GB/Z 42353—2023《Zeta电位测定操作指南》标准解读

侯长革 刘伟 秦福元

摘 要：GB/Z 42353—2023《Zeta电位测定操作指南》是由国家市场监督管理总局（国家标准化管理委员会）于2023年3月 17日发布，并于2023年10月1日正式实施的标准化指导性技术文件。该文件提供了新产品设计、已有产品优化、加工过程和 产品应用等质量控制领域Zeta电位测定的操作指南。本文对文件进行了解读，并对样品制备和测量过程等主要技术内容进 行了解释及说明，有助于文件的顺利使用和推广。

关键词：Zeta电位测定，操作指南，样品制备，均衡稀释法，标准解读

DOI編码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.03.023

0 引 言

悬浮在液体介质中的颗粒表面往往带有电 荷，按照双电层理论模型，带电颗粒周围液体中将 富集反离子，其中一部分反离子与颗粒表面紧密结 合，构成紧密吸附层，另外一部分反离子由于静电 吸引和热扩散两种相反作用的影响，从而分布在 颗粒周围液体中构成扩散层。颗粒运动时，会带着 吸附层和部分溶剂分子一起移动，与液体之间形 成滑动面，定义滑动面与液体内部的电位差为Zeta 电位[1]。

颗粒表面带有大量相同电荷时，颗粒相互排斥。当颗粒表面无电荷，或表面带有相反电荷，或 表面分别存在正电荷和负电荷区域时，颗粒相互吸 引。Zeta电位的绝对值越高，悬浮颗粒间排斥力越 强，悬浮液越稳定。反之，Zeta电位绝对值越低，颗 粒间排斥力越弱，悬浮液越趋于凝聚。因此，Zeta电 位主要用于预测悬浮液的稳定性。

滑动面是附着在颗粒表面的溶剂分子与溶剂 的分界面，Zeta电位是该假想滑动面处的电位，因此 Zeta电位不是可直接测量的量，而是使用适当理论 模型计算的量。

Zeta电位不是颗粒的固有属性，而是取决于颗 粒表面与其液相分散介质之间的化学平衡。分散介 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。

GB/Z 42353—2023《Zeta电位测定操作指南》 提供了使用光学电泳迁移法或电声法测定Zeta电位 时样品制备和测量过程的操作指南，统一国内Zeta 电位测定方案，在医药、化工、生物、科研等领域有 着重要的意义。

GB/Z 42353—2023《Zeta电位测定操作指南》 于2023年3月17日由国家市场监督管理总局（国家标 准化管理委员会）发布，并于2023年10月1日正式实 施。为使读者能更好地理解该标准化指导性技术文 件，并正确执行文件中的方法，本文将对文件中的 主要技术内容进行解释及说明。

1 制定原理

可以通过颗粒与液体介质的相对运动测定Zeta 电位。在颗粒悬浮液中施加电场，带电颗粒将在电 场作用下发生定向运动，将单位电场强度下的电 泳速度定义为电泳迁移率。对于刚性球体颗粒，其 Zeta电位与电泳迁移率的关系如式（1）所示[2]。

由此可见，Zeta电位不是颗粒的固有属性，而是 取决于颗粒和分散介质的属性，以及它们在界面上 的相互作用。分散介质的化学成分和离子浓度的任 何变化都会造成Zeta电位的变化。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。

2 样品制备

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化学成分的浓度，会影响颗 的Zeta电位。因此样品制备过程不仅要求颗粒及 其表面在稀释前后保持相同，还要求介质的电化学 性质相同。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值和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必须 完全匹配。

2.1 取样

只有当样品能够代表某批次材料，且取样量足 够时，测得的电泳迁移率才适用于该批次材料。应 确保待测样品充分分散，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。

在样品制备过程中需防止改变待测样品的电 泳迁移率。与样品直接接触的器皿（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 前清洁过程或器皿本身的残留污染物带入到样品， 因此最好使用与样品化学相容的一次性塑料烧杯 和移液管。

2.2 样品稀释

采用均衡稀释法对样品进行稀释，稀释用的液 体要与原体系中的液体一样。除了颗粒浓度外，均 衡稀释法能够使得样品的其余特性都保持不变。只 有采用均衡稀释法来制备样品，才能保证稀释样品 与原始样品的Zeta电位一致。在Zeta电位测定中，使 用去离子水稀释，通常是错误的方法。

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，提取上层液体用于稀释；另一 种是借助透析的方法获得稀释用液体，该方法更适 用于纳米和生物胶体。

极少数情况下，需要增加样品浓度。可以先把 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，但需要减少颗粒 损失或避免团聚。

任何用作稀释或制备样品的介质都不能含有 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，操作者可以使用平均孔径 小于最小颗粒的薄膜过滤器（注射式过滤器）过滤 介质，但应考虑薄膜的疏水性和化学兼容性。

2.3 样品稳定性

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。例如，悬浮液中离子从颗粒上 的分离会导致pH值或电导率随同迁移率一起随时 间而变化。建议每次测量前后，都要确定悬浮液的 pH值或电导率，验证样品是否稳定。

如果需要稀释，则建议进行一系列浓度下的测 量，以观察颗粒与颗粒相互作用的影响或者其他稀 释效应。

3 误差来源

Zeta电位测定对清洁度和少量污染物特别敏 感，如来自于离子交换柱的多价离子或浸出物，虽 然他们可能不会显著影响电导率或pH值。任何用 于稀释或样品制备的水质都很重要，应该对稀释 用水进行单独测试。如果对测量结果存在疑问，可 以使用有证标准物质或二级标准物质验证仪器的 性能。

以下9种情况都是导致误差的来源。

3.1 携带污染

除非样品池是一次性或可替换的类型，否则 由于冲洗不足，样品池内可能留有前一个样品的残 余。当在较高和极低的离子浓度之间切换时，仅靠 冲洗是不够的。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，或者使用一次性样 品池。另外在有多个样品的情况下，建议从低到高 离子浓度，并且从低到高的pH值进行测量，以免携 带污染。

3.2 不适宜的样品制备过程

用于产生上清液或等效悬浮介质的任何玻璃 器皿或容器，都需要清洁并确保没有离子污染。样 品在测量池表面上的吸附会改变测量结果，并导致 Zeta电位测定结果偏离，解决此问题的方法是在测 量之前用样品对样品池进行预处理。

3.3 不适宜用电泳光散射测量的样品

在整个测量期间，颗粒必须悬浮于样品池并保 持在光束中，以便测量电泳迁移率。因此，颗粒密度 决定了用光学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。对于发生沉降的颗 粒来说，使用毛细管样品池的可测量时间通常比使 用插入式平板电极样品池的时间要短得多。颗粒必 须产生足够的散射光才能被检测到，这就决定了给 定浓度下可测量的最小颗粒。

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。

3.4 不适宜的液体介质

介质要透明且对所用激光波长无吸收。黏度不 能太高，最好低于10 mPa·s。介质在测量温度下不 会显著挥发或蒸发，或者用于测量的样品池能够防 止溶剂的大量损失。

3.5 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 等参数的错误输入将引入误差，需确保输入或选择 正确的测量参数和测量条件。

3.6 气泡的影响

在加样或过滤过程中可能形成气泡，也可能从 溶解空气或电化学反应中产生气泡，例如在电极表 面发生电解。粘附在毛細管壁上的气泡会使电场扭 曲，从而引起不确定的静止层位置。粘附在电极表 面的气泡会导致电导率测量错误。测量前最重要的 步骤是确认是否存在气泡，若有气泡，则轻微敲击 以消除粘附在电极或毛细管表面上的气泡。

3.7 计算Zeta电位时选择不合适的理论

Zeta电位是由悬浮液中颗粒的电泳迁移率计算 得到的。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。

3.8 大气中二氧化碳的影响

大气中的二氧化碳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（HCO3 - ），该反应的平衡受到pH值的影响，同时也会改变 pH值。对于去离子水，pH值会变为5.6左右；这个值 对于任何6到8之间的初始pH值都成立。当pH值在6 以下，初始pH值基本上不受二氧化碳的影响。当pH 值超过8时，pH值会有显著下降。

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°C纯水的电导率的理论值为0.055 μS/cm。 取决于大气中二氧化碳的含量，水吸收环境中的二 氧化碳后其电导率可增加10倍到30倍。

3.9 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。可以通过遵循设备生产 商推荐的合适电导率范围，或使用为高导电性介质 设计的样品池来降低焦耳热。高的电导率通常意 味着水性介质的离子强度远高于0.1 mol/L。焦耳热 可以同时引起温度升高和温度梯度，两者都会影响 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）。在电场中电极表面 发生氧化还原反应，并可能受到电极材料本身的影 响，例如，电极镀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。例如，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。

解决降解或变性问题的方法，包括减少电场的 施加时间、使用微弱的电场、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 著的粒径变化趋势时停止测量。这些操作均能减缓 降解问题。

4 非极性介质体系Zeta电位的测定

对于非极性介质体系Zeta电位的测定，特别 是Zeta电位与体系稳定性之间的关系，目前并没有 明确的认知。在非极性介质体系中，相对于颗粒间 的相互作用力，颗粒粒径和其密度效应可能对于 稳定性具有更重要的影响。对于非极性介质体系 Zeta电位，其表征过程、离子组分的控制、验证过 程、涉及的理论和需要输入的参数，都与水性介质 不尽相同。

非极性介质被定义为相对介电常数低于5的介 质。有很多种液体，其介电常数甚至更低，介电常数 在2附近，具有更低的导电性，在10-10 S/m水平，例如 柴油、煤油、氯仿、环己烷、癸烷、己烷、庚烷、十六 烷、甲苯以及各种油品。

低介电常数也会影响颗粒的电泳迁移率。根据 Smoluchwski理论[3]，电泳迁移率正比于介质的介电 常数。因此，相同带电程度的颗粒在非极性介质下 的电泳迁移率比在水性介质下至少低40倍。

较低的电泳迁移率对于电泳法和电声法检测 技术都带来了挑战。电泳法需要施加足够强的电场 使颗粒在非极性介质中进行电泳运动。然而，强电 场会导致非线性的影响。最佳电场强度的范围很 窄，并且需要为特殊样品寻找合适的电场强度范 围。对于电声法而言，较低的电泳迁移率降低了胶 体振动电流的幅度。这使得测试变得复杂，带来更 大的测试信号波动。

许多非极性介质的黏度高于水性样品，这会进 一步降低电泳迁移率。

最后，要正确地将电泳迁移率转换成为Zeta电 位，需要知道介电常数和黏度。对于很多非极性液 體和混合物来说，可能并不知道这些参数，因此需 要额外的测试。痕量的水分，甚至在百万分之几的 范围，都会影响非极性介质下的测试结果。

5 结 语

本标准化指导性技术文件提供了使用光学电 泳迁移法或电声法测定Zeta电位时样品制备和测量 过程的操作指南，本文详尽解释和说明了文件中的 主要技术内容，以助力文件的顺利使用和推广，统 一国内Zeta电位测定方案。

参考文献

胶体体系zeta电位测量方法 第1部分：电声和电动现 象：GB/T 32671.1—2016[S].北京：中国标准出版社，2016.

胶体体系zeta电位测量方法 第2部分：光学法：GB/ T 32671.2—2019[S].北京：中国标准出版社，2019.

秦福元，刘伟，王文静，等. Zeta电位计算过程中Henry函数 的优化表达式[J].光学学报，2017，37（10）：328-335.

作者简介

侯长革，硕士，高级工程师，研究方向为颗粒表征与分检及 筛网标准化。

刘伟，通信作者，博士，教授，研究方向为光散射法颗粒测 量技术。

秦福元，硕士，工程师，研究方向为电泳光散射技术。

（责任编辑：张瑞洋）