胶体电泳速度的测定

  发布时间:2025-05-13 15:52:30

检测项目

胶体电泳速度测定主要包含以下关键参数:

  • 电泳迁移率(Electrophoretic Mobility):单位电场强度下带电粒子的运动速率
  • Zeta电位(ζ-Potential):表征胶体粒子表面电荷特性的核心指标
  • 电泳淌度(Electrophoretic Velocity):直接测量的粒子运动线速度
  • 分散介质电导率:影响电场分布的关键环境参数
  • 粒径-电势相关性:多分散体系中的粒径分布对迁移率的影响

检测范围

本方法适用于以下胶体体系的表征:

  • 无机纳米颗粒体系:金属氧化物(TiO2, SiO2)、量子点等
  • 有机高分子胶体:聚合物微球、乳胶颗粒等
  • 生物大分子体系:蛋白质胶体、脂质体、病毒载体等
  • 复合胶体系统:核壳结构颗粒、表面修饰纳米材料
  • 工业应用体系:陶瓷浆料、涂料分散液、药物递送系统

检测方法

显微电泳法(Microscopic Electrophoresis)

通过光学显微镜直接观测带电粒子在电场中的运动轨迹。采用配备CCD相机的倒置显微镜系统,在特制电泳池中施加10-100 V/cm电场强度。通过图像分析软件计算粒子位移与时间的关系。

激光多普勒测速法(Laser Doppler Velocimetry)

基于多普勒频移原理的非接触式测量技术。两束相干激光在样品池中形成干涉条纹场,粒子运动导致散射光频率变化。通过光电倍增管接收信号并进行频谱分析。

动态光散射法(Phase Analysis Light Scattering)

测量散射光相位变化与电场调制频率的对应关系。采用交叉电极产生交变电场(0.1-10 kHz),通过锁相放大器提取粒子运动引起的相位差信号。

超声波辅助电泳法(Acoustophoresis)

结合声场与电场的协同作用技术。利用驻波声场预富集粒子后施加脉冲电场,通过粒子运动轨迹的声学响应信号反演电泳参数。

检测仪器

仪器类型技术参数适用场景
Zeta电位分析仪测量范围±200 mV
分辨率0.1 mV
温度控制±0.1℃
常规纳米材料表征
微流控电泳芯片系统通道尺寸50-200 μm
最大场强500 V/cm
高速成像1000 fps
单粒子追踪研究
多功能纳米粒度仪激光波长632.8 nm
散射角15-165°可调
自动滴定模块集成
复杂介质体系测试
高精度电导率仪量程0.01 μS/cm-200 mS/cm
温度补偿±0.05℃
四电极测量技术
溶液离子强度校正
恒电位/恒电流仪输出精度±0.1% FS
最大输出电压300 V
阻抗测量频率1 Hz-1 MHz
电极极化效应研究

注:所有仪器操作需符合ISO 13099-2:2012标准要求,定期进行NIST可溯源标准粒子校准。

典型测试条件:
电场强度 50-150 V/m
温度控制 25.0±0.5℃
样品浓度 0.01-1% (w/v)
平衡时间 ≥30 min
数据采集点 ≥3次独立测量
误差控制 RSD<5%
ASTM E2865-12(2020) Standard Guide for Measurement of Electrophoretic Mobility and Zeta Potential of Nanosized Biological Materials ISO/TS 21357:2021 Nanotechnologies — Assessment of particle size distribution and zeta potential for colloidal systems

标准操作流程要点:

  1. 样品预处理:超声分散(40 kHz, 15 min)+离心纯化(3000 rpm, 5 min)
  2. 背景电解质选择:优先采用1 mM KCl溶液作为基准介质
  3. 电极维护:铂金电极每次使用前进行火焰退火处理(丙烷喷枪, 30 s)
  4. 数据验证:采用标准聚苯乙烯乳胶颗粒(NIST SRM® 1964)进行系统校验
  5. Stern层修正:应用Henry方程进行介电常数与粘度补偿计算
μ = (2εζ)/(3η) × f(κa)
式中:ε为介电常数;η为粘度;κ为Debye参数;a为粒子半径;f(κa)为Henry函数
Stern层厚度计算:
δ = (εRT)/(2F²I)1/2
Smo­lu­cho­wski近似条件:
κa > 100 (适用于高离子强度体系)
Hückel近似条件:
κa < 0.1 (适用于低离子强度体系)
注意事项: •避免样品池内气泡干扰电场分布 •严格控制温度波动对介质粘度的影响 •表面活性剂添加需记录具体浓度参数 •生物样品需在惰性气氛下操作防止氧化 •高浓度样品需进行多重散射校正
参考文献: [1] Dukhin, A.S., Goetz, P.J. Characterization of liquids, nano- and micro­particles and porous bodies using ultrasound. Elsevier, 2017. [2] Delgado, A.V., et al. Measurement and Interpretation of Electrokinetic Phenomena. Pure Appl. Chem., 2005,77(10):1753-1805. [3] ISO Technical Specification 13099-2:2012 Colloidal systems — Methods for zeta-potential determination — Part 2: Optical methods. [4] ASTM E2865-12 Standard Guide for Measurement of Electrophoretic Mobility and Zeta Potential of Nanosized Biological Materials. [5] NIST Special Publication 1200-6 Report of Investigation: Reference Material 8027 Nanoscale Silver Particle Suspension. [6] Ohshima H. Electrical Phenomena at Interfaces and Biointerfaces: Fundamentals and Applications in Nano-, Bio-, and Environmental Sciences. Wiley, 2012. [7] Hunter R.J. Zeta Potential in Colloid Science: Principles and Applications. Academic Press, 2013. [8] Lyklema J. Fundamentals of Interface and Colloid Science: Solid-Liquid Interfaces. Academic Press,1995. [9] Kirby B.J. Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices. Cambridge University Press,2010. [10] Probstein R.F. Physicochemical Hydrodynamics: An Introduction. Wiley-Interscience,2003. [11] Masliyah J.H., Bhattacharjee S. Electrokinetic and Colloid Transport Phenomena. Wiley,2006. [12] Russel W.B., et al. Colloidal Dispersions. Cambridge University Press,1989. [13] Morrison I.D., Ross S. Colloidal Dispersions: Suspensions, Emulsions, and Foams. Wiley,2002. [14] Adamczyk Z. Particles at Interfaces: Interactions, Deposition, Structure. Academic Press,2006. [15] Israelachvili J.N. Intermolecular and Surface Forces. Academic Press,2011. [16] Ohshima H., Furusawa K. Electrical Phenomena at Interfaces: Fundamentals, Measurements, and Applications. CRC Press,1998. [17] Dukhin S.S., Derjaguin B.V. Electrokinetic Phenomena. J.Willey & Sons,1974. [18] O'Brien R.W., White L.R. Electrophoretic mobility of a spherical colloidal particle. J.Chem.Soc.Faraday Trans.,1978(74):1607-1626. [19] Loeb A.L., et al. The Measurement of Zeta Potential. J.Colloid Sci.,1961(6):732-739. [20] Werner C., et al. Extended electrokinetic characterization of flat solid surfaces.J.Colloid Interface Sci.,1998(208):329-346. [21] Rosen L.A., Saville D.A. Dielectric measurements of aqueous colloidal suspensions using electroacoustics.J.Colloid Interface Sci.,1991(140):82-93. [22] Carrique F., et al. Influence of double-layer overlap on the electrophoretic mobility and DC conductivity of concentrated suspensions.J.Colloid Interface Sci.,2001(243):351-361. [23] Shilov V.N., et al. Theory of non-equilibrium electrosurface phenomena in concentrated disperse systems.Colloid J.,1981(43):434-438. [24] O'Brien R.W., et al.Electroacoustic determination of particle size and zeta potential.J.Colloid Interface Sci.,1995(173):406-418. [25] Dukhin A.S., Goetz P.J.Acoustic and electroacoustic spectroscopy for characterizing concentrated dispersions and emulsions.Adv.Colloid Interface Sci.,2001(92):73-132. [26] Miller N.P., et al.Zeta potential measurement in the low ionic strength regime: Comparison between electrophoresis and electroacoustics.Langmuir,2014(30):12627-12634. [27] Delgado A.V., et al.Electrokinetic phenomena in concentrated disperse systems.Curr.Opin.Colloid Interface Sci.,2007(12):345-356. [28] Lyklema J.Fundamentals of interface and colloid science: Volume IV Particulate Colloids.Elsevier,2005. [29] Hunter R.J.Foundations of Colloid Science.Oxford University Press,2001. [30] Kosmulski M.pH-dependent surface charging and points of zero charge.J.Colloid Interface Sci.,2016(475):72-84.
附录A:常用缓冲液配制表 |缓冲体系|pH范围|离子强度(mM)|适用场景| |---|---|---|---| |磷酸盐|5.8-8.0|1-50|无机纳米材料| |Tris-HCl|7.0-9.0|5-100|生物大分子| |碳酸盐|9.2-10.6|10-20|高pH需求体系| |柠檬酸盐|3.0-6.2|5-50|酸性环境研究| 附录B:典型物质Zeta电位参考值 |物质类型|pH=3|pH=7|pH=11| |---|---|---|---| |SiO₂纳米颗粒|-15 mV|-45 mV|-55 mV| |TiO₂纳米颗粒|+40 mV|-25 mV|-50 mV| |BSA蛋白|+10 mV|-20 mV|-35 mV| |聚苯乙烯微球|-5 mV|-55 mV|-65 mV|
常见问题解答: Q1:如何消除电极极化对测量的影响? A:采用交流电场模式(频率>1 kHz),定期更换电极方向 Q2:高盐浓度样品如何处理? A:稀释至电导率<5 mS/cm或改用低频相位分析法 Q3:浑浊样品如何保证测量精度? A:采用反向散射光学配置(173°散射角),配合衰减器调节光强 Q4:如何验证动态光散射法的相位分析结果? A:同步进行显微电泳对照实验,偏差应<10% Q5:温度波动对结果的影响程度? A:每升高1℃,迁移率变化约2%(因粘度下降)
典型应用案例: 案例一:某制药企业脂质体药物载体的稳定性优化 通过系统测定不同磷脂配比样品的Zeta电位值(从-15 mV提升至-35 mV),筛选出最优处方组合 案例二:纳米陶瓷浆料的分散工艺改进 监测研磨过程中Al₂O₃颗粒的迁移率变化(由0→3×10⁻⁸ m²/(V·s)),确定最佳分散剂添加时机 案例三:病毒载体纯化工艺开发 利用等电点附近的电泳反转现象(pH=4.8时μ=0),建立高效层析纯化方案 案例四:石墨烯分散液质量监控 建立批次样品的Zeta电位标准差控制限(±3 mV),实现生产工艺稳定性管控 案例五:油田驱油剂界面特性研究 通过不同矿化度条件下的电势衰减曲线分析(I=0→1 M NaCl),优化表面活性剂复配比例 案例六:量子点表面修饰效果评价 对比修饰前后CdSe/ZnS量子点的迁移率变化(+25→-30 mV),验证配体接枝效率 案例七:微塑料环境行为研究 测定不同老化程度的PET微粒电势值(从-10→+5 mV),揭示海洋环境中的表面吸附机制 案例八:疫苗佐剂稳定性加速试验 监测4℃/25℃储存条件下Al(OH)₃胶体的电势漂移量(Δζ<5 mV/月),预测货架期 案例九:墨水jetting性能优化 关联碳黑颗粒的迁移率分布均匀性(RSD<8%)与打印头堵塞率的相关性 案例十:锂电池浆料工艺开发 通过石墨负极材料的电势调控(从+15→-25 mV),提升电极涂布均匀性 案例十一:化妆品乳液稳定性评估 建立Zeta电位绝对值>30 mV的质量标准,确保12个月货架期内无相分离 案例十二:磁性纳米颗粒功能化研究 对比Fe₃O₄@SiO₂核壳结构在不同修饰阶段的电势跃变点(pH=6→8→10) 案例十三:水处理絮凝剂筛选 通过高岭土悬浊液的电势中和曲线(从-35→0→+15 mV),确定最佳投加量 案例十四:蛋白质结晶条件优化 监测溶菌酶溶液在沉淀剂添加过程中的电势变化拐点(对应成核临界状态) 案例十五:纳米农药控释体系设计 建立壳聚糖包覆效率与Zeta电位线性关系模型(R²>0.95) 案例十六:细胞膜仿生材料表征 通过磷脂双层的电势响应特性模拟生物膜界面行为 案例十七:食品乳状液稳定性研究 对比不同乳化剂体系的电势弛豫时间常数(τ=10→50 ms) 案例十八:抗菌材料表面改性评价 测定Ag@TiO₂复合材料的电势反转阈值(pH=4→7→10) 案例十九:页岩气开采压裂液优化 通过黏土颗粒的电势调控抑制水化膨胀效应 案例二十:人工关节润滑剂研发 建立HA凝胶的电势-黏弹性模量相关性模型 案例二十一:染敏电池电解质优化 监测I⁻/I₃⁻氧化还原对的迁移率匹配度 案例二十二:磁性流体密封性能提升 通过Fe₃O₄@OA纳米流体的电势调控实现磁场响应优化 案例二十三:纸浆纤维改性研究 测定阳离子淀粉吸附前后的纤维表面电势变化梯度 案例二十四:燃料电池催化剂分散性评价 建立Pt/C催化剂的电势分布与MEA性能的构效关系 案例二十五:仿生矿化过程监控 实时跟踪CaCO₃结晶过程中的电势振荡信号特征 案例二十六:油水乳液破乳剂筛选 通过界面电势中和效率预测破乳速率常数 案例二十七:基因载体转染效率优化 系统研究PEI/DNA复合物的电势阈值与细胞摄取率关系 案例二十八:工业催化剂再生评估 对比失活与再生催化剂的表面电势恢复度 案例二十九:微胶囊控释性能研究 建立壳层交联密度与电势屏蔽效应的定量模型 案例三十:土壤污染物迁移模拟 研究腐殖酸胶体在不同pH下的电势变化对重金属吸附的影响

检测流程

沟通检测需求:为精准把握客户需求,我们会仔细审核申请内容,与客户深入交流,精准识别样品类型、明确测试要求,全面收集相关信息,确保无遗漏。

签订协议:根据沟通确定的检测需求及商定的服务细节,为客户定制包含委托书及保密协议的个性化协议。后续检测严格依协议执行。

样品前处理:收到样品后,开展样品预处理、制样及标准溶液制备等前处理工作。凭借先进仪器设备和专业技术人员,科学严谨对待每个细节,保证前处理规范准确。

试验测试:此为检测核心环节。运用规范实验测试方法精确检测每个样品,实验设计与操作均遵循科学标准,保障测试结果准确且可重复。

出具报告:测试结束立即生成详尽检测报告,经严格审核确保结果可靠准确,审核通过后交付客户。

我们秉持严谨踏实的态度,提供高品质、专业化检测服务。服务全程可追溯,严格遵守保密协议,保障客户满意度与信任度。

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