基于电泳光散射的纳米颗粒Zeta电位分析仪的研制
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测量 Ｚｅｔａ电位的方法主要有电泳、 法【 ］、电渗法［２］、 流 动 电位 法 ［３］和 超 声 波 法 ［３］等 。 由于 电泳 光 散 射
（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＥＬＳ）具有检测速 度 快 、精确度 高、非接触和可 重复检测等优 点 ，成为 商 业 化纳米颗粒 Ｚ ｅ ｔ ａ 电位分 析仪主要采用 的方法 。在 电 泳光散射仪器研制 方面 ，国外 的发展 较成熟 。商业 化 产品 Ｚｅｔａ 电位分析仪生产厂家主要有美国的布鲁克 海文 （Ｂｒｏｏｋｈａｖｅｎ）公司 、英 国的马尔文 （Ｍａｌｖｅｍ） 公司和奥地利 的安东帕公司 （ＡｎｔｏｎＰａａｒ）等 。目前 ， 我国基于 ＥＬＳ的纳米颗粒 Ｚｅｔ ａ 电位分析仪基本从国 外进 口，导致我 国纳米材料 Ｚ ｅｔａ电位 的检测技 术与分 析水平受 到很大 限制 ，因此 掌握 基于 ＥＬＳ的纳米颗粒 Ｚｅｔ ａ 电位测 量的关键技术 ，研 发具有完全 自主知识产 权 的 Ｚｅｔ ａ 电位分析 仪，对 打破 国外行业 垄断 ，促进我 国纳米颗粒 材料 的研究 、生产 与应用等 发展 ，具有重 要意义 。
本文研 制 的基 于 ＥＬＳ的纳米颗 粒 Ｚｅｔａ电位分析
为入 射光波长 ；０ 为入射光与参 考光之 间的夹角 。
当其 他条件确定之后 ，多普勒频 移取 决于颗 粒在 溶液 中做 电泳运动 的速度 。
综合 式（１）、式（２）和式（４），可 以得到 颗粒 的 Ｚｅｔａ
电位 芒为
３＃ｒｌ
： 。
＝
３￣Ｚｏ Ｘｆ丽
（５）
由于 电泳 运动 颗粒 的散 射 光相 对 于 原始入 射 光 产生 了多普勒 频移 ，且 多普 勒频移量 与颗 粒运动速 度 成正 比，因此通过测量 多普勒频移可 得到颗粒 电泳速 度 ，进而 计算 出 Ｚｅｔａ电位 。
多普 勒频 移可 通 过对散 射 光信 号 的相 关 分析 得
由式（５）可 以看 出 ，在其他条 件不变 的情 况下 ，只 要测 出颗粒 电泳运动 的多普勒频移 △厂就可算 出 Ｚｅｔａ 电位 。
２ 纳米颗粒 Ｚｅｔａ电位分析仪设计
到 。当施加外 电场作 用时 ，颗粒 的运 动包含布 朗运动
昼 应用技术
基于 电泳光散射 的纳米颗粒 Ｚｅｔａ电位分析仪 的研制
郝瑞锋 邱健 １， 彭力 ， 骆 开庆 ， 韩鹏 ，
（１．华 南师 范大 学物 理与 电信 工程 学 院 ２．广 东省 光 电检测 仪器 工程 技 术研 究 中心 ）
摘要 ：颗粒表面 Ｚｅｔａ电位是表征胶体分散系稳定性的重要指标，电泳光散射 （ＥＬＳ）法是检测纳米颗粒 Ｚｅｔａ
电位的主要方法。在 ＥＬＳ基本 原理 的基础上 ，研制 了纳米颗粒 Ｚｅｔａ 电位分 析仪样机 ；给出了分析仪测量光路 的 设计、硬件组成 以及软件设计 ；并通过 实验验证 Ｚｅｔａ 电位分析仪 的准 确性和稳定性 。实验结果表 明：该分析仪具 有 实时检测、测量结果准确 以及稳定性好等特点 。
液 中相反 的电荷 （反号离子 ）。根据 Ｇｏｕｙ—Ｃｈａｐｍａｎ— Ｓｔｅｍ 双 电层模 型理论［４】，这些 反号离子在颗粒 表面附 近呈扩散分布状态，从而形成扩散双电层，即 Ｓｔｅｍ 层 和 扩散层 。由于颗粒表面 电荷 对反号离 子的吸 引，在 颗粒 表面形成牢 固的吸附层称为 Ｓｔｅｍ 层 ；呈扩散分 布 的反 号离子和其 他离子形 成 的为 扩散层 。Ｓｔｅｍ 层 与 扩散层之 间的界面命名为滑动 面 ，滑动面 与远离颗 粒 界面某 点的 电位差称为 Ｚｅｔａ 电 】。
＝ 考
（ ）
Ｈｅｎｒｙ推导 出颗 粒表面 Ｚｅｔ ａ 电位和 电泳迁 移率间
的关系为［７】
广东龛省墨自曼 然 科、， 学謇基金臭 项目学（２基０金 １４Ａ项０３目０３（１６３１ ４３７３１、 ） ７ ； 广东 省科 技计划项 目 （２０１３Ｂ０６０１０００１４）；广州市科技计 划 项 目 （２０１７０７０１０４８５） 。
关键 词 ：Ｚｅｔａ电位；纳米颗粒；电泳光散射；多普勒频移
０ 引言
１ ＥＬＳ基本原理
颗粒表面 Ｚｅｔａ 电位是表 征悬浮液 和胶体稳定 性 的一个 重要指标 。在乳业 、酿造 、造纸 、陶瓷 、制药 、 矿 物处理和水处理等 行业 中，颗粒 表面 Ｚｅｔ ａ 电位是 极 其重 要的参数 。
本文 基于 ＥＬＳ技术 ，研制纳米颗 粒 Ｚｅｔ ａ 电位 分 析仪样机 。该仪器采用基于参考光调制技术的测量光 路 ，合理选择 设计光源 、探 测器 、光子相关 器、样 品 池和 电极 结构等关键模块 ，并通过上位 机分析实验 数 据，得到纳米颗粒 Ｚｅｔ ａ电位 。
１．１ Ｚｅｔａ电位 的定 义 当带 电颗粒悬浮 于液体 中时 ，颗粒表面会 吸附溶
颗粒表面 Ｚｅｔａ 电位 的大 小是表征 悬浮 液和胶体 稳定性的重要参数。当 Ｚｅｔａ电位较高时，粒子之间表 现 为排斥 力大于吸 引力 ，粒 子倾 向于 分散 ，体系 比较 稳定 ；当 Ｚｅｔａ 电位较低 时 ，粒子之 间表现为排斥力小 于吸 引力，粒子倾 向于团聚 ，体 系稳定性被破坏 。 １．２ 电泳 技术
带 电粒 子 在 电场 作用 下沿 电性相 反 电极 的定 向 移动 ，称为 电泳运 动 。Ｚｅ ｔａ 电位不 能直接测量 ，可通 过电泳运动间接测量【 】。颗粒的电泳速度 与所施加 的电场 强度 Ｅ成正 比，引入 电泳迁移 率 （ｍ ／Ｖ．Ｓ），
即单位 电场 下的 电泳速度 ，表达 式为
２０１８年第３９卷第… … ～ … 一 ‘
＝
（
（２）
其 中 ， 为 Ｚｅｔａ电位 ； ｓ为溶 液 的介 电常数 ； 为溶
液 的粘 质系数 ： ，为球形颗粒 的半径 ；ｋ为常数 ，对 水性悬浮液 ｅｅ的大粒子 ｆ（ｋｒ、：兰 。
３
ｌ＿３ 散射 光信 号 的相 关分 析
（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＥＬＳ）具有检测速 度 快 、精确度 高、非接触和可 重复检测等优 点 ，成为 商 业 化纳米颗粒 Ｚ ｅ ｔ ａ 电位分 析仪主要采用 的方法 。在 电 泳光散射仪器研制 方面 ，国外 的发展 较成熟 。商业 化 产品 Ｚｅｔａ 电位分析仪生产厂家主要有美国的布鲁克 海文 （Ｂｒｏｏｋｈａｖｅｎ）公司 、英 国的马尔文 （Ｍａｌｖｅｍ） 公司和奥地利 的安东帕公司 （ＡｎｔｏｎＰａａｒ）等 。目前 ， 我国基于 ＥＬＳ的纳米颗粒 Ｚｅｔ ａ 电位分析仪基本从国 外进 口，导致我 国纳米材料 Ｚ ｅｔａ电位 的检测技 术与分 析水平受 到很大 限制 ，因此 掌握 基于 ＥＬＳ的纳米颗粒 Ｚｅｔ ａ 电位测 量的关键技术 ，研 发具有完全 自主知识产 权 的 Ｚｅｔ ａ 电位分析 仪，对 打破 国外行业 垄断 ，促进我 国纳米颗粒 材料 的研究 、生产 与应用等 发展 ，具有重 要意义 。
本文研 制 的基 于 ＥＬＳ的纳米颗 粒 Ｚｅｔａ电位分析
为入 射光波长 ；０ 为入射光与参 考光之 间的夹角 。
当其 他条件确定之后 ，多普勒频 移取 决于颗 粒在 溶液 中做 电泳运动 的速度 。
综合 式（１）、式（２）和式（４），可 以得到 颗粒 的 Ｚｅｔａ
电位 芒为
３＃ｒｌ
： 。
＝
３￣Ｚｏ Ｘｆ丽
（５）
由于 电泳 运动 颗粒 的散 射 光相 对 于 原始入 射 光 产生 了多普勒 频移 ，且 多普 勒频移量 与颗 粒运动速 度 成正 比，因此通过测量 多普勒频移可 得到颗粒 电泳速 度 ，进而 计算 出 Ｚｅｔａ电位 。
多普 勒频 移可 通 过对散 射 光信 号 的相 关 分析 得
由式（５）可 以看 出 ，在其他条 件不变 的情 况下 ，只 要测 出颗粒 电泳运动 的多普勒频移 △厂就可算 出 Ｚｅｔａ 电位 。
２ 纳米颗粒 Ｚｅｔａ电位分析仪设计
到 。当施加外 电场作 用时 ，颗粒 的运 动包含布 朗运动
昼 应用技术
基于 电泳光散射 的纳米颗粒 Ｚｅｔａ电位分析仪 的研制
郝瑞锋 邱健 １， 彭力 ， 骆 开庆 ， 韩鹏 ，
（１．华 南师 范大 学物 理与 电信 工程 学 院 ２．广 东省 光 电检测 仪器 工程 技 术研 究 中心 ）
摘要 ：颗粒表面 Ｚｅｔａ电位是表征胶体分散系稳定性的重要指标，电泳光散射 （ＥＬＳ）法是检测纳米颗粒 Ｚｅｔａ
电位的主要方法。在 ＥＬＳ基本 原理 的基础上 ，研制 了纳米颗粒 Ｚｅｔａ 电位分 析仪样机 ；给出了分析仪测量光路 的 设计、硬件组成 以及软件设计 ；并通过 实验验证 Ｚｅｔａ 电位分析仪 的准 确性和稳定性 。实验结果表 明：该分析仪具 有 实时检测、测量结果准确 以及稳定性好等特点 。
液 中相反 的电荷 （反号离子 ）。根据 Ｇｏｕｙ—Ｃｈａｐｍａｎ— Ｓｔｅｍ 双 电层模 型理论［４】，这些 反号离子在颗粒 表面附 近呈扩散分布状态，从而形成扩散双电层，即 Ｓｔｅｍ 层 和 扩散层 。由于颗粒表面 电荷 对反号离 子的吸 引，在 颗粒 表面形成牢 固的吸附层称为 Ｓｔｅｍ 层 ；呈扩散分 布 的反 号离子和其 他离子形 成 的为 扩散层 。Ｓｔｅｍ 层 与 扩散层之 间的界面命名为滑动 面 ，滑动面 与远离颗 粒 界面某 点的 电位差称为 Ｚｅｔａ 电 】。
＝ 考
（ ）
Ｈｅｎｒｙ推导 出颗 粒表面 Ｚｅｔ ａ 电位和 电泳迁 移率间
的关系为［７】
广东龛省墨自曼 然 科、， 学謇基金臭 项目学（２基０金 １４Ａ项０３目０３（１６３１ ４３７３１、 ） ７ ； 广东 省科 技计划项 目 （２０１３Ｂ０６０１０００１４）；广州市科技计 划 项 目 （２０１７０７０１０４８５） 。
关键 词 ：Ｚｅｔａ电位；纳米颗粒；电泳光散射；多普勒频移
０ 引言
１ ＥＬＳ基本原理
颗粒表面 Ｚｅｔａ 电位是表 征悬浮液 和胶体稳定 性 的一个 重要指标 。在乳业 、酿造 、造纸 、陶瓷 、制药 、 矿 物处理和水处理等 行业 中，颗粒 表面 Ｚｅｔ ａ 电位是 极 其重 要的参数 。
本文 基于 ＥＬＳ技术 ，研制纳米颗 粒 Ｚｅｔ ａ 电位 分 析仪样机 。该仪器采用基于参考光调制技术的测量光 路 ，合理选择 设计光源 、探 测器 、光子相关 器、样 品 池和 电极 结构等关键模块 ，并通过上位 机分析实验 数 据，得到纳米颗粒 Ｚｅｔ ａ电位 。
１．１ Ｚｅｔａ电位 的定 义 当带 电颗粒悬浮 于液体 中时 ，颗粒表面会 吸附溶
颗粒表面 Ｚｅｔａ 电位 的大 小是表征 悬浮 液和胶体 稳定性的重要参数。当 Ｚｅｔａ电位较高时，粒子之间表 现 为排斥 力大于吸 引力 ，粒 子倾 向于 分散 ，体系 比较 稳定 ；当 Ｚｅｔａ 电位较低 时 ，粒子之 间表现为排斥力小 于吸 引力，粒子倾 向于团聚 ，体 系稳定性被破坏 。 １．２ 电泳 技术
带 电粒 子 在 电场 作用 下沿 电性相 反 电极 的定 向 移动 ，称为 电泳运 动 。Ｚｅ ｔａ 电位不 能直接测量 ，可通 过电泳运动间接测量【 】。颗粒的电泳速度 与所施加 的电场 强度 Ｅ成正 比，引入 电泳迁移 率 （ｍ ／Ｖ．Ｓ），
即单位 电场 下的 电泳速度 ，表达 式为
２０１８年第３９卷第… … ～ … 一 ‘
＝
（
（２）
其 中 ， 为 Ｚｅｔａ电位 ； ｓ为溶 液 的介 电常数 ； 为溶
液 的粘 质系数 ： ，为球形颗粒 的半径 ；ｋ为常数 ，对 水性悬浮液 ｅｅ的大粒子 ｆ（ｋｒ、：兰 。
３
ｌ＿３ 散射 光信 号 的相 关分 析
