GB/Z 42353—2023《Zeta電位測(cè)定操作指南》標(biāo)準(zhǔn)解讀

侯長(zhǎng)革 劉偉 秦福元

摘 要：GB/Z 42353—2023《Zeta電位測(cè)定操作指南》是由國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局（國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)）于2023年3月 17日發(fā)布，并于2023年10月1日正式實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件。該文件提供了新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、已有產(chǎn)品優(yōu)化、加工過程和 產(chǎn)品應(yīng)用等質(zhì)量控制領(lǐng)域Zeta電位測(cè)定的操作指南。本文對(duì)文件進(jìn)行了解讀，并對(duì)樣品制備和測(cè)量過程等主要技術(shù)內(nèi)容進(jìn) 行了解釋及說明，有助于文件的順利使用和推廣。

關(guān)鍵詞：Zeta電位測(cè)定，操作指南，樣品制備，均衡稀釋法，標(biāo)準(zhǔn)解讀

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.03.023

0 引 言

懸浮在液體介質(zhì)中的顆粒表面往往帶有電 荷，按照雙電層理論模型，帶電顆粒周圍液體中將 富集反離子，其中一部分反離子與顆粒表面緊密結(jié) 合，構(gòu)成緊密吸附層，另外一部分反離子由于靜電 吸引和熱擴(kuò)散兩種相反作用的影響，從而分布在 顆粒周圍液體中構(gòu)成擴(kuò)散層。顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶著 吸附層和部分溶劑分子一起移動(dòng)，與液體之間形 成滑動(dòng)面，定義滑動(dòng)面與液體內(nèi)部的電位差為Zeta 電位[1]。

顆粒表面帶有大量相同電荷時(shí)，顆粒相互排斥。當(dāng)顆粒表面無電荷，或表面帶有相反電荷，或 表面分別存在正電荷和負(fù)電荷區(qū)域時(shí)，顆粒相互吸 引。Zeta電位的絕對(duì)值越高，懸浮顆粒間排斥力越 強(qiáng)，懸浮液越穩(wěn)定。反之，Zeta電位絕對(duì)值越低，顆 粒間排斥力越弱，懸浮液越趨于凝聚。因此，Zeta電 位主要用于預(yù)測(cè)懸浮液的穩(wěn)定性。

滑動(dòng)面是附著在顆粒表面的溶劑分子與溶劑 的分界面，Zeta電位是該假想滑動(dòng)面處的電位，因此 Zeta電位不是可直接測(cè)量的量，而是使用適當(dāng)理論 模型計(jì)算的量。

Zeta電位不是顆粒的固有屬性，而是取決于顆 粒表面與其液相分散介質(zhì)之間的化學(xué)平衡。分散介 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)量過程都會(huì)影響測(cè)定結(jié)果，錯(cuò)誤的樣品制備和測(cè) 量過程，或者錯(cuò)誤地應(yīng)用理論模型從測(cè)量結(jié)果計(jì) 算Zeta電位，通常會(huì)造成錯(cuò)誤的結(jié)果。

GB/Z 42353—2023《Zeta電位測(cè)定操作指南》 提供了使用光學(xué)電泳遷移法或電聲法測(cè)定Zeta電位 時(shí)樣品制備和測(cè)量過程的操作指南，統(tǒng)一國內(nèi)Zeta 電位測(cè)定方案，在醫(yī)藥、化工、生物、科研等領(lǐng)域有 著重要的意義。

GB/Z 42353—2023《Zeta電位測(cè)定操作指南》 于2023年3月17日由國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局（國家標(biāo) 準(zhǔn)化管理委員會(huì)）發(fā)布，并于2023年10月1日正式實(shí) 施。為使讀者能更好地理解該標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文 件，并正確執(zhí)行文件中的方法，本文將對(duì)文件中的 主要技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行解釋及說明。

1 制定原理

可以通過顆粒與液體介質(zhì)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)定Zeta 電位。在顆粒懸浮液中施加電場(chǎng)，帶電顆粒將在電 場(chǎng)作用下發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)，將單位電場(chǎng)強(qiáng)度下的電 泳速度定義為電泳遷移率。對(duì)于剛性球體顆粒，其 Zeta電位與電泳遷移率的關(guān)系如式（1）所示[2]。

由此可見，Zeta電位不是顆粒的固有屬性，而是 取決于顆粒和分散介質(zhì)的屬性，以及它們?cè)诮缑嫔?的相互作用。分散介質(zhì)的化學(xué)成分和離子濃度的任 何變化都會(huì)造成Zeta電位的變化。因此，樣品制備 和測(cè)量過程都會(huì)影響測(cè)定結(jié)果，錯(cuò)誤的樣品制備和 測(cè)量過程，或者錯(cuò)誤地應(yīng)用理論模型從測(cè)量結(jié)果 計(jì)算Zeta電位，通常會(huì)造成錯(cuò)誤的結(jié)果。

2 樣品制備

由于Zeta電位取決于顆粒及其分散介質(zhì)，簡(jiǎn)單 的稀釋可能改變介質(zhì)化學(xué)成分的濃度，會(huì)影響顆 的Zeta電位。因此樣品制備過程不僅要求顆粒及 其表面在稀釋前后保持相同，還要求介質(zhì)的電化學(xué) 性質(zhì)相同。顆粒表面電荷完全取決于懸浮液的化 學(xué)特性。如果測(cè)量前需要對(duì)濃懸浮液進(jìn)行稀釋， 則分散液的pH值和離子濃度都是要控制的關(guān)鍵參 數(shù)。顆粒在濃懸浮液和稀釋液中所處的條件必須 完全匹配。

2.1 取樣

只有當(dāng)樣品能夠代表某批次材料，且取樣量足 夠時(shí)，測(cè)得的電泳遷移率才適用于該批次材料。應(yīng) 確保待測(cè)樣品充分分散，并在放置相當(dāng)于測(cè)試時(shí)間 長(zhǎng)度的一段時(shí)間內(nèi)不發(fā)生任何沉淀。

在樣品制備過程中需防止改變待測(cè)樣品的電 泳遷移率。與樣品直接接觸的器皿（例如玻璃燒杯 或注射器）都可能吸附介質(zhì)中的離子，也可能將之 前清潔過程或器皿本身的殘留污染物帶入到樣品， 因此最好使用與樣品化學(xué)相容的一次性塑料燒杯 和移液管。

2.2 樣品稀釋

采用均衡稀釋法對(duì)樣品進(jìn)行稀釋，稀釋用的液 體要與原體系中的液體一樣。除了顆粒濃度外，均 衡稀釋法能夠使得樣品的其余特性都保持不變。只 有采用均衡稀釋法來制備樣品，才能保證稀釋樣品 與原始樣品的Zeta電位一致。在Zeta電位測(cè)定中，使 用去離子水稀釋，通常是錯(cuò)誤的方法。

有兩種途徑獲得稀釋用液體，一種是通過重力 或離心沉降的方法，提取上層液體用于稀釋；另一 種是借助透析的方法獲得稀釋用液體，該方法更適 用于納米和生物膠體。

極少數(shù)情況下，需要增加樣品濃度。可以先把 顆粒與液體分離，然后使用更高的體積比把顆粒分 散到相同的液體中。也可以通過適度的離心，移走 上層液體的方法獲得高濃度樣品，但需要減少顆粒 損失或避免團(tuán)聚。

任何用作稀釋或制備樣品的介質(zhì)都不能含有 顆粒，至少達(dá)到殘留顆粒不影響Zeta電位測(cè)定的程 度。對(duì)于“潔凈”的介質(zhì)，操作者可以使用平均孔徑 小于最小顆粒的薄膜過濾器（注射式過濾器）過濾 介質(zhì)，但應(yīng)考慮薄膜的疏水性和化學(xué)兼容性。

2.3 樣品穩(wěn)定性

為了確定樣品是否穩(wěn)定，通常要求按時(shí)間順序 進(jìn)行一系列的測(cè)量。例如，懸浮液中離子從顆粒上 的分離會(huì)導(dǎo)致pH值或電導(dǎo)率隨同遷移率一起隨時(shí) 間而變化。建議每次測(cè)量前后，都要確定懸浮液的 pH值或電導(dǎo)率，驗(yàn)證樣品是否穩(wěn)定。

如果需要稀釋，則建議進(jìn)行一系列濃度下的測(cè) 量，以觀察顆粒與顆粒相互作用的影響或者其他稀 釋效應(yīng)。

3 誤差來源

Zeta電位測(cè)定對(duì)清潔度和少量污染物特別敏 感，如來自于離子交換柱的多價(jià)離子或浸出物，雖 然他們可能不會(huì)顯著影響電導(dǎo)率或pH值。任何用 于稀釋或樣品制備的水質(zhì)都很重要，應(yīng)該對(duì)稀釋 用水進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試。如果對(duì)測(cè)量結(jié)果存在疑問，可 以使用有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證儀器的 性能。

以下9種情況都是導(dǎo)致誤差的來源。

3.1 攜帶污染

除非樣品池是一次性或可替換的類型，否則 由于沖洗不足，樣品池內(nèi)可能留有前一個(gè)樣品的殘 余。當(dāng)在較高和極低的離子濃度之間切換時(shí)，僅靠 沖洗是不夠的。首選的做法是將一個(gè)單獨(dú)的樣品池 只用于高離子濃度的樣品測(cè)量，或者使用一次性樣 品池。另外在有多個(gè)樣品的情況下，建議從低到高 離子濃度，并且從低到高的pH值進(jìn)行測(cè)量，以免攜 帶污染。

3.2 不適宜的樣品制備過程

用于產(chǎn)生上清液或等效懸浮介質(zhì)的任何玻璃 器皿或容器，都需要清潔并確保沒有離子污染。樣 品在測(cè)量池表面上的吸附會(huì)改變測(cè)量結(jié)果，并導(dǎo)致 Zeta電位測(cè)定結(jié)果偏離，解決此問題的方法是在測(cè) 量之前用樣品對(duì)樣品池進(jìn)行預(yù)處理。

3.3 不適宜用電泳光散射測(cè)量的樣品

在整個(gè)測(cè)量期間，顆粒必須懸浮于樣品池并保 持在光束中，以便測(cè)量電泳遷移率。因此，顆粒密度 決定了用光學(xué)方法和儀器裝置在某時(shí)間周期所能 測(cè)量的最大顆粒。在毛細(xì)管樣品池中顆粒移動(dòng)非常 小的距離就會(huì)沉降出測(cè)量區(qū)域。對(duì)于發(fā)生沉降的顆 粒來說，使用毛細(xì)管樣品池的可測(cè)量時(shí)間通常比使 用插入式平板電極樣品池的時(shí)間要短得多。顆粒必 須產(chǎn)生足夠的散射光才能被檢測(cè)到，這就決定了給 定濃度下可測(cè)量的最小顆粒。

因?yàn)殡娪竟馍⑸渲械南辔环治龉馍⑸浞?（PALS）數(shù)據(jù)處理大大消除了結(jié)果的擴(kuò)散項(xiàng)，極大 地降低了布朗運(yùn)動(dòng)的影響，所以PALS可以測(cè)定最低 遷移率的納米顆粒體系。

3.4 不適宜的液體介質(zhì)

介質(zhì)要透明且對(duì)所用激光波長(zhǎng)無吸收。黏度不 能太高，最好低于10 mPa·s。介質(zhì)在測(cè)量溫度下不 會(huì)顯著揮發(fā)或蒸發(fā)，或者用于測(cè)量的樣品池能夠防 止溶劑的大量損失。

3.5 操作人員不正確的參數(shù)輸入

介電常數(shù)、黏度、折射率、溫度、電導(dǎo)率和電場(chǎng) 等參數(shù)的錯(cuò)誤輸入將引入誤差，需確保輸入或選擇 正確的測(cè)量參數(shù)和測(cè)量條件。

3.6 氣泡的影響

在加樣或過濾過程中可能形成氣泡，也可能從 溶解空氣或電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生氣泡，例如在電極表 面發(fā)生電解。粘附在毛細(xì)管壁上的氣泡會(huì)使電場(chǎng)扭 曲，從而引起不確定的靜止層位置。粘附在電極表 面的氣泡會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率測(cè)量錯(cuò)誤。測(cè)量前最重要的 步驟是確認(rèn)是否存在氣泡，若有氣泡，則輕微敲擊 以消除粘附在電極或毛細(xì)管表面上的氣泡。

3.7 計(jì)算Zeta電位時(shí)選擇不合適的理論

Zeta電位是由懸浮液中顆粒的電泳遷移率計(jì)算 得到的。用于計(jì)算的理論和公式是否合適，極大程 度上取決于顆粒的性質(zhì)和懸浮液的環(huán)境。

3.8 大氣中二氧化碳的影響

大氣中的二氧化碳溶解在水溶液中形成碳酸， 碳酸分解產(chǎn)生氫離子（H+ ）和碳酸氫根離子（HCO3 - ），該反應(yīng)的平衡受到pH值的影響，同時(shí)也會(huì)改變 pH值。對(duì)于去離子水，pH值會(huì)變?yōu)?.6左右；這個(gè)值 對(duì)于任何6到8之間的初始pH值都成立。當(dāng)pH值在6 以下，初始pH值基本上不受二氧化碳的影響。當(dāng)pH 值超過8時(shí)，pH值會(huì)有顯著下降。

該分解過程也會(huì)影響離子強(qiáng)度，這對(duì)基于蒸餾 水和去離子水的體系尤為重要。受到氫離子和氫氧 根離子的離子等效電導(dǎo)率，以及水的電離常數(shù)的限 制，25.8°C純水的電導(dǎo)率的理論值為0.055 μS/cm。 取決于大氣中二氧化碳的含量，水吸收環(huán)境中的二 氧化碳后其電導(dǎo)率可增加10倍到30倍。

3.9 施加電場(chǎng)對(duì)易感樣品的影響

在電泳法測(cè)量中，施加電場(chǎng)會(huì)帶來一些不利影 響。其中一個(gè)效應(yīng)是焦耳熱或電阻熱，此效應(yīng)會(huì)隨 介質(zhì)電導(dǎo)率的增加而增加。可以通過遵循設(shè)備生產(chǎn) 商推薦的合適電導(dǎo)率范圍，或使用為高導(dǎo)電性介質(zhì) 設(shè)計(jì)的樣品池來降低焦耳熱。高的電導(dǎo)率通常意 味著水性介質(zhì)的離子強(qiáng)度遠(yuǎn)高于0.1 mol/L。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)定過程中的電泳和電滲。

與電流通過樣品相關(guān)的另一個(gè)重要問題是易 感樣品會(huì)發(fā)生變性，如蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)類生物分 子（如DNA），包括表面包覆有生物分子或其他易 受影響的包覆樣品（如顆粒）。在電場(chǎng)中電極表面 發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并可能受到電極材料本身的影 響，例如，電極鍍金表面對(duì)蛋白質(zhì)來說活性很高。

在Zeta電位測(cè)定過程中，與氧化還原相關(guān)的降 解通常會(huì)表現(xiàn)出特征性和可觀察到的效應(yīng)。例如，可觀察到的現(xiàn)象是流體動(dòng)力學(xué)直徑會(huì)隨著時(shí)間的 延長(zhǎng)而變大，這通常會(huì)導(dǎo)致Zeta電位值朝著更負(fù)的 方向變化，尤其是蛋白質(zhì)類樣品。粒徑的增加是由 于樣品或表面包覆層的降解而引起的團(tuán)聚。

解決降解或變性問題的方法，包括減少電場(chǎng)的 施加時(shí)間、使用微弱的電場(chǎng)、使用短脈沖電壓將變 性“速率”降至最低、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 著的粒徑變化趨勢(shì)時(shí)停止測(cè)量。這些操作均能減緩 降解問題。

4 非極性介質(zhì)體系Zeta電位的測(cè)定

對(duì)于非極性介質(zhì)體系Zeta電位的測(cè)定，特別 是Zeta電位與體系穩(wěn)定性之間的關(guān)系，目前并沒有 明確的認(rèn)知。在非極性介質(zhì)體系中，相對(duì)于顆粒間 的相互作用力，顆粒粒徑和其密度效應(yīng)可能對(duì)于 穩(wěn)定性具有更重要的影響。對(duì)于非極性介質(zhì)體系 Zeta電位，其表征過程、離子組分的控制、驗(yàn)證過 程、涉及的理論和需要輸入的參數(shù)，都與水性介質(zhì) 不盡相同。

非極性介質(zhì)被定義為相對(duì)介電常數(shù)低于5的介 質(zhì)。有很多種液體，其介電常數(shù)甚至更低，介電常數(shù) 在2附近，具有更低的導(dǎo)電性，在10-10 S/m水平，例如 柴油、煤油、氯仿、環(huán)己烷、癸烷、己烷、庚烷、十六 烷、甲苯以及各種油品。

低介電常數(shù)也會(huì)影響顆粒的電泳遷移率。根據(jù) Smoluchwski理論[3]，電泳遷移率正比于介質(zhì)的介電 常數(shù)。因此，相同帶電程度的顆粒在非極性介質(zhì)下 的電泳遷移率比在水性介質(zhì)下至少低40倍。

較低的電泳遷移率對(duì)于電泳法和電聲法檢測(cè) 技術(shù)都帶來了挑戰(zhàn)。電泳法需要施加足夠強(qiáng)的電場(chǎng) 使顆粒在非極性介質(zhì)中進(jìn)行電泳運(yùn)動(dòng)。然而，強(qiáng)電 場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致非線性的影響。最佳電場(chǎng)強(qiáng)度的范圍很 窄，并且需要為特殊樣品尋找合適的電場(chǎng)強(qiáng)度范 圍。對(duì)于電聲法而言，較低的電泳遷移率降低了膠 體振動(dòng)電流的幅度。這使得測(cè)試變得復(fù)雜，帶來更 大的測(cè)試信號(hào)波動(dòng)。

許多非極性介質(zhì)的黏度高于水性樣品，這會(huì)進(jìn) 一步降低電泳遷移率。

最后，要正確地將電泳遷移率轉(zhuǎn)換成為Zeta電 位，需要知道介電常數(shù)和黏度。對(duì)于很多非極性液 體和混合物來說，可能并不知道這些參數(shù)，因此需 要額外的測(cè)試。痕量的水分，甚至在百萬分之幾的 范圍，都會(huì)影響非極性介質(zhì)下的測(cè)試結(jié)果。

5 結(jié) 語

本標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件提供了使用光學(xué)電 泳遷移法或電聲法測(cè)定Zeta電位時(shí)樣品制備和測(cè)量 過程的操作指南，本文詳盡解釋和說明了文件中的 主要技術(shù)內(nèi)容，以助力文件的順利使用和推廣，統(tǒng) 一國內(nèi)Zeta電位測(cè)定方案。

參考文獻(xiàn)

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秦福元，劉偉，王文靜，等. Zeta電位計(jì)算過程中Henry函數(shù) 的優(yōu)化表達(dá)式[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2017，37（10）：328-335.

作者簡(jiǎn)介

侯長(zhǎng)革，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)轭w粒表征與分檢及 篩網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化。

劉偉，通信作者，博士，教授，研究方向?yàn)楣馍⑸浞w粒測(cè) 量技術(shù)。

秦福元，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娪竟馍⑸浼夹g(shù)。

（責(zé)任編輯：張瑞洋）