Определение дзета-потенциала
Дзета-потенциал — это потенциал на границе между коллоидной частицей, способной к движению в электрическом поле, и окружающей жидкостью, т.е. потенциал поверхности скольжения частицы в коллоидном растворе. Наличие дзета-потенциала на границах скольжения всех дисперсных частиц формирует на них одноименные заряды и электростатические силы отталкивания, что обеспечивает устойчивость коллоидного раствора и препятствует агрегации. Чем выше абсолютное значение потенциала, тем больше силы отталкивания частиц друг от друга. Таким образом, дзета-потенциал является мерой устойчивости коллоидного раствора.
Дзета-потенциал определяет степень и характер взаимодействия между частицами дисперсной системы. Дисперсная система — это система, имеющая границу раздела. Коллоидный раствор — это тоже дисперсная система, но в отличие — от нее имеет заряд на поверхности частиц. Измерение дзета-потенциала обеспечивает понимание механизмов диспергирования и их контроль на уровне электростатических взаимодействий. Определение дзета-потенциала чрезвычайно важно во множестве областей производственной и исследовательской деятельности, в том числе фармацевтической промышленности, медицине, при производстве керамики, переработке полезных ископаемых и приложениях водоочистки.
При разработке новых продуктов (суспензий, эмульсий или коллоидов), одним из основных и самых трудоёмких этапов является определение стабильности предполагаемых композиций в различных условиях. Использование дзета-потенциала, как параметра, позволяющего производить экспресс оценку стабильности системы, позволяет существенно оптимизировать этот исследовательский этап. Контроль дзета-потенциала позволяет оптимизировать использование дорогостоящих флокулянтов, процесс и результаты флокуляции и фильтрации.
И так, измерение дзета — потенциала проводят в случае исследования свойств классических коллоидных растворов и в случае размещение частиц малых размеров (наночастиц) в жидкую среду. Если в качестве жидкости используют воду, то такую композицию называют гидрозолью, а если иная жидкость — то такую композицию называют лиозолью.
Для измерения дзета-потенциала (электрокинетического потенциала) используют любое из электрокинетических явлений: электрофорез, электроосмос, потенциал течения и потенциал седиментации, но чаще всего его определяют с помощью электрофореза и электроосмоса. Значение ζ — потенциала является количественной характеристикой этих явлений.
Для расчета x-потенциала необходима величина приложенного к электродам напряжения U, измеряемого в вольтах. Второй величиной, которую необходимо регистрировать в ячейке, является разница границ раздела исследуемого раствора и «боковой жидкости». Эта величина измеряется в единицах длины, например, в сантиметрах. Она необходима для расчета линейной скорости электрофореза, которая измеряется в см/с. По полученному значению средней скорости электрофореза вычисляется значение электрокинетического потенциала, по уравнению Гельмгольца- Смолуховского, которое имеют вид:
Установка для измерения ζ — потенциала состоит из измерительной ячейки (рис.1), представляющей собой стеклянную U — образную трубку, центральное колено которой имеет в нижней части стеклянный кран с диаметром отверстия, равным внутреннему диаметру трубки. U — образная ячейка закреплена в каркасе из органического стекла, за ячейкой нанесена градуированная шкала с шагом 0,1см. Коллоидный раствор вводиться в прибор с помощью специальной воронки (3) на центральном колене (2), соединенной с нижней частью U — образной трубки. Кран (4) предназначен для равномерного распределения жидкости в U — образной трубке.
Рис.1. Схема прибора для проведения электрофореза.
1 — U — образная трубка; 2 — стеклянная трубка; 3 — воронка; 4 — кран; 5 — агар-агаровые мостики; 6 — стаканчики; 7 — электроды
Для получения более точных результатов, в лабораториях используют современный прибор Zetasizer Nano ZS («Malvern Instruments», великобритания.). Измерения проводятсяв U-образной кювете с золотыми электродами при рН=7.4 и температуре 25оС. Результаты обрабатывются с помощью программного обеспечения «Dispersion Technology Software@
Для измерения заряда частиц в исследуемый образец помещается пара электродов, на которые подается постоянное напряжение. Частицы в образце будут двигаться к электроду противоположного заряда с определенной скоростью. Скорость движения частиц измеряется с помощью лазерного доплеровского анемометра. В режиме измерения скорости в спектре рассеянного света появляется компонента, смещенная относительно несущей частоты на величину доплеровской частоты, которая пропорциональна скорости движущихся частиц.
С помощью приведенных выше методик в Казанском (Приволжском) федеральном университете был выполнен мониторинг дзета-потенциала клеток человека при снижении их жизнеспособности и взаимодействии с полимерами. Было показано, что дзета-потенциал клеточных линий и клеток крови в суспензии при рН=7,4 варьирует от −19,4 ±0,8мВ у клеток НеLa до −31,8 ±1,1мВ у эритроцитов, что, по-видимому, обусловлено различиями в биохимическом составе мембран этих клеток. Тепловая обработка клеток НеLa приводила к смещению их дзета-потенциала в область отрицательных значений на 4,2 мВ. Изменение дзета-потенциала коррелировало с увеличением содержания фосфатидилсерина, одного из ранних маркеров апоптоза,
В работе Ослопова В.Н. и соавторов из ГБОУ ВПО « Казанский государственный медицинский университет» были выполнены исследования по изменению состояния клеточных мембран, характеризуемых измерением дзета-потенциала для ранней диагностике гипертонической болезни.
Вторым способом, используемым для измерения заряда поверхности твердых частиц используется индикаторный метод. В качестве индикаторов могут быть выбраны анионные красители: ализариновый красный (АК), ализариновый желтый (АЖ) и тропеолин ОО (ТОО), а также катионный краситель метиленовый голубой (МГ). В качестве основных объектов исследования могут использованы любые твердые материалы, имеющме заряд поверхности, например наночастицы. Для проверки применимости индикаторного метода исследования активных центров поверхности твердых веществ, сравнивают адсорбцию из водных растворов на поверхности различных различных групп наночастиц.. Для оценки реакционной способности или кислотности поверхности РГ предлагается сравнивать адсорбцию на них катионного основного красителя — МГ и анионного кислотного красителя тропеолина (Т00) из водных растворов. Различие в степени адсорбции поверхностью МГ и Т00 может служить мерой количества образующихся анионных групп на поверхности частиц. Метод сравнения адсорбции красителей представляет возможность качественно характеризовать состояние поверхности в отношении наличия на ней заряженных функциональных групп и скрытых пор с учетом ряда ограничений, не обеспечивая при этом возможности получения точных количественных данных. Сравнительные данные об адсорбции различных красителей могут быть использованы для качественной характеристики активных центров поверхности НЧ.
Список литературы
1. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Л.: «Химия», 1980г.
2. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: «Химия», 1976г
3. Григоров О.Н. Электрокинетические явления. М.: «Наука», 1973г.
4. Ослопов В.Н. Новый способ диагностики состояния клеток человека с помощью электрохимических биосенсоров / Ослопов Ю.В.,Сайффуллина Д.В., Афанасьева Т.Ю //Вестник современной клинической медицины. 2012. — Т.5. — №3. — С.12 –15.
5. Бондарь О.В. Мониторинг дзета-потенциала клеток человека при снижении их жизнеспособности и взаимодействии с полимерами / Сайффуллина Д.В.,Мавлютова И.И., Абдуллин Т.И.,// Acta naturae. — т.4. — №1. — С.80–83.
