Parameter Zetapotenzial

Das Zetapotenzial entsteht durch die Bildung einer elektrochemischen Doppelschicht an der Grenzfläche eines Materials zu einem flüssigen Medium, in Abhängigkeit der Funktionalität der Materialoberfläche und der Ionenstärke des Mediums [1]. Als ein Parameter für die Stabilität einer Dispersion spiegelt das Zetapotenzial die Fähigkeit von Partikeln wider, sich gegenseitig elektrostatisch abzustoßen. Der Betrag des Zetapotenzials bestimmt das Maß der Stabilität, während das Vorzeichen des Zetapotenzials zeigt, ob positive oder negative Ladungen an der Oberfläche dominieren. Für makroskopische Oberflächen wird das Zetapotenzial zur Beschreibung der Oberflächenchemie und deren Änderung durch physikalische und chemische Prozesse herangezogen. Diese Information wird z.B. für die Optimierung von Reinigungs-, Beschichtungs-und Adsorptionsprozessen genutzt. Um das Zetapotenzial zu bestimmen, wird ein elektrokinetischer Effekt gemessen, der dadurch hervorgerufen wird, dass sich eine Phase (Partikel in einer Flüssigkeit oder eine Flüssigkeit über eine Oberfläche) relativ zur anderen bewegt. Zwei Messmethoden sind im Folgenden beschrieben.

Elektrophoretische Lichtstreuung

In kolloidalen Dispersionen wird das Zetapotenzial mithilfe der elektrophoretischen Lichtstreuung (ELS) erfasst. Dabei wird die Beweglichkeit geladener Partikel in einem elektrischen Feld bestimmt (genauer: deren elektrophoretische Mobilität) und mittels Phasenanalyse (PALS) des Streulichts ausgewertet [2]. Neben der Standardmethode PALS (Phase Analysis Light Scattering) misst das Gerät Litesizer 500 von Anton Paar mit der patentierten cmPALS-Methode (cmPALS = continuously monitored PALS) [3]. Diese ermöglicht u.a. Zetapotenzialmessungen mit sehr geringen elektrischen Feldern. So sind schnelle und reproduzierbare Ergebnisse auch für sensible Proben (wie Proteine) möglich. Außerdem bewirkt die besondere Form der Omegaküvette (rechts in Bild 1) eine Homogenität des elektrischen Feldes. Als Konsequenz werden Alterungseffekte und Messfehler minimiert, da das Detektorsignal einzig und allein auf der Partikelbewegung beruht. [4]

In Bild 1 sind Zetapotenzialmessungen im Vergleich gezeigt (zwischen der klassischen PALS- und der weiterentwickelten cmPALS-Technik). Hier wurden Latexproben unterschiedlich stark verdünnt in Wasser analysiert. Während die Ergebnisse bei der PALS-Technik (in Grau) eine starke Konzentrationsabhängigkeit zeigten, mit zunehmenden Fehlerabweichungen, je trüber die Probe wird (Transmission 84% bis 14%), zeigten die Untersuchungen unter Verwendung der cmPALS-Technik (in Rot) selbst bei hohen (und auch bei sehr geringen) Konzentrationen stabile, reproduzierbare Ergebnisse. Auch bei hohen Leitfähigkeiten, kurzen Messzeiten und kleinen elektrischen Feldern lassen sich mit der cmPALS-Technik gute Ergebnisse erzielen – was den Horizont der Zetapotenzialanalyse deutlich erweitert.

Strömungspotenzial

Der experimentelle Zugang zum Zetapotenzial makroskopischer Festkörperoberflächen erfolgt durch Messen des Strömungspotenzials. Für die Messung wird ein Elektrolyt durch einen schmalen Kanal (z.B. gebildet durch zwei gegenüberliegende Probenflächen) geströmt und erzeugt dabei ein Druckgefälle. Als elektrische Antwort auf die Ladungsverschiebung an der Grenzfläche zwischen Feststoff und Flüssigkeit entsteht das Strömungspotenzial. Der Zusammenhang zwischen Druckdifferenz und Strömungspotenzial ist linear und proportional dem Zetapotenzial. [1]