28 CHEMAGAZÍN • Číslo 4 • Ročník XX (2010)

VLASTNOSTI POVRCHŮ

Zeta-potenciálJednou z důležitých vlastností nano a mikročástic rozptýlených v kapalinách je jejich elektrokinetický potenciál, nazývaný Zeta-potenciál, který do značné míry ovlivňuje chování těchto systémů. Princip je schématicky znázorněn na obr. 1. V důsledku nábojové rovnováhy je totiž povrch většiny částic nabitý, protože atomům na površích chybí část sousedů. Pokud se taková částice nachází v kapalině, způsobí povrchový náboj vznik elektrické dvojvrstvy, náboj na povrchu částice přitáhne ionty s opačným nábojem z roztoku. Potenciál mezi nejvyšší (nejvzdálenější) nepohyblivou (hraniční) vrstvou kapaliny, která částici takto obklopuje, a vzdá-leným objemem kapaliny se nazývá Zeta-potenciál.

Obr. 1 – Schéma Zeta-potenciálu částice v kapalině. Kromě něj jsou znázorněny i povrchový potenciál a potenciál povrchové adsorbované vrstvy

Pro velkou část systémů částic v kapalinách je právě Zeta-po-tenciál veličina, která určuje míru interakce částic a tudíž i jejich vlastnosti. Při jeho vyšší hodnotě (tzn. absolutní hodnota potenciálu větší než asi 30 mV) se částice vzájemně silně odpuzují, nevytvářejí shluky a jejich systém je proto stabilní. Pro praktické aplikace, kde se například nanočástice nanášejí na povrchy, je takový stav velice žádaný. Pro malé hodnoty Zeta-potenciálu se systém vyznačuje nestabilitou, ta se projeví širokým rozdělením velikostí částic, které se shlukují do agregátů různé velikosti. Kromě posouzení stability systému částic je Zeta-potenciál použitelný i ke studiu povrchových vlastností nano a mikročástic nebo buněk. Je možné analyzovat vliv nejrůznějších příměsí např. působení fluorescenčních látek na povrchový náboj buněk, resp. jejich membrán. Tato metoda umožnuje také studovat řízenou depozici látek na povrchy částic.

Zeta-potenciál lze měřit i u povrchů a podle něj posuzovat inter-akce mezi nimi a částicemi nebo molekulami (ionty) v kapalině.

Stejně jako částice nesou i povrchy náboje, které na rozhraní mezi povrchem a kapalinou způsobují elektrické dvojvrstvy. V obou jmenovaných případech – jak u částic, tak u povrchů je Zeta-po-tenciál závislý také na rozpouštědle, zvláště na jeho pH, protože koncentrace volných nábojů ovlivní strukturu a tloušťku elektrické dvojvrstvy na povrchu. Naše měření Zeta-potenciálu polystyreno-vých kuliček o průměru 115 nm a koncentraci 0,01 % ukazují změnu Zeta-potenciálu asi o 20 mV při změně koncentrace příměsi NaCl ve vodě z 50 mmol/l na 100 mmol/l. V praxi je proto potřeba znát Zeta-potenciál pro konkrétní systém částic nebo konkrétní povrch v rozpouštědle, ať už se jedná o buňky v živném roztoku, nebo o nanočástice nanášené na povrch v rámci technologického postupu v závislosti na složení nebo pH roztoku.

Měření Zeta-potenciáluZeta-potenciál se měří pomocí dopplerovského posunu frekvence laserového paprsku na nabitých částicích, které se pohybují v při-loženém elektrickém poli. Z frekvenčního posunu νD vypočteme pohyblivost částic U pomocí vzorce:

(1)

kde n je index lomu prostředí (kapaliny), λ je vlnová délka a θ úhel rozptylu použitého světla. Zeta-potenciál ξ se pak pro většinu systémů určí pomocí Smoluchowského rovnice:

(2)

kde η je viskozita kapaliny a ε její permitivita.

Princip metody dal název zařízení, které firma Beckman Coulter pro měření Zeta-potenciálu vyrábí – Delsa Nano, což je zkratka an-glického názvu Doppler Electrophoresis Light Scattering Analysis. Delsa Nano poskytuje kromě měření Zeta-potenciálu také možnost měřit rozdělení velikostí částic v rozsahu od několika desetin nm do několika mikrometrů. Navíc bylo měření Zeta-potenciálu částic rozšířeno o možnost měřit tento potenciál také u pevných povrchů. V tomto případě se použijí částice se známým Zeta-potenciálem. Vyhodnocením takových měření lze získat potenciál povrchu.

Depozice barviva na hedvábné vláknoJedním z příkladů aplikací, ve kterých hraje roli Zeta-potenciál povrchu, je nanášení barviva na textilní vlákno. Experiment byl proveden kolegy z firmy Otsuka Electronics, kteří se zabývají vývojem těchto měřicích metod [1]. Podobné studie se objevily v literatuře už dřív, např. [2,3]. V našem případě jde o hedvábné vlákno, na které je nanášeno barvivo Orange II – chemický vzorec Na(C10H6(OH)N=NC6H4SO3). V důsledku disociace molekul na povrchu vlákna je jeho povrch nabitý. Barvivo a další molekuly z roztoku se proto ukládají na povrch ve formě iontů a v důsledku toho se Zeta-potenciál vlákna výrazně mění v závislosti na kon-centraci molekul barviva. Monitorováním těchto změn lze detailně sledovat depozici barviva na vlákno.

SLEDOVÁNÍ NANÁŠENÍ BARVIVA POMOCÍ MĚŘENÍ ZETA-POTENCIÁLUPOLČÍK M.Beckman Coulter ČR, Praha, mpolcik@beckman.com

Vlastnosti mikroskopických částic a povrchů v kapalinách, zvláště jejich vzájemné interakce a podmínky pro optimální depozici látek na nejrůznější povrchy jsou témata, kterým je v poslední době věnována velká pozornost. Jedná se o jevy, jejichž pochopení a využití je velmi podstatné pro nové, rozvíjející se obory, jako je např. nanotechnologie. Jejich význam roste i v tradičních oblastech průmyslu, jakými jsou strojní nebo textilní výroba. V tomto příspěvku se budeme věnovat principu měření Zeta-potenciálu a pro ilustraci představíme aplikaci, ve které se sledují povrchové vlastnosti textilního vlákna při barvení. Cílem prezentace je ilustrovat použití měření pro sledování kvality výsledného produktu a pro detailní pochopení daného jevu.

29 CHEMAGAZÍN • Číslo 4 • Ročník XX (2010)

VLASTNOSTI POVRCHŮ

V důsledku přítomnosti karboxylových a aminových skupin je povrch hedvábného vlákna amfoterický. Jeho závislost Zeta-poten-ciálu na pH vykazuje izoelektrický bod, tedy nulovou hodnotu pro pH ≈ 3. Měření Zeta-potenciálu vlákna v závislosti na koncentraci barviva Orange II byla provedena v oblasti hodnot pH < 3, kde je Zeta-potenciál povrchu pozitivní. Tomu odpovídá oblast malých koncentrací na obr. 2. Jak je vidět z těchto výsledků, koncentrace barviva ovlivní Zeta-potenciál velmi výrazně, od hodnoty 0,2 mmol/l dojde ke změně znaménka a dále potenciál výrazně klesá.

Důvodem této změny je usazování aniontů barviva (C10H6(OH)N==NC6H4SO3)

-, které se váží na kationty na povrchu vlákna. Jejich vrstva roste se zvyšující se koncentrací barviva a tím roste také záporný Zeta-potenciál povrchu.

Obr. 2 – Závislost Zeta-potenciálu na koncentraci barviva

Spojí-li se takové měření s dalšími, které poskytnou informace o kvalitě výsledného barevného filmu na povrchu vlákna, získá uživatel nástroje potřebné k hlídání kvality výsledného produktu. Zeta potenciál závisí na řadě parametrů, jak ukazuje např. [4]. Také znečištění povrchu vlákna nebo barevné lázně se projeví v měřených hodnotách.

ZávěrTento příklad ukazuje, že Zeta-potenciál a jeho měření může poskytnout detailní a potřebné informace, které mohou přispět k optimalizaci i pochopení technologických procesů souvisejících s interakcemi iontů a povrchů v kapalinách.

Literatura[1] S laskavým svolením firmy Otsuka Electronics Inc., 2010

[2] M. Espinosa-Jiménez et al., Journal of Colloid and Interface Science, 207, 170, 1998

[3] E. Chibowski et al., of Colloid and Interface Science, 235, 283, 2001

[4] A. Ramesh Kumar et al., Colloids and Surfaces A: Physicoche-mical and Engineering Aspects, 301, 462, 2007

AbstractCONTROLING THE DYE DEPOSITION BY ZETA-POTENTIAL MEASUREMENTSSummary: The paper deals with the application of Zeta-potential measurements of surfaces in liquids. The principle and measurements of Zeta-potential are described. An application in which the Zeta-potential of a silk fibre dying process has been carried out is presented and discussed Keywords: Zeta-potential, Doppler Electrophoresis Light Scattering, Sur-face, Liquid, Nanoparticles, Microparticles

LS 13320 (Rozsah měření 0,017 μm – 2000 μm)

Delsa TM Nano (Rozsah měření 0,0006 μm - 7 μm, měření Zeta-potenciálu)

Analyzátory velikosti c ̌ástic

MultisizerTM 4 (Rozsah měření

0,4 μm - 1600 μm)

Beckman Coulter Česká republika s.r.o.Radiová 1, 102 27 Praha 10Aplikační podpora: Martin Polčík, e-mail: mpolcik@beckman.com www.beckman.cz