표면 제타 전위 셀을 이용한 표면 제타 전위 측정

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서론

  수계(aqueous systems)에서는 대부분의 입자와 벽 표면은 어떤 종류의 전하를 띠게 된다. 물질 표면의 전하 영역 또는 전하 그룹의 해리는 완충염을 표면으로 끌게 된다.

 

  가장 근접한 염이 강력하게 끌려서 연구 중인 물질 표면에 고정층을 형성하게 된다. 또한 표면으로부터 완충염이 물질에 끌리나 밀접하게 결합되지는 않고 매체의 잔여 염과 교환되게 된다. 이러한 교환 가능한 층이 확산층이다.

 

  제타 전위는 확산층 내의 관념적인 경계에 있는 전하로 정의되며 미끄럼면이라고 불린다. 그러므로 제타 전위는 샘플과 샘플이 침적되어 있는 매체에 크게 의존한다.

 
  제타 전위는 입자 현탁 및 콜로이드 샘플의 안정성에 대한 지표로 흔히 사용된다.

  원칙적으로 높은 제타 전위(양전위 또는 음전위에 관계 없음)는 입자 거리를 유지하고 또한 응집을 방지함으로써 샘플 안정성을 보호하기 위하여 충분한 반발 에너지를 입자에 제공해야 한다.

  제타 전위는 레이저 도플러 전기 영동 기법을 사용하여 종종 측정된다. 간단히 말하면, 레이저 빔의 주파수 변화가 전기 영동을 거치는 샘플 입자에 의하여 산란 이후에 측정된다. 주파수 이동은 입자 속도와 관련되며 이는 다시 전장의 강도 및 샘플의 제타 전위와 관련된다.

  제타 전위 측정이 현탁 입자를 측정하기 위하여 통상적으로 사용되지만 용기의 표면 또는 비현탁 물질도 전하를 띠고 이러한 표면의 제타 전위를 측정도 요구되어질 수 있다. 그 속성 상 벽면 또는 고체 표면은 전기 영동을 겪지 않을 수 없으므로 이러한 제타 전위를 측정하기 위해서는 레이저 도플러 전기영동 기법에 대한 수정이 필요하다.

  전형적으로 유동 전위와 같은 기법이 표면 전위를 측정하기 위해 사용된다. 그러나 이는 측정 전용의 전문 기기를 필요로 한다.

  이 응용 노트는 추적 입자와 함께 제타 전위 평판셀을 사용하여 표면 제타 전위를 측정하는 것을 기술한다.

  평면 표면으로부터 다양한 거리에 있는 입자의 전기 영동 이동성을 측정함으로써 벽체 제타 전위에 의해 생성된 입자 전기 영동 및 전기 삼투의 크기가 벽체 표면의 제타 전위를 산출하기 위해 사용될 수 있다.

 

표면 제타 전위 셀

 




 

  그림 1은 2개의 전극 사이에 있는 높이를 조정할 수 있는 샘플 홀더를 지닌 표면 제타 전위 측정 셀의 다이아그램과 사진을 보여준다.

 

 

  그림 2는 측정의 확대 개략도를 보여준다. 셀은 샘플 높이와 그 변위를 변경시킬 수 있는 스크류 나사에 부착되어 있는 회전하는 상부를 지닌 딥(담금) 셀 형식이다. 샘플은 셀에 부착되어 추적자 입자를 함유하고 있는 매체에 침적된다. 전극을 통하여 전장을 가하면 입자의 전기 영동이 개시된다. 샘플 표면에는 전기 삼투도 발생된다. 시스템 내의 입자의 이동성은 2개의 힘 간의 균형에 의한다.

  추적자 입자가 샘플 표면에 가까울수록 입자 이동성에 미치는 전기 삼투의 중요성이 커진다. 표면으로부터 입자 거리가 증가함에 따라 전기 삼투의 영향은 입자 이동이 완전히 전기 영동에 의존할 정도로 감소한다.

  입자 전기 영동 이동성은 Zetasizer Nano에서 잘 확립된 M3-PALS 기술을 사용하여 측정된다.
그러므로 측정된 전기 영동 이동성은 샘플 표면으로부터의 거리의 함수로서 변하는 것은 분명하다. 표면으로부터 변위의 함수로서 보고된 이동성 또는 제타 전위를 플로팅 함으로써 관계는 절편 또는 제로 변위까지 외삽될 수 있다.

  측정된 제타 전위가 항상 전기 영동 요소를 포함하고 있으므로 측정된 절편은 반드시 고려해야 할 이러한 요소를 포함하게 된다. 실제로 벽체 전위는 식(1)로 규정된다:

ζwall = –intercept + ζparticle (1)

 

측정 예

  다음은 표면 제타 전위 셀을 사용하는 표면 제타 전위 측정의 예이다.

  PTFE 표면의 제타 전위가 추적자 입자로서 300 nm 라텍스 입자를 사용하여 pH 9.2의 1mM NaCl에서 측정되었다(DTS1230). 측정은 샘플로부터 125, 250, 375 및 500μm 떨어진 곳에서 시행되었다.

 

  500μm에서의 최종 측정은 추적자 입자의 제타 전위를 측정하기 위하여 전기 영동 측정만 했다. 이는 변위 플롯의 산출된 절편으로부터 PTFE 표면의 제타 전위를 결정하기 위하여 식(1)에 대입될 수 있다.

 

 

  그림 3A는 표면으로부터 측정 거리에 따라 증가하는 산란된 광 주파수의 변화 크기에 따른 측정에 대한 상 플롯을 보여준다.

  그림 3B는 샘플 표면으로부터 변위의 함수로서 보고된 추적자 입자 제타 전위의 변위 플롯을 보여준다. 그래프에서 절편은 약 19 mV로 산출되며 또한 식(1)에서, PTFE의 표면 제타 전위는 -85.5 ± 1.2 mV로 산출되었다.

결론

  수계 환경에서 모든 표면은 제타 전위를 갖게 되며 이러한 전위는 전장이 가해지면 전기 삼투를 유도한다. 현탁 입자는 자체적으로 전하를 가지며 전장이 가해지면 전기 영동 하에서 이동한다. 현탁 입자를 추적자로 사용하면, 표면 제타 전위의 크기는 샘플 표면에서 떨어진 복수의 거리에서 입자 이동성을 측정함으로써 표면 제타 전위 셀을 이용하여 측정될 수 있다.


  본 연구에서 pH 9.2의 1mM NaCl에 있는 PTFE 샘플은 -85.5 mV의 표면 제타 전위를 갖는 것으로 밝혀졌다.

 

 


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