreuung (DLS) als Zusatznutzen möglich, so auch bei Analysegeräten von Microtrac. Diese Produktfamilie besteht aus Messgeräten, welche die Bestimmung von Partikelgröße, Zeta-Potential, Konzentrationen und Molekulargewicht in einem einzigen System ermöglichen. Microtrac ist ein Pionier auf dem Gebiet der Partikelgrößenanalyse und entwickelt DLS-Systeme seit über 30 Jahren.
Befinden sich Partikel, Tröpfchen oder Kolloide in einer Flüssigkeit, so bildet sich üblicherweise eine elektrische Doppelschicht aus, bestehend aus freien Ionen, die in der Flüssigkeit gelöst dissoziiert sind. Das geschieht, da Partikeloberflächen in der Regel eine Oberflächenladung tragen, die anziehend auf diese Ionen wirkt. Bewegt sich das Partikel in der Flüssigkeit, so bewegt sich die elektrische Doppelschicht mit, entlang der sogenannten Scherebene, also der Grenzfläche der elektrischen Doppelschicht. Das elektrische Potential an dieser Scherebene ist das Zeta-Potential. Das Zeta-Potential wird in Millivolt angegeben und liegt üblicherweise im Bereich zwischen -200 mV und + 200 mV.
| Ebene | Potential | |
| 1. | Oberflächenladung (negativ) | Oberflächenpotential |
| 2. | Sternschicht | Stern-Potential |
| 3. | Scherebene | ζ-Potential (Zeta-Potential) |
Bei einem stark positiven oder stark negativen Zeta-Potential kommt es auch zu stark abstoßender elektrostatier Wechselwirkung zwischen den Partikeln. Diese verhindert, dass die Partikel sich nahekommen und Agglomerate bilden. Bei geringem Abstand der Partikel zueinander wirken gemäß DLVO-Theorie besonders van-der-Waals Kräfte, die auf Dipol-Dipol-Wechselwirkungen beruhen und anziehend wirken. Bei einem Zeta-Potential nahe Null ist die abstoßende Wirkung der elektrischen Doppelschicht gering und es ist wahrscheinlicher, dass es zu einer Koagulation kommt.
Das Zeta-Potential ist keine direkte Messung der Stabilität einer Dispersion, bietet aber eine gute Vorhersage der Stabilität. Da die Analyse des Zeta-Potentials viel einfacher und schneller durchführbar ist als eine Stabilitätsmessung, wird das Zeta-Potential oft zur Beurteilung der Qualität der Dispersion herangezogen.
Die Änderung der Elektrolytzusammensetzung und der Konzentration führt zu einer Verschiebung des Zeta-Potentials.
Der folgende Graph visualisiert fünf beispielhafte Proben:
(1) -20.6 mV (2) -16.8 mV (3) -9.9 mV (4) +13.9 mV (5) +15.1 mV
Mit steigender Zugabe eines positiven Polyelektrolyts ändert sich auch die Partikelgröße:
(1) rot, (2) grün, (3) gelb, (4) blau, (5) violett
Zeta-Potential ist zum einen bestimmt durch die Partikeleigenschaften, also Material und Oberfläche. Zum anderen hängt es stark ab von der Dispersionsflüssigkeit. Hier spielen die Art und Konzentration der enthaltenen Elektrolyte eine entscheidende Rolle.
Sehr oft wird das Zeta-Potential bei verschiedenen pH-Werten bestimmt, wobei je nach Material eine deutliche Verschiebung beobachtet wird. In vielen Fällen ändert sich das Zeta-Potential mit steigendem pH-Wert von positiven zu negativen Werten. Der pH-Wert, bei dem das Zeta-Potential gleich Null ist, wird auch isoelektrischer Punkt genannt. Hier ist es sehr wahrscheinlich, dass es zu Ausflockungen oder Agglomeratbildung kommt, da die elektrische Doppelschicht hier neutralisiert wurde.
Daher wird eine Zeta-Potential Messung oft in Kombination mit einer Titration bei verschiedenen pH-Werten durchgeführt.
Es existieren verschiedene Möglichkeiten, das Zeta-Potential zu messen. Am häufigsten kommt die sogenannte Laser-Doppler-Elektrophorese zur Anwendung, so auch bei Partikelanalysatoren von Microtrac. Die Messung des Zeta-Potenzial in Microtrac Analysatoren auf Basis der dynamischen Lichtstreuung (DLS) nutzt die gleiche Power-Spektrum-Methodik wie auch zur Messung von Nanopartikeln.
Die laserverstärkten Detektionssignale werden wie bei der Größenmessung in Rückstreuung erfasst und der schnelle Wechsel der angelegten elektrischen Felder verhindert Elektroosmose. Es werden zwei Sonden verwendet, eine zur Bestimmung der Polarität der Partikelladung und eine zur Messung der Mobilität der Partikel in einem elektrischen Feld.
In der Probenzelle orientieren sich kationische (positive) Partikel zur optischen Sonde und anionische (negative) Partikel zur Elektrode. Die Methode basiert auf der Bestimmung der Mobilität geladener Partikel in einem elektrischen Feld.
1. angelegte Spannung | 2. Probenzelle | 3. Gegenelektrode | 4. Messsonde
Das Zeta-Potential wird also bestimmt durch modulierte Power-Spektrum-Analyse der kombinierten Brown‘schen Bewegung und der durch ein elektrisches Feld angetriebenen Bewegung (Teilchengeschwindigkeit). Das Zeta-Potential ist proportional zur Mobilität. Für die Umrechnung der elektrophoretischen Mobilität in ein Zeta-Potential müssen folgende Parameter berücksichtigt werden: Dielektrizitätskonstante und Henry-Koeffizient.
Für ersteres liegen Literaturwerte vor. Der Henry-Koeffizient basiert auf dem Verhältnis der Dicke der elektrischen Doppelschicht zum Partikeldurchmesser. Hierfür werden je nach Art der Dispersion verschiedene Modelle oder Näherungen verwendet. Für wässrige Systeme wäre dies die Smoluchowski-Näherung, für unpolare Systeme die Hueckel-Näherung.
Beide Modelle sind in dem Auswerteprogramm von Microtrac Partikelanalysatoren hinterlegt.
Messgerät für Partikelgrößen und Zeta-Potential, ideal für die Charakterisierung von Nanopartikeln
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Das Zeta Potential ist das elektrische Potenzial an der Scherebene von Nanopartikeln, Tröpfchen oder Kolloiden. Bei dispergierten Nanopartikeln in einem flüssigen Medium bildet sich an der Partikeloberfläche eine Ladung, die sogenannte Doppelschicht. Diese wird durch die Zugabe von Gegen-Ionen zur Oberflächenladung der Partikel kompensiert. Bewegt sich ein Partikel in der Lösung, bewegen sich die Ionen mit, und es entsteht ein Potentialgefälle zwischen den Schichten. Dieser Unterschied wird als Zeta-Potenzial bezeichnet.
Das Zeta Potential wird über die elektrophoretische Mobilität der Partikel bestimmt und kann nicht direkt am Partikel gemessen werden. Dazu gibt verschiedene Möglichkeiten, das Zeta Potential zu analysieren, meist wird die Laser-Doppler-Elektrophorese verwendet. Bei einer Messung bewegen positive Teilchen zur Anode und negative Teilchen zur Kathode. basierend auf der Bestimmung der Mobilität geladener Teilchen in einem elektrischen Wechselfeld. Das Zeta Potential aus der Mobilität über die Henry- oder Smoluchowski-Gleichung berechnet.
Das Zeta Potential kann ein Indikator für die Stabilität einer Dispersion oder Emulsion sein. Generell gilt, je höher der Betrag des Potentials, desto besser ist auch die Stabilität der Dispersion oder Emulsion. Für die Stabilität spielt es keine Rolle, welches Vorzeichen (positiv oder negativ) die Dispersion hat. Allerdings kann das Vorzeichen der Dispersion einen großen Einfluss auf die Anwendung der Dispersion haben.
Das Zeta Potential kann durch viele Faktoren beeinflusst werden, wie z. B. pH-Wert oder Leitfähigkeit, beide spielen eine große Rolle für die Größe und das Vorzeichen. Auch Polyelektrolyte können einen solchen Einfluss auf das Zeta Potential haben. Bei einer Änderung des Vorzeichens wird der isoelektrische Punkt (pH-Wert) bzw. der Nullpunkt der Ladung (Polyelektrolyte) durchlaufen. An diesen Punkten ist das Zeta Potential ±0. Starke Verdünnung können auch diesen Effekt verursachen.
