ICS 11.080.99 A 30
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T32668—2016
胶体颗粒 zeta 电位分析 电泳法通则
Analysis of zeta potential of colloids-Electrophoresis guidelines
2016-11-01实施
2016-04-25发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会 发布 GB/T32668—2016
目 次
前言引言范围
1 2 规范性引用文件
3术语和定义、符号· 原理
4
zeta电位 zeta电位的测定
5 6
不确定度来源
7
8检测报告附录A(资料性附录) 斯莫路科夫斯基理论的应用条件附录B(资料性附录) 德拜长度附录C(资料性附录) zeta电位测量示例 电泳光散射法附录D(资料性附录) zeta电位测量示例 显微电泳法附录E(资料性附录) 检测报告参考文献
12 14 16 18 19 GB/T 32668—2016
前 言
本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草。 本标准由中国科学院提出。 本标准由全国纳米技术标准化技术委员会（SAC/TC279)归口。 本标准主要起草单位：国家纳米科学中心、华东师范大学。 本标准主要起草人：刘忍肖、马士禹、葛广路、陈邦林、江潮、张云艳、高洁。
- GB/T32668—2016
引言
胶体体系的许多重要性质都直接或间接由胶体颗粒的电荷（或电位）来决定。胶体体系中的离子或偶极分子的吸附会影响胶体颗粒电荷（或电位)的分布，而同时电荷（或电位)的分布也会影响离子或偶极分子的吸附。电荷（或电位)分布决定了胶体颗粒之间的相互作用能，并且在许多情况下，会影响胶体体系的聚集稳定性和流动行为。因此胶体体系的特性通常通过测量电动性质进行分析和解释。
对于悬浮在液体介质中的带电颗粒，除表面化学组成外，表面电荷和表面形貌（尤其是前者)是两个最重要的表面特性。反映胶体体系表面电荷性质的参数即zeta电位，zeta电位绝对值的大小是胶体体系稳定性的直接反映，是在胶体体系的制备、破坏和应用过程中的一个关键因素。通过测量或调控zeta 电位可以监测和调控胶体体系的行为，因此zeta电位在科学研究、工业生产领域等有着广泛的应用。 例如在涂料行业，颜料颗粒的聚集会影响上色质量，降低喷涂的光泽度和质感，可通过监控和调节涂料的zeta电位使涂料中的颗粒良好分散而成功进行喷涂；在造纸行业，检测纤维和填料表面的zeta电位，可以有效辅助化学品助剂的添加；此外，zeta电位在吸附、生物医药、酿造、陶瓷、制药、矿物处理和水处理等行业领域也都是极其重要的参数。
zeta电位的测量方法主要有电泳法、电渗法、流动电位法和电声法（超声波法），其中以电泳法应用最为普遍。本标准针对利用电泳法测量胶体体系zeta电位的通用守则进行了规定。
Ⅱ GB/T32668—2016
胶体颗粒zeta电位分析 电泳法通则
1范围
本标准规定了用电泳法对胶体颗粒zeta电位进行测定时的通用规则。 本标准适用于以水为分散介质、表面光滑的理想硬球胶体颗粒的zeta电位分析，非理想硬球胶体
颗粒和软球胶体颗粒的zeta电位分析也可参照执行。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T20099一2006样品制备粉末在液体中的分散方法 ISO13099-1：2012胶体体系zeta电位测量方法第1部分：电声和电动现象（Colloidalsys-
tems—Methods for zeta-potential determination-Part 1:Electroacoustic and electrokinetic phenome- na)
ISO13099-2：2012胶体体系zeta电位测量方法第2部分：光学方法（Colloidalsystems Methods for zeta-potential determinatin—Part 2:Optical methods)
3术语和定义、符号
3.1术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。 3.1.1
表面电荷密度 electric surface chargedensity a 由于液体体相离子的特异性吸附或表面基团的解离而在单位面积界面上所产生的电荷量。 注：单位为库仑每平方米(C/m"）。
3.1.2
表面电位 electricsurfacepotential Y。 粒子表面到均匀液相内部的电位差。 注：引自ISO13099-2；2012，定义3.1.3。
3.1.3
滑移面slippingplane;shearplane 颗粒在电场中发生泳动时，在剪切应力的作用下，固-液界面附近的液体相对于表面发生滑移的抽
象面。
注：引自ISO13099-2：2012，定义3.1.9。
1 GB/T32668——2016
3.1.4
电泳electrophoresis 浸于液体中的带电胶体颗粒或聚电解质在外加电场作用下的运动。 注：引自ISO13099-2：2012，定义3.1.3。
3.1.5
电泳速度 electrophoreticvelocity 在电泳过程中胶体颗粒或聚电解质的运动速度。 注：引自ISO13099-2；2012，定义3.1.8。
3.1.6
电泳迁移率 electrophoretic mobility 电泳消度 A 单位电场强度下带电胶体颗粒或聚电解质的泳动速度。 注1：如粒子向低电位（负极)泳动，则电泳消度值为正，反之为负。 注2：单位为平方米每伏秒[m"/(V：s)通常用微米厘米每伏秒Lum·cm/(V·s)表示）
3.1.7
电泳法 electrophoresis 基于在液体介质中，测定带电胶体颗粒或聚电解质在直流电场作用下的电泳迁移率的一种方法。
3.1.8
德拜长度 Debyelength K-1 在电解质溶液中双电层的特征长度。 注：单位为纳米(nm)。
3.1.9
zeta电位 zetapotential 电动电位 electrokineticpotential
悬浮在液体介质中的胶体颗粒双电层的滑动面与溶液体相之间的电位差。 注1：单位为伏特(V)[通常用毫伏(mV)表示]。 注2；引自ISO13099-2；2012，定义3.1.4。
3.1.10
等电点isoelectricpoint 与胶体体系中分散颗粒的zeta电位值为零相对应的液体介质的pH值。
3.1.11
理想硬球胶体颗粒idealhardcolloidalparticle 表面光滑（直至分子尺度）、化学性质均匀、且在剪切力下无形变的胶体颗粒。
3.1.12
非理想硬球胶体颗粒 unideal hard colloidal particle 虽然是非理想表面，但仍可以看作是刚性表面的胶体颗粒注：测定zeta电位时主要关注尺寸、形状、表面粗糙度和表面异质的影响。
3.1.13
软球胶体颗粒softcolloidalparticle 在剪切力下有形变的胶体颗粒。 注：在两种情况下颗粒不能当作硬球处理：第一种是表面附有毛发状吸附层、接枝或吸附层的硬球和可（部分）穿透 2 GB/T32668—2016
的颗粒。第二种是水-油或水-气界面，液滴和气泡构成了一类特定的“软”颗粒。
3.2符号
下列符号适用于本文件。 E 电场强度 a 胶体颗粒半径
介质的折射率
n 0 人射光和散射光之间的夹角
μ 电泳迁移率 5 zeta电位
表面电荷密度介质的动力黏度介质的介电常数
a 7 w 5 散射光和电场方向之间的夹角 Aa 多普勒频移亚。 表面电位入。 激光在真空中的波长
~1 德拜长度 f（ca）随ka变化的单调函数，f（a）α→=1，f（ea）a=3/2。
4原理
4.1基本原理
设胶体颗粒带电荷g，在电场强度为E的电场中（若两电极间的距离为L、电位差为△V，则E= △V/L，即单位距离上的电位差），作用在胶体颗粒上的静电力f见式（1)：
f=qE
..(1 )
若球形胶体颗粒的半径为a，n为液体介质的动力黏度，电泳速度为u，根据Stokes定律，其运动阻力f见式（2）：
f"=6元ma
.(2)
当胶体颗粒匀速泳动时，式（1)与式（2)两式相等，见式（3）：
qE=6元ma
(3)
则电泳迁移率可用式（4)表示：
9
U
μ=E=6元m
..(4)
胶体颗粒表面的带电状态由离子在其周围的空间分布决定，这种电荷分布称之为双电层。经典双电层模型是Stern扩散双电层模型：第一层是紧靠于带电固体表面，包括牢固地吸附在固体表面上的离子和参与部分溶剂化的水分子形成的内部紧密层，称为Stern层，它符合Langmuir单层吸附理论，在紧密层内从表面电位降至Stern面上的电位变化是线性的。第二层称为扩散层，其或多或少扩散分布在与表面相接触的液体介质中，该层中包含过量的反离子（与表面电荷符号相反的离子）和少量的共离子（与表面电荷符号相同的离子）。Stern扩散双电层模型见图1所示。胶体粒子在外加电场的作用下， Stern层与扩散层发生相对移动时的面称为滑移面或剪切面。
3 GB/T32668—2016
剪切面
Sterm面扩散层
2
数子表面
Stemili
二切面田 e
E E 到 e
ie ④
e e e
扩散层表面电位
Stem层i
o ④ o
久 mvi Stem电位
④
zeta电位到颗粒表面的距离
晶 0
扩散层 Stem面
距离
T
Stern层切面 c）各双电层电位的相互关系图
b）双电层结构示意图图1Stern理论模型中的双电层
a）双电层结构示意图
zeta电位由带电表面的本质、表面电荷（通常由pH值决定）、溶液的电解质浓度、溶剂与电解质的本质来共同决定，如果所有参数均固定，则胶体体系的zeta电位值也是确定的。zeta电位不能直接测量，需要基于特定的理论模型，并通过电泳迁移率计算得到。zeta电位的计算理论分为基础理论和高等理论，由于高等理论针对不同体系时需提供多个未知或难以获得的参数且计算繁琐，本标准仅对zeta 电位计算的经典基础理论进行表述，高等理论可参考ISO13099-1：2012的附录D。
电泳迁移率的测量方法有显微电泳法（MicroscopicElectrophoresis）和电泳光散射法（Electro phoreticLaserScattering，ELS），参见国际标准ISO13099-2：2012第5章和第6章。 4.2显微电泳法
显微电泳法是通过光源照亮在外加电场作用下发生泳动的胶体颗粒，被照亮的颗粒能够产生散射光从而可以被观察。在亮场时对比度较小，仅可观察尺寸大于200nm的颗粒。在暗场时能够捕捉尺寸低至纳米尺度的、移动的胶体颗粒的图像。
显微电泳法是半自动方法，适合检测电泳迁移率体相均匀的胶体颗粒体系。颗粒的运动可通过对
显微镜进行手动调节而跟踪，如改变照明光的扫描速度或移动可反射胶体颗粒图像的棱镜。现代CCD （charge-coupleddevice)和计算机可实现胶体颗粒电泳图像的连续捕捉、转化和传输，通过精密分析带有时间标记的视频顿，可重建胶体颗粒在外加电场作用下的移动轨迹，并测得电泳迁移率。由于显微电泳法能够在非常短的时间内施加电场，从而解决了热扩散和电化学污染的问题。
应用显微电泳法测定时，还需注意测试仪器是否已考虑电渗对电泳的影响。此外，测试样品中的颗粒浓度应足够低，以保证视频可对单个颗粒进行追踪。
应用显微电泳法测量胶体颗粒电泳迁移率的仪器设备的典型光路是90°激光散射装置，如图2所示。激光照亮显微镜的焦平面，激光光束和显微镜轴均垂直于电场，电场方向垂直于纸面。激光照明、 显微镜、静止层应排成直线以避免电渗。
4 ICS 11.080.99 A 30
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T32668—2016
胶体颗粒 zeta 电位分析 电泳法通则
Analysis of zeta potential of colloids-Electrophoresis guidelines
2016-11-01实施
2016-04-25发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会 发布 GB/T32668—2016
目 次
前言引言范围
1 2 规范性引用文件
3术语和定义、符号· 原理
4
zeta电位 zeta电位的测定
5 6
不确定度来源
7
8检测报告附录A(资料性附录) 斯莫路科夫斯基理论的应用条件附录B(资料性附录) 德拜长度附录C(资料性附录) zeta电位测量示例 电泳光散射法附录D(资料性附录) zeta电位测量示例 显微电泳法附录E(资料性附录) 检测报告参考文献
12 14 16 18 19 GB/T 32668—2016
前 言
本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草。 本标准由中国科学院提出。 本标准由全国纳米技术标准化技术委员会（SAC/TC279)归口。 本标准主要起草单位：国家纳米科学中心、华东师范大学。 本标准主要起草人：刘忍肖、马士禹、葛广路、陈邦林、江潮、张云艳、高洁。
- GB/T32668—2016
引言
胶体体系的许多重要性质都直接或间接由胶体颗粒的电荷（或电位）来决定。胶体体系中的离子或偶极分子的吸附会影响胶体颗粒电荷（或电位)的分布，而同时电荷（或电位)的分布也会影响离子或偶极分子的吸附。电荷（或电位)分布决定了胶体颗粒之间的相互作用能，并且在许多情况下，会影响胶体体系的聚集稳定性和流动行为。因此胶体体系的特性通常通过测量电动性质进行分析和解释。
对于悬浮在液体介质中的带电颗粒，除表面化学组成外，表面电荷和表面形貌（尤其是前者)是两个最重要的表面特性。反映胶体体系表面电荷性质的参数即zeta电位，zeta电位绝对值的大小是胶体体系稳定性的直接反映，是在胶体体系的制备、破坏和应用过程中的一个关键因素。通过测量或调控zeta 电位可以监测和调控胶体体系的行为，因此zeta电位在科学研究、工业生产领域等有着广泛的应用。 例如在涂料行业，颜料颗粒的聚集会影响上色质量，降低喷涂的光泽度和质感，可通过监控和调节涂料的zeta电位使涂料中的颗粒良好分散而成功进行喷涂；在造纸行业，检测纤维和填料表面的zeta电位，可以有效辅助化学品助剂的添加；此外，zeta电位在吸附、生物医药、酿造、陶瓷、制药、矿物处理和水处理等行业领域也都是极其重要的参数。
zeta电位的测量方法主要有电泳法、电渗法、流动电位法和电声法（超声波法），其中以电泳法应用最为普遍。本标准针对利用电泳法测量胶体体系zeta电位的通用守则进行了规定。
Ⅱ GB/T32668—2016
胶体颗粒zeta电位分析 电泳法通则
1范围
本标准规定了用电泳法对胶体颗粒zeta电位进行测定时的通用规则。 本标准适用于以水为分散介质、表面光滑的理想硬球胶体颗粒的zeta电位分析，非理想硬球胶体
颗粒和软球胶体颗粒的zeta电位分析也可参照执行。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T20099一2006样品制备粉末在液体中的分散方法 ISO13099-1：2012胶体体系zeta电位测量方法第1部分：电声和电动现象（Colloidalsys-
tems—Methods for zeta-potential determination-Part 1:Electroacoustic and electrokinetic phenome- na)
ISO13099-2：2012胶体体系zeta电位测量方法第2部分：光学方法（Colloidalsystems Methods for zeta-potential determinatin—Part 2:Optical methods)
3术语和定义、符号
3.1术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。 3.1.1
表面电荷密度 electric surface chargedensity a 由于液体体相离子的特异性吸附或表面基团的解离而在单位面积界面上所产生的电荷量。 注：单位为库仑每平方米(C/m"）。
3.1.2
表面电位 electricsurfacepotential Y。 粒子表面到均匀液相内部的电位差。 注：引自ISO13099-2；2012，定义3.1.3。
3.1.3
滑移面slippingplane;shearplane 颗粒在电场中发生泳动时，在剪切应力的作用下，固-液界面附近的液体相对于表面发生滑移的抽
象面。
注：引自ISO13099-2：2012，定义3.1.9。
1 GB/T32668——2016
3.1.4
电泳electrophoresis 浸于液体中的带电胶体颗粒或聚电解质在外加电场作用下的运动。 注：引自ISO13099-2：2012，定义3.1.3。
3.1.5
电泳速度 electrophoreticvelocity 在电泳过程中胶体颗粒或聚电解质的运动速度。 注：引自ISO13099-2；2012，定义3.1.8。
3.1.6
电泳迁移率 electrophoretic mobility 电泳消度 A 单位电场强度下带电胶体颗粒或聚电解质的泳动速度。 注1：如粒子向低电位（负极)泳动，则电泳消度值为正，反之为负。 注2：单位为平方米每伏秒[m"/(V：s)通常用微米厘米每伏秒Lum·cm/(V·s)表示）
3.1.7
电泳法 electrophoresis 基于在液体介质中，测定带电胶体颗粒或聚电解质在直流电场作用下的电泳迁移率的一种方法。
3.1.8
德拜长度 Debyelength K-1 在电解质溶液中双电层的特征长度。 注：单位为纳米(nm)。
3.1.9
zeta电位 zetapotential 电动电位 electrokineticpotential
悬浮在液体介质中的胶体颗粒双电层的滑动面与溶液体相之间的电位差。 注1：单位为伏特(V)[通常用毫伏(mV)表示]。 注2；引自ISO13099-2；2012，定义3.1.4。
3.1.10
等电点isoelectricpoint 与胶体体系中分散颗粒的zeta电位值为零相对应的液体介质的pH值。
3.1.11
理想硬球胶体颗粒idealhardcolloidalparticle 表面光滑（直至分子尺度）、化学性质均匀、且在剪切力下无形变的胶体颗粒。
3.1.12
非理想硬球胶体颗粒 unideal hard colloidal particle 虽然是非理想表面，但仍可以看作是刚性表面的胶体颗粒注：测定zeta电位时主要关注尺寸、形状、表面粗糙度和表面异质的影响。
3.1.13
软球胶体颗粒softcolloidalparticle 在剪切力下有形变的胶体颗粒。 注：在两种情况下颗粒不能当作硬球处理：第一种是表面附有毛发状吸附层、接枝或吸附层的硬球和可（部分）穿透 2 GB/T32668—2016
的颗粒。第二种是水-油或水-气界面，液滴和气泡构成了一类特定的“软”颗粒。
3.2符号
下列符号适用于本文件。 E 电场强度 a 胶体颗粒半径
介质的折射率
n 0 人射光和散射光之间的夹角
μ 电泳迁移率 5 zeta电位
表面电荷密度介质的动力黏度介质的介电常数
a 7 w 5 散射光和电场方向之间的夹角 Aa 多普勒频移亚。 表面电位入。 激光在真空中的波长
~1 德拜长度 f（ca）随ka变化的单调函数，f（a）α→=1，f（ea）a=3/2。
4原理
4.1基本原理
设胶体颗粒带电荷g，在电场强度为E的电场中（若两电极间的距离为L、电位差为△V，则E= △V/L，即单位距离上的电位差），作用在胶体颗粒上的静电力f见式（1)：
f=qE
..(1 )
若球形胶体颗粒的半径为a，n为液体介质的动力黏度，电泳速度为u，根据Stokes定律，其运动阻力f见式（2）：
f"=6元ma
.(2)
当胶体颗粒匀速泳动时，式（1)与式（2)两式相等，见式（3）：
qE=6元ma
(3)
则电泳迁移率可用式（4)表示：
9
U
μ=E=6元m
..(4)
胶体颗粒表面的带电状态由离子在其周围的空间分布决定，这种电荷分布称之为双电层。经典双电层模型是Stern扩散双电层模型：第一层是紧靠于带电固体表面，包括牢固地吸附在固体表面上的离子和参与部分溶剂化的水分子形成的内部紧密层，称为Stern层，它符合Langmuir单层吸附理论，在紧密层内从表面电位降至Stern面上的电位变化是线性的。第二层称为扩散层，其或多或少扩散分布在与表面相接触的液体介质中，该层中包含过量的反离子（与表面电荷符号相反的离子）和少量的共离子（与表面电荷符号相同的离子）。Stern扩散双电层模型见图1所示。胶体粒子在外加电场的作用下， Stern层与扩散层发生相对移动时的面称为滑移面或剪切面。
3 GB/T32668—2016
剪切面
Sterm面扩散层
2
数子表面
Stemili
二切面田 e
E E 到 e
ie ④
e e e
扩散层表面电位
Stem层i
o ④ o
久 mvi Stem电位
④
zeta电位到颗粒表面的距离
晶 0
扩散层 Stem面
距离
T
Stern层切面 c）各双电层电位的相互关系图
b）双电层结构示意图图1Stern理论模型中的双电层
a）双电层结构示意图
zeta电位由带电表面的本质、表面电荷（通常由pH值决定）、溶液的电解质浓度、溶剂与电解质的本质来共同决定，如果所有参数均固定，则胶体体系的zeta电位值也是确定的。zeta电位不能直接测量，需要基于特定的理论模型，并通过电泳迁移率计算得到。zeta电位的计算理论分为基础理论和高等理论，由于高等理论针对不同体系时需提供多个未知或难以获得的参数且计算繁琐，本标准仅对zeta 电位计算的经典基础理论进行表述，高等理论可参考ISO13099-1：2012的附录D。
电泳迁移率的测量方法有显微电泳法（MicroscopicElectrophoresis）和电泳光散射法（Electro phoreticLaserScattering，ELS），参见国际标准ISO13099-2：2012第5章和第6章。 4.2显微电泳法
显微电泳法是通过光源照亮在外加电场作用下发生泳动的胶体颗粒，被照亮的颗粒能够产生散射光从而可以被观察。在亮场时对比度较小，仅可观察尺寸大于200nm的颗粒。在暗场时能够捕捉尺寸低至纳米尺度的、移动的胶体颗粒的图像。
显微电泳法是半自动方法，适合检测电泳迁移率体相均匀的胶体颗粒体系。颗粒的运动可通过对
显微镜进行手动调节而跟踪，如改变照明光的扫描速度或移动可反射胶体颗粒图像的棱镜。现代CCD （charge-coupleddevice)和计算机可实现胶体颗粒电泳图像的连续捕捉、转化和传输，通过精密分析带有时间标记的视频顿，可重建胶体颗粒在外加电场作用下的移动轨迹，并测得电泳迁移率。由于显微电泳法能够在非常短的时间内施加电场，从而解决了热扩散和电化学污染的问题。
应用显微电泳法测定时，还需注意测试仪器是否已考虑电渗对电泳的影响。此外，测试样品中的颗粒浓度应足够低，以保证视频可对单个颗粒进行追踪。
应用显微电泳法测量胶体颗粒电泳迁移率的仪器设备的典型光路是90°激光散射装置，如图2所示。激光照亮显微镜的焦平面，激光光束和显微镜轴均垂直于电场，电场方向垂直于纸面。激光照明、 显微镜、静止层应排成直线以避免电渗。
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