为什么离子强度与DLS测量有关？

发表时间：2024-12-17

浏览量：67

点击蓝字

关注我们

动态光散射（DLS）测量颗粒大小分布时，一定程度上依赖于被研究材料的稳定性。常规球形胶体颗粒之间的相互作用最常被描述为吸引和排斥相互作用之间的平衡。对于自由扩散的颗粒来说，正是这些排斥相互作用使颗粒之间的碰撞频率最小化，并降低了碰撞导致两个表面粘附的概率，从而提高胶体稳定性。

如果将这些相互作用视为两个半径均为 r₀ 的带电粒子之间的成对相互作用之和，我们可以定义一个距离h，它指的是胶体颗粒表面到表面的距离。

这些吸引力和排斥力之间的平衡形成了一个复杂的相互作用场，增加这种相互作用场最直接的方法是添加盐。盐离子强度（I）的作用是屏蔽这些远程静电斥力。添加屏蔽电解质最直接的影响是抑制德拜长度K^-1，也被称为双电层厚度。对于1:1的电解质（I = Cs），可按下式计算：

K^-1= [ϵoϵ K_BT/ (2N_Ae²Cs)]^1/2

其中K^-1为德拜长度。式中 ϵ₀ 和 ϵ 分别为真空介电常数和相对介电常数，K_BT为用玻尔兹曼常数表示的热能，e为电子电荷，N_A为阿伏伽德罗常数，Cs为盐的摩尔浓度。公式在室温下可简化为：

K^-1(nm) = 0.301/Cs^1/2

这使我们能够计算屏蔽的静电力作为表面分离距离h的函数。对于给定的离子强度，静电势的衰减可以用以下公式近似表示，其中Ψo是表面电势，K是德拜长度（K^-1）的倒数：

Ψ(h) = Ψo exp(-Kh)

离子强度直接控制着静电力能够

对颗粒稳定性产生影响的距离

在低盐浓度条件下，静电排斥作用在数十纳米的距离上持续存在，这在盐浓度≤1mM时很明显。当盐浓度高于50mM时，静电作用距离变得非常短，在距离大于几纳米时几乎完全消失。这幅图解释了离子强度对胶体稳定性的影响，但到目前为止只解决了这种相互作用的排斥部分。为了全面理解这一点，我们还需要考虑吸引相互作用。

理解胶体颗粒稳定性最常用的理论框架是Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek理论（DLVO）。DLVO将胶体稳定性视为范德华力和屏蔽静电力的总和。相互作用势的形式是复杂的，但在低离子强度下，远程排斥占主导地位。相比之下，在高离子强度下，几乎所有的远程静电力都被屏蔽，因此势能的吸引部分占主导地位。当吸引相互作用占主导地位时，颗粒可以靠得更近，粘在一起的可能性更大。

盐在屏蔽颗粒间相互作用中的作用

少量的盐会对颗粒间相互排斥的距离产生影响。因此，在制备DLS或Zeta电位测量样品时，保持离子强度恒定是非常重要的。即使在没有添加盐的情况下制备，也很少有样品的有效离子强度远低于 0.1mM。商业生产的粉末通常含有残留的盐和缓冲液。在pH调整过程中，酸或碱的中和作用也会增加背景离子强度。所以，现实中低盐条件下精确控制溶解离子的总浓度是非常困难的。

对于DLS测量来说，能够控制离子强度至关重要，特别是在进行连续稀释时，离子强度的变化经常使测得的粒径表现出浓度依赖性。

典型的盐浓度是多少？

在生物体系中，离子强度通常是通过磷酸盐缓冲溶液（PBS）稀释来确定的，根据缓冲液的确切组成，离子强度在120-155 mM之间。采油领域是一个极端情况，往往需要在接近或类似盐水（大于1M ）的条件下研究表面活性剂胶束之间的相互作用，这已经接近常规盐溶解度的上限。

案例

聚苯乙烯磺酸钠（NaPSS）是一种阴离子型合成聚合物，它具有恒定的高线性电荷密度。

在三种不同离子强度下制备高分子量（1 MDa）NaPSS，用多角度纳米粒度及高灵敏度Zeta电位分析仪Omni测试其粒径分布，如下图：