15Aug.2022
物性分析

界達電位量測原理介紹,固態樣品表面電位(surface zeta potential)量測方法與實踐

界達電位是什麼?

溶液中的粒子透過離子的吸附,粒子表面的水合及官能團的解離等方式帶電,為了中和電荷,符號相反的離子聚集在粒子周圍,形成電雙層。
當施加電場時,粒子與吸附在粒子表面的離子層在與電荷相反的方向進行電泳運動。
此時粒子與溶液之間的邊界稱為滑動面,此處的電位稱為界達電位。
界達電位是什麼

界達電位的正負號有什麼意義?

值得一提的是界達電位不等於表面電位,代表的是微粒子在該溶液環境下,粒子本身帶電後與溶劑中離子相互吸引後整體的電性。
舉例來說粒子本身是帶負電的,但如果溶液環境中充斥大量正離子,也有可能讓界達電位呈現正值。我們有很多種方法(例如:pH值、添加劑...)去調整界達電性的正負號以及界達電位大小。
界達電位不論正或負,其絕對值較大,利用電荷斥力抵銷奈米粒子之間的吸引力,使奈米微粒形成長時間的良好分散狀態。
界達電位影響分散

界達電位量測基礎概念

        在量測界達電位時的概念是,在溶液中施加一定方向的電場使溶液中粒子移動。
假設粒子帶負電荷在電場中會往正極移動,帶正電荷則往負極移動。
再加上粒子跑動的程度(帶負電越強,向正極跑動越多),配合粒子移動的方向,可以求得粒子所代電荷正負以及大小。
界達電位原理

我們使用雷射光當作眼睛,利用都普勒效應量測粒子跑動的方向以及跑動的速度,這方法也稱為雷射都卜勒(Laser Doppler)法。
 

界達電位實際量測中會產生的電氣滲透流是什麼


理想狀態下,我們可以直接量測粒子運動軌跡,直接求得zeta potential,實際上卻有一些技術需要克服。
在水或是溶劑中,除了我們要量測的粒子本身外,以水為例還有H+及OH-等離子存在。
因為管壁是帶負電材質的關係,H+等正離子會往管壁聚集。
界達電位量測2

施加電場後,正離子就會一起往負極移動,產生電氣滲透流,也稱為電滲流。
界達電位量測3

樣品槽內就有兩種運動。
1.粒子本身運動
2.離子所造成的電滲流
我們觀察到的移動,就是由兩種運動相加後的結果。
界達電位量測5

電滲流影響了我們想要看到的粒子移動,為得到正確的值,我們使用下面公式解析內部的電滲流。

解析界達電位:森岡本公式

界達電位量測8

森岡本公式為了放便閱讀,也為了不要讓讀者看到公式就胃痛按上一頁,我們將詳細公式展開放在文章最後面,有興趣可以先到文章最下方閱讀。
公式中Uobs及是我們觀察到的電泳,Up是粒子本身的移動度,Uosm則是電滲流。
我們藉由森岡本公式,實際解析電滲流後,求得靜止面。(靜止面:電滲流正負流動抵銷的水平面) 在靜止面上粒子的移動就不受到電滲流的影響,也就是Up,我們可以得到粒子移動的真值,在換算後求得界達電位。

量測界達電位時解析電滲流的好處

值得一提的是,靜止面不會永遠保持在同一個水平。
會隨著樣品沉降性,或是容器表面髒污等等因素造成靜止面改變。
界達電位量測9

ELS系列實際量測垂直所有水平面後,若靜止面因為沉降或髒汙等情況改變時,靜止面也會一起做修正
在量測有沉降性樣品時,也能得到高再現性真值。
受惠於日本細膩的高精確工藝,實現量測點位在小流道中的高精度位移,才能實現的界達電位真值量測。

補充-解析界達電位量測中電滲流的森岡本公式

界達電位量測7
 

高鹽度下的界達電位

ELSZ採用長直型流道,配合圓鼎型白金電極可分散電流,使在高鹽度環境(如人體buffer等等)可以直接進行量測,無須擔心氣泡或是電極劣化等問題。
  直線型電泳 U型構造
樣品容器形狀示意圖 直線電泳
 
U型電泳
 
重複使用 可全部拆開清洗重複使用 拋棄式,重複使用有樣品殘留疑慮
電極 圓鼎型白金電極 銅片或鍍的
流道形狀 長直型流道,粒子可直線電泳 U型流道有垂直方向的電泳影響
高鹽度量測 直接量測高鹽度高導電度,最高實測到3M NaCl當量鹽度 無法量測高鹽度。
1.電極加電過於集中產生氣泡進入流道中
2.使用後電極焦黑,除了硬體損傷外也影響量測結果及再現性
量測高鹽度樣品後的電極外觀 電極
 
使用後的電極
 
  • 不同鹽度下乳膠粒子界達電位的變化

高鹽度Zeta potential量測


由上圖可知,不同鹽度下的Zeta potential會有很大的差異。若不能量到當下環境的正確數值是非常危險的,尤其是在製藥產業需要大量研究人體環境下藥物的變化。
 

固體表面電位量測基礎概念

上面我們已經解釋過什麼是電氣滲透流,以及該現象是如何應用到zeta potential的量測。
有了以上的基本概念後我們可以進入固體表面電位量測(surface zeta potential)。
大塚電子使用電滲流量測平板的技術,有詳細理論依據,且已經實際應用在產業上超過20餘年,是非常成熟的技術。
近幾年被逐漸導入台灣,廣泛應用在半導體、顯示器、環境科學、紡織、印刷、化妝品等等產業。

固體表面電位的實際量測

1.一般量測溶液狀態下管壁及粒子都帶有電性
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2.我們將管壁材質及粒子進行特殊coating使其電位階接近0,這時候如果我們通電,因為環境中沒有物質帶電的關係,不會有任何流動產生。
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3.將上層管壁置換成我們要量測的固態樣品。
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4.以帶負電為例,板狀材質會吸引溶劑中的正離子,通電後形成電滲流。
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5.電滲流的方向及程度會隨板狀樣品帶電量的電性與強弱改變,藉此量測固態樣品的帶電量。
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6.進一步將內部粒子置換為想量測的溶液(e.g.研磨液、染料…etc)觀察各溶液對樣品交互作用。

固體表面電位理論計算

同樣以解析電滲流的森岡本公式計算,只是這次我們把變因及控制互換一下。
固體6

ELSZneo固體表面電位樣品容器組裝影片

改良後的固態表面電位專用容器實現無工具徒手組裝,僅需20秒。 
可量測晶圓、玻璃、高分子薄膜、毛髮、纖維、隱形眼鏡、生物材料...等等固體板狀樣品的表面電位。
不需要使用特定化學電解液,可任意置換液體相,例如研磨液、染劑、清潔劑等等研究固體-液體表面電性的交互作用。
 

固體表面電位實際應用

1.玻璃表面交互積層正負電高分子膜層

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2.絲綢樣品溶劑,染料對電位值的變化

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3.食品容器在不同pH值下的表面電位

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4.半導體晶圓與研磨液關係

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