双电层对于动态光散射粒径测试结果的影响

图1. 带电颗粒示意图

      分散在极性分散剂中的带电颗粒往往具有一定厚度的双电层（严密电位层和滑移剪切层）。颗粒在布朗运动的过程中以滑移剪切层为边界做整体运动，即双电层对于颗粒的尺寸有所贡献，从而造成颗粒检测结果相较其实际尺寸偏大。

      采用200nm聚苯乙烯标准球作为目标体系，其固含量为1%，TEM测试值为203±5nm，PCS（动态光散射）测试值为204.5±5.5nm。将该标准样品用不同浓度的NaCl水溶液稀释200倍，配置成为一系列样品，用丹东百特仪器公司的研制的BeNano 90 Zeta纳米粒度及电位分析仪检测粒径和Zeta电位，看看双电层对于粒径结果的影响。

测试结果和讨论

      通过使用BeNano 90 Zeta纳米粒度及电位分析仪得到了一系列不同NaCl浓度下200nm聚苯乙烯标准球颗粒的粒径和Zeta电位信息。

图2. 在不同浓度的NaCl溶液下的测试结果。

（a）电导率随NaCl浓度的变化曲线

（b）Zeta电位随NaCl浓度的变化曲线

（c）粒径随NaCl浓度的变化曲线

      在用电泳光散射测试Zeta电位过程中，我们同时可以得到溶液的电导率，如图2（a）所示。从中可以看到，电导率和NaCl浓度成正比。这是由于NaCl是强酸强碱盐，在水溶液中离解充分。这也展示了BeNano 90 Zeta测试电导率测试的准确性。

      图2（b）中展示了不同浓度NaCl溶液中样品的Zeta电位。可以看到如下现象：一是样品在不同浓度的NaCl溶液中Zeta电位均为负值，说明样品颗粒表面带负电荷。二是随着NaCl浓度增加，样品的Zeta绝对值逐渐变小。虽然数据点有一定散布，但是还是可以看出Zeta电位绝对值随NaCl浓度增加呈降低趋势。这是因为NaCl浓度升高导致了样品颗粒周围环境中的离子强度的增加，对于颗粒Zeta电位的屏蔽效果越强，从而导致了Zeta电位绝对值的降低。

      图2（c）中展现了颗粒的粒径随NaCl浓度的变化。可以看出，NaCl浓度越高（>100mM），所测粒径越接近200nm的标称值且基本恒定。在NaCl浓度为0（蒸馏水）条件下，此时测得的粒径为215nm，明显高于200nm的标称值。这是因为颗粒周围环境中离子较少，颗粒的双电层处于展开状态导致的。随着NaCl浓度升高，周围环境中的离子强度上升，对于颗粒Zeta电位的屏蔽作用增加，也压缩了双电层的尺寸，致使粒径逐渐接近标称值。

总结

      本实验考察了不同NaCl浓度下200nm的聚苯乙烯球的粒径和Zeta电位随盐浓度变化的关系。研究表明，样品的双电层对于动态光散射检测颗粒的粒径结果具有贡献，在低离子强度环境中，双电层是展开状态，粒度结果比真实值大。对于追求粒径测试准确性高的用户来讲，应当在测试过程中注意双电层对于测试结果的影响。当发现对结果影响较大时，可以适当增加分散介质的离子强度（比如用较高浓度的NaCl溶液）限制颗粒的双电层展开量，从而能得到更准确的粒度结果。