本文件提供了新产品设计、已有产品优化、加工过程和/或产品应用中质量控制等应用领域Zeta电位测定操作指南。 本文件没有提供Zeta电位测定的完整程序。 本文件中提到的说明和要点可用于执行ISO 13099-1和ISO 13099-2中规定的Zeta电位测定。

ICS19.120
CCSA28
中华人民共和国国家标准化指导性技术文件GB/Z42353—2023/ISO/TR19997:2018Zeta电位测定操作指南
Guidelines for good practices in zeta-potential measurement（ISO/TR19997:2018,IDT）
2023-03-17发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2023-10-01实施
规范性引用文件
术语和定义
样品制备
取样和样品检查
6.3样品稀释步骤
6.4样品的稳定性试验
7测量的不确定度和误差来源
从之前的样品中产生的携带污染7.3不适宜的样品制备过程
7.4不适宜用电泳光散射测量的样品7.5
不适宜的液体介质
操作人员不正确的参数输入
气泡的影响
GB/Z42353—2023/ISO/TR19997:2018IN
使用测得的电泳迁移率计算Zeta电位时选择不适宜的理论7.9大气中二氧化碳的影响
7.10施加电场对易感样品的影响附录A（资料性）非极性介质体系Zeta电位的测定参考文献www.bzxz.net
GB/Z42353-—2023/IS0/TR19997:2018本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件等同采用ISO/TR19997：2018《Zeta电位测定操作指南》，文件类型由ISO的技术报告调整为我国的国家标准化指导性技术文件。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布单位不承担识别专利的责任。本文件由全国颗粒表征与分检及筛网标准化技术委员会（SAC/TC168)提出并归口。本文件起草单位：山东理工大学、上海市计量测试技术研究院、中机生产力促进中心有限公司、河南中科智能制造产业研发中心有限公司。本文件主要起草人：刘伟、吴立敏、侯长革、刘振华、许人良、傅晓伟、杨正红、秦和义、杨凯、朱培武、秦福元。
GB/Z42353—2023/ISO/TR19997:2018引
Zeta电位通常用于研究液体介质中颗粒分散体系的等电点（IEP)和表面吸附，并作为比较不同样品静电分散稳定性的指标。Zeta电位不是可直接测量的量，而是使用适当理论确定的量。此外，Zeta电位不是悬浮颗粒的固有属性，而是取决于颗粒和介质属性，以及它们在界面上的相互作用。介质的化学成分和离子浓度的任何变化都会影响这种界面平衡，从而影响Zeta电位。因此，样品制备和测量过程都会影响测定结果。错误的样品制备和测量过程，或者错误地应用理论模型从测量结果计算Zeta电位，通常会造成错误的结果。
本文件提供了使用光学电泳迁移法或电声法测定Zeta电位的样品制备和测量过程的操作指南。IV
1范围
GB/Z42353-2023/IS0/TR19997.2018Zeta电位测定操作指南
本文件提供了新产品设计、已有产品优化、加工过程和/或产品应用中质量控制等应用领域Zeta电位测定操作指南。
本文件没有提供Zeta电位测定的完整程序。本文件中提到的说明和要点可用于执行ISO13099-1和ISO13099-2中规定的Zeta电位测定。2规范性引用文件
本文件没有规范性引用文件。
3术语和定义
本文件没有需要界定的术语和定义。4符号
下列符号适用于本文件。
电泳迁移率
介质相对介电常数
电动电位，Zeta电位
7。介质黏度
5原理
Zeta电位（s)是在假想剪切面处的电位，该剪切面是附着在颗粒表面的溶剂分子与溶剂的分界面。Zeta电位常用于预测悬浮液的稳定性，或悬浮颗粒黏附在宏观表面（如纤维素纤维、薄膜）的附着力。这是因为颗粒间或颗粒与表面间或颗粒与蛋白质间的相互作用取决于扩散层内的离子分布，它与Zeta电位密切相关。当颗粒间或颗粒与表面间的静电力起主导作用时，Zeta电位是评估这些相互作用的主要参数。表面带有大量相同电荷时，表面互相排斥。当表面无电荷，或表面间带有相反电荷，或表面间分别存在正电荷和负电荷区域时，表面相互吸引。Zeta电位的绝对值越高，悬浮颗粒间排斥作用越强，胶体悬浮液越趋于稳定。电解质含量越低双电层越厚，悬浮液越趋于稳定。反之，Zeta电位绝对值（正电或负电）越低电解质（离子)浓度越高，悬浮液越能凝聚。因此，Zeta电位主要用于预测悬浮液的稳定性，悬浮液的稳定性常与pH和/或各类电解质及表面活性离子（如离子表面活性剂、多价态离子和聚合物电解质的浓度有关[2][3]。Zeta电位能通过液体介质与颗粒的相对运动测定。通常用电泳或电声学方法测定不同样品（如颗粒直径从几纳米到几十微米、体积浓度从10-4%到40%)胶体悬浮液的Zeta电位[4]。Zeta电位不是颗粒的固有属性，而是取决于颗粒表面与其分散介质的液相之间的化学平衡。介质1
GB/Z42353—2023/ISO/TR19997:2018的化学成分和离子浓度的任何变化都可以影响这种平衡，从而影响Zeta电位[SIC6JL7。从不稳定悬浮液到稳定悬浮液转变的普适临界Zeta电位值，仅在有限的应用中得到证实。在评估悬浮液稳定性时，需要谨慎使用Zeta电位值。在配方研究中预测稳定性，建议同时测量其他参数（例如粒度分布、浊度、黏度等)以验证由Zeta电位测定得到的结论。有关非极性介质中颗粒的Zeta电位测定信息，见附录A。6样品制备
6.1概述
由于Zeta电位取决于颗粒及其分散介质，简单的稀释可能改变介质的化学成分的浓度，会影响颗粒的Zeta电位。因此，除了颗粒样品制备的一般操作外8]，还需要采取特殊措施。稀释可能引起溶解，进而改变表面和介质。样品制备需要遵循以下步骤，使得从原始体系变为稀释样品时Zeta电位不会改变。
样品制备步骤不仅要求颗粒及其表面在稀释前后保持相同，还要求介质在电化学上相同。颗粒表面电荷完全取决于悬浮液的化学特性。如果测量前需要对浓悬浮液进行稀释，则分散液的pH和某些离子浓度都是要控制的关键参数。颗粒在浓悬浮液和稀释液中所处的条件需要完全匹配。如果除稀释外还涉及样品中表面活性剂的稳定作用，那么以上条件就不易满足。样品制备过程能对液体成分产生巨大影响。在不影响分散介质和界面的物理化学性质的前提下，调整颗粒浓度以完成电动力学测量通常是相当困难的。例如，分别使用硝酸钾溶液和去离子水分散同一无定型二氧化硅后形成的两种悬浮液的pH和离子强度将是不同的。这种不同会对界面的性质，比如Zeta电位，产生重大的影响。
6.2取样和样品检查
只有当测试样品能够代表某一材料批次，且取样量足够时，在该样品中测得的电泳迁移率（μ)才适用于该批次。
宜检查待测样品，确保颗粒充分分散，并在放置相当于测试时间长度的一段时间内不发生任何沉淀。如果测试过程中颗粒产生沉淀，则因为激光束覆盖的颗粒可能无法代表整个样品（以多分散样品为例，大颗粒发生沉淀导致测量结果偏小)，可能不适合使用光学方法进行测量。在样品制备过程中需要格外注意，防止改变待测样品的电泳迁移率[3]。与样品直接接触的实验室器血（例如玻璃烧杯或注射器)都可能吸附介质中的离子，也可能将之前清洁过程或器血本身的残留污染物带人到样品。最好使用与样品化学相容的一次性塑料烧杯和移液管。提供测试结果时，还要提供包括样品处理方式和稀释剂准备在内的详细报告。可进行几次完整的样品稀释和测量，用来证明所采用的方法是可靠并可重复的。6.3样品稀释步骤
在电声法测量中，通常很少或没有样品制备的要求。这种方法利用了有限颗粒浓度与粒径大小的理论和校准程序，将原始测量数据转换成Zeta电位[9]。在使用光学电泳法时，要将样品稀释到适当的浓度，使颗粒与颗粒之间的相互作用减到最小。这种状况下，需要避免溶剂冲击或者其他的稀释作用改变样品的电动力学特性，
样品稀释能遵循所谓的均衡稀释法，这里稀释用的液体与原体系中的液体一样。通过适当的操作，均衡稀释使得样品的特性除了颗粒浓度外，其余的都保持原样。只有采用均衡稀释方法来制备样品，才能保证原始样品和稀释样品的Zeta电位原则上一致。在Zeta电位测定中，使用简单的稀释，例如用去离子水稀释，是误导性的，通常也是错误的方法。2
GB/Z42353-—2023/ISO/TR19997:2018有两种途径获得稀释用液体。一种是通过重力或离心沉降的方法，提取上层的液体。可以使用这种上层液体，或者叫“母液”，把原始样品稀释到测量所要求的最佳浓度。这种方法适用于较大颗粒，并且具有足够的密度差。对于密度差异小的纳米颗粒和生物体系，该方法就不太适合。乳浊液，利用表面活性剂把通常不能混合的油性物质和水相组分混合而成的稳定体系，由于很难使用离心方法，通常要在与原始悬浮液相同的离子浓度下进行稀释。理想情况下，该操作使高浓度液与稀释液维持相同的离子浓度。能通过了解分散相的离子成分（离子、离子型表面活性剂）获得稀释剂，但是不包括从颗粒释放出来的成分。另外一种是借助透析的方法，更适用于纳米和生物胶体。所用渗透膜要能透过离子和分子而不能透过胶体颗粒，该过程需要确保避免渗透膜上脱落的颗粒或表面活性剂等物质进人稀释液，极少数情况下，需要增加样品浓度。先把颗粒与液体分离，然后使用更高的体积比，把颗粒分散到相同的液体中。也可以通过适度的离心，移走上层液体的方法获得高浓度样品，但需要优化该过程以减少颗粒损失或避免团聚效果。
任何用作稀释或制备样品的介质最初都不能含颗粒（至少达到残留颗粒不影响Zeta电位测定的程度）。对于“洁净”的介质，操作者能使用平均孔径小于最小颗粒的薄膜过滤器（注射式过滤器）过滤介质，但宜考虑薄膜的疏水性和化学兼容性。对于更难处理的复杂介质，能通过离心实现该目的。6.4样品的稳定性试验
为了确定样品是否稳定，通常要求按时间顺序进行一系列的测量8。例如，悬浮液中离子从颗粒上的分离可能导致pH或电导率随同迁移率一起随时间而变化。如果可能的话，建议在每次测量的前后，都要确定悬浮液的pH和/或电导率，这可以验证样品是否稳定。任何明显的样品不稳定性意味着分析上的困难。在这种情况下，建议在报告绝对数值外也报告变化率。如果需要稀释，则建议进行一系列浓度下的测量。通过这种方法能观察到颗粒与颗粒相互作用的影响或者其他的稀释效应。通常，颗粒与颗粒相互作用将导致颗粒运动受阻，表观运动变缓，使测定的Zeta电位趋向于零的方向变化。7测量的不确定度和误差来源
7.1概述
本章适用于精确度（在重复性条件或相同样品的不同分样条件下，当使用光学方法时至少要连续测量3次(10，或使用声学方法时连续测量6次[11）和鲁棒性（如稀释效应、电压效应等)等质量指标。任何指标都可能是“足够好”和“恰如其分”，但需要注意的是，在80mV时的1mV变化与在0mV左右的1mV变化是不可比的。呈现趋势的结果通常表明体系发生了某些变化。许多制造商提供的结果质量报告和专家建议是有帮助的，不宜忽视。足够的信噪比至关重要，信噪比低通常导致精度不高。在许多情况下，能通过检查原始信号数据和寻求专家协助解决。过宽或过多的峰是可疑的，需要仔细检查。浓度过高或过低也可导致测量间题，因此，通常在一系列浓度下进行测量，以便确定合适的浓度范围。Zeta电位测定对清洁度和少量污染物的存在特别敏感，如来自离子交换柱的多价离子或浸出物，但它可能不会显著影响电导率或pH。任何用于稀释或样品制备的水质都很重要，不能假定出自商业水处理系统的去离子水符合Zeta电位测定的要求；如果可能的话，宜对水源进行单独测试（例如大多数商业的Zeta电位分析仪器都能测量电导率和pH，见7.6）。可以使用有证标准物质或二级标准物质验证仪器的性能，如果对测量结果存在疑问，宜进行标准物质的测量。在可能的情况下，强烈建议仪器制造商或其指定人员定期(年度)进行仪器性能验证。3
GB/Z42353—2023/ISO/TR19997:20187.2从之前的样品中产生的携带污染由于冲洗不足，前一个样品的残留可能留在样品池内，除非样品池是一次性或可替换的类型。当在较高和极低的离子浓度之间切换时，仅靠冲洗可能是不够的。首选的做法是将一个单独的样品池只用于高离子浓度的样品测量，或者可以使用一次性样品池（如果有）。另外在有多个相关样品的情况下，建议从低到高离子浓度，并且从低到高的pH进行测量，以免携带污染。7.3不适宜的样品制备过程
有关样品稀释的详细信息，见6.2。用于产生上清液或等效悬浮介质的任何玻璃器皿或其他容器需要清洁并且没有离子污染。样品在测量池表面上的可能吸附也能改变测量结果，并导致Zeta电位结果的偏离。解决这个问题的一种方法是在测量之前用样品对样品池进行预处理[12]。7.4不适宜用电泳光散射测量的样品在整个测量期间，颗粒宜悬浮于样品池中并保持在光束中，以便测量电泳迁移率。因此，颗粒密度决定了用这种特定方法和仪器装置在某时间周期所能测量的最大颗粒。在毛细管样品池中颗粒移动非常小的距离就会沉降出测量区域。对于沉降颗粒来说，使用毛细管样品池的可测量时间通常比使用浸人池要短得多。其中，浸入池的两个平板电极浸人在样品池中。颗粒只有产生足够的散射光才能被检测到，这样就决定了给定浓度下能测量的最小颗粒。因为电泳光散射中的相位分析光散射法（PALS)数据处理大大消除了结果的扩散项，极大地降低了布朗运动的影响，所以PALS可以测定最低迁移率的纳米颗粒体系。在处理电泳光散射测量数据时，也能根据经验消除布朗运动的影响[13]。7.5不适宜的液体介质
介质要透明且对所用激光的波长无吸收现象。黏度（n。）不能太高，最好低于10mPa·s。介质在测量温度下不能显著挥发或蒸发，或者宜使用能够防止溶剂的大量损失的测量样品池。7.6操作人员不正确的参数输入
介电常数、黏度、折射率、温度、电导率和电场强度等参数的错误输入将引人误差。需确保输入或选择正确的测量参数和测量条件。对于非牛顿流体尤其麻烦，因为不知道合适的黏度值。一种方法是使用“微观黏度”[14I15]。根据此概念，在非牛顿流体中颗粒运动经历的“微观黏度”不同于能用经典流变学仪器测量得到的“宏观黏度”值。微观黏度的大小取决于颗粒大小与组成非牛顿流体添加剂的网格尺寸之比。如果在特定实验中应用交流电场，微观黏度的大小也取决于颗粒的运动频率。只有一种方法测定微观黏度，即测量含有已知颗粒大小的分散体系。测量技术需要对黏度值敏感，这包括沉降、离心、声学和动态光散射(DLS)。所测量的原始数据能用来反演出黏度值，该黏度值对应已知颗粒的粒径。这样的黏度值能作为“微观黏度”输人参数，用于测量未知大小的样品，并测定其Zeta电位。
使用这种微观黏度测定方法需满足几个条件。首先，大小未知的样品粒度范围需要接近用于测定微观黏度的颗粒粒径。这将确保颗粒大小与添加剂网格尺寸之比的差异不会显著。另一个条件与微观黏度测量的频率有关。非牛顿流体微观黏度依赖于测量频率。不同的Zeta电位测定方法需要不同的微观黏度值，因为这些数值在不同频率下有效。例如，微电泳法和电泳光散射法（ELS)需要在零频率下测量微观黏度值，而电声学法则需要在兆赫兹范围内测量。因此，对于直流微电泳和电泳光散射法，能采用沉降法和动态光散射法测量微观黏度。对于电声学法，则采用声学颗粒测量方法确定微观黏度[16]17]。
7.7气泡的影响
GB/Z42353—2023/ISO/TR19997.2018可能在加样或过滤过程中形成气泡，也可能从溶解空气或电化学反应中产生，例如在电极表面发生电解。黏附在毛细管壁上的气泡可能使电场扭曲，从而引起静止层位置的不确定。黏附在电极表面的气泡可能导致电导率测量错误。轻微敲击，通常足以消除黏附在电极或毛细管表面上的气泡。确认气泡是否存在是最重要的步骤。
7.8使用测得的电泳迁移率计算Zeta电位时选择不适宜的理论Zeta电位由悬浮液中颗粒的迁移率计算得到。用于计算的理论和公式是否合适，极大程度上取决于颗粒的性质和悬浮液的环境(更完整的解释见参考文献[3])。对于电动力学软颗粒（例如毛状颗粒或乳液液滴），由商用仪器提供的理论计算出的Zeta电位值能用于比较相同类型的不同样品，但宜谨慎使用。
7.9大气中二氧化碳的影响
大气中的二氧化碳（CO2)溶解在水溶液中形成碳酸，碳酸分解产生氢离子（H+）和碳酸氢根离子(HCO-)：
CO2()+H2OHCO()H++HCO
该反应的平衡受到pH的影响，同时会改变pH。整个体系具有自调节性：对于去离子水，pH会变为5.6左右；这个值对于任何6～8之间的初始pH都成立。当pH在6以下，初始pH基本上不受二氧化碳的影响。当pH超过8时，pH的变化会有一个显著的下降。该分解过程也会影响离子强度，这对基于蒸馏水和去离子水的体系尤为重要。受到氢离子和氢氧根离子的离子等效电导率，以及水的电离常数的限制，25.8℃纯水的电导率的理论值为0.055μS/cm。大气中二氧化碳的含量会影响水吸收环境中的二氧化碳导致水的电导率能增加10倍到30倍。例如，有研究报道18]，....与大气二氧化碳达到平衡的纯水的电导率能从0.7μS/cm到1.3μS/cm，取决于该实验室的大气压力，标准不确定度是士0.2μS/cm。对于值为12μS/cm的溶液，这相当于电导率的相对标准不确定度大约在士2%…….”。7.10施加电场对易感样品的影响在电泳法测量中，施加电场会带来一些潜在的不利影响。其中一个效应是焦耳热或电阻热，此效应会随介质电导率的增加而增加。遵循设备生产商推荐的合适电导率范围，或使用为高导电性介质设计的样品池能降低焦耳热。高的电导率通常意味着水性介质的离子强度远高于0.1mol/L。焦耳热能同时引起温度升高和温度梯度，二者都会影响Zeta电位测定过程中的电泳和电渗。与电流通过样品相关的另一个重要问题是易感样品会发生潜在变性，如蛋白质和蛋白质类生物分子（如DNA），包括表面包覆有生物分子或其他易受影响的包覆样品（如颗粒）。样品在电场中电极表面发生氧化还原反应和样品可受到电极材料本身的影响，例如，金表面对蛋白质来说活性很高。在Zeta电位测定过程中，与氧化还原相关的降解通常会表现出特征性和可观察到的效应，如果该情形发生，则建议进一步考察。其中一个可观察到的现象是流体动力学直径会随着时间的延长而变大，这（通常）会导致Zeta电位值朝着更负的方向变化，尤其是蛋白质类样品。粒径的增加是由于样品或表面包覆层的降解而引起的团聚。例如，金纳米颗粒上经常出现可见的黑色沉淀物，这是由于该颗粒容易发生氧化还原导致降解（如柠檬酸稳定的颗粒）。电极表面上下任何可见的变黑或“生长”都是电解的明显迹象。
可以考虑几种潜在的方法解决降解或变性的问题，包括减少电场的施加时间、使用微弱的电场[可5
GB/Z42353—2023/ISO/TR19997：2018只对适当结构的样品池有效（如浸入式样品池）、使用短脉冲电压将变性“速率”降至最低、使用较低活性的电极材料（如将金换成钯），或同时监测粒径大小，当观察到显著的变化趋势时停止测量。这些操作均能减缓降解问题。
唯一能消除该问题的方法是将易受影响的待测物与电极表面通过所谓的扩散屏障进行隔离。这种方法只有在使用封闭的毛细管样品池时才可行，对浸人式样品池无效。在这种情况下，毛细管内首先装满与待测介质匹配的缓冲液，使用注射器针头将微量样品注人光学测量区域。这样就在样品的两侧形成屏障，阻止其在Zeta电位测定时间(数分钟)内接触电极。毛细管的长度也会影响待测物扩散到电极表面所需要的时间。
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