ГОСТ Р 8.887-2015

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственная система обеспечения единства измерений

ПОТЕНЦИАЛ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ (ДЗЕТА-ПОТЕНЦИАЛ) ЧАСТИЦ В КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМАХ

Оптические методы измерения

State system for ensuring the traceability of measurements. The electrokinetic potential (Zeta potential) particles in colloidal systems. Optical measurement methods

ОКС 17.180.99

Дата введения 2016-06-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений" (ФГУП "ВНИИОФИ") Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 206 "Эталоны и поверочные схемы" подкомитетом ПК 10 "Оптико-физические средства измерений"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 7 августа 2015 г. N 1113-ст

4 Настоящий стандарт разработан с учетом основных нормативных положений международного стандарта ИСО 13099:2-2012* "Системы коллоидные. Методы определения дзета-потенциала. Часть 2. Оптические методы" (ISO 13099:2-2012 "Colloidal systems - Methods for zeta-potential determination - Part 2: Optical methods", NEQ)

________________

* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - Примечание изготовителя базы данных.

5 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Май 2019 г.

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

     1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на электрокинетический потенциал частиц в коллоидных системах (далее - дзета-потенциал) и устанавливает оптические методы его измерения.

     2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 8.774 Государственная система обеспечения единства измерений. Дисперсный состав жидких сред. Определение размеров частиц по динамическому рассеянию света

ГОСТ Р ИСО 14644-1 Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 1. Классификация чистоты воздуха

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

     3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 броуновское движение: Случайные движения (блуждания) частиц, взвешенных в жидкости, под действием ударов молекул, участвующих в тепловом движении.

3.2 двойной электрический слой; ДЭС: Слой ионов, образующихся на поверхности частиц в результате адсорбции ионов из коллоидного раствора.

3.3 параметр Дебая: Величина, обратная эффективной (дебаевской) толщине ДЭС.

3.4 поверхностный потенциал: Разность электрических потенциалов между поверхностью коллоидной частицы и основным объемом жидкости.

3.5 поверхность скольжения: Воображаемая поверхность вблизи границы раздела между коллоидной частицей и жидкостью, где становится заметным движение (скольжение) жидкости относительно этой границы.

3.6 сдвиг Доплера (допплеровский сдвиг): Изменение частоты и фазы волн (фаза - это частота, умноженная на время), регистрируемых приемником, вызванное движением их источника и/или движением приемника.

3.7 электрокинетический потенциал (дзета-потенциал): Разность между электрическими потенциалами на поверхности скольжения и в основном объеме жидкости.

3.8 электроосмос: Движение жидкости вдоль заряженной поверхности, например в капиллярах или пористых мембранах, под действием внешнего электрического поля.

3.9 электрофоретическая подвижность: Электрофоретическая скорость, приходящаяся на единицу напряженности электрического поля. Электрофоретическая подвижность положительная, если частицы движутся в направлении более низкого потенциала (к отрицательному электроду); отрицательная - если в противоположном направлении; выражается в м/В·с.

3.10 электрофоретическая скорость: Скорость движения частиц в жидкости под действием внешнего электрического поля.

3.11 электрофорез: Движение заряженных коллоидных частиц в жидкости под действием внешнего электрического поля.

3.12 электрофореграмма: Зависимость от времени интенсивности света, рассеянного дисперсными частицами в жидкости и движущимися под действием электрического поля, приложенного к ячейке.

3.13 эффективная (дебаевская) толщина ДЭС: Характерная толщина двойного электрического слоя в растворе электролита, то есть расстояние от поверхности заряженной частицы, при котором потенциал уменьшается в е (е2,71) раз.

     4 Сущность метода измерений

4.1 Вводная часть

Дзета-потенциал - основной показатель стабильности коллоидных систем в жидких средах. Частицы в коллоидной системе участвуют в броуновском (хаотическом) движении, а приложение электрического поля вызывает их направленный дрейф. На поверхности частиц (на границе раздела "частица - жидкость") возникает двойной электрический слой. На поверхности частицы закрепляется слой ионов определенного знака, равномерно распределенный по поверхности и создающий на ней поверхностный заряд (потенциалопределяющие ионы). К этому слою из жидкой среды притягиваются ионы противоположного знака (противоионы).

Слой противоионов состоит из плотного адсорбционного слоя, прочно связанного с частицей и движущегося вместе с ней, и диффузного слоя, который связан менее прочно и при движении частицы отрывается от нее. Граница между адсорбционным и диффузным слоями называется поверхностью скольжения.

Электрический потенциал, возникающий на поверхности скольжения за счет взаимодействия частицы и дисперсной среды, называется электрокинетическим, или дзета-потенциалом (-потенциал). Электрокинетический потенциал - показатель стабильности коллоидного раствора. Чем больше дзета-потенциал, тем устойчивее коллоидная система. Значение дзета-потенциала, равное ±30 мВ, - характерное значение для условного разделения низкозаряженных поверхностей и высокозаряженных поверхностей.

Для измерения дзета-потенциала коллоидных частиц в жидких средах оптическими методами используют явление электрофотреза, то есть направленного движения заряженных частиц, взвешенных в жидкости, под действием электрического поля. При этом существуют два различных подхода [1]:

- метод микроэлектрофореза, заключающийся в наблюдении за электрофотретическим движением частиц через микроскоп;

- метод электрофоретического рассеивания света, основанный на измерении допплеровских сдвигов частоты или фазы излучения, рассеянного исследуемыми коллоидными частицами при их движении во внешнем электрическом поле.

В обоих методах взвесь частиц помещают в измерительную ячейку, в которой имеется пара электродов (см. рисунок 1) [1]. Эти электроды могут быть расположены либо на концах цилиндрического или прямоугольного капилляра, либо быть выполненными в виде специальной вставки, в которой они находятся на фиксированном расстоянии друг от друга и погружаются в стандартную кювету или другой сосуд.

     
а - область измерения скорости частиц; d - расстояние между электродами

Рисунок 1 - Принципиальная схема электрофореза

На электроды подают известное постоянное напряжение. В результате электрофореза частицы, находящиеся в коллоидной системе и несущие отрицательный заряд, притягиваются к электродам противоположного знака, и наоборот. Кроме того, если стенки капилляра заряжены, имеет место электроосмос, то есть течение жидкости вдоль стенок капилляра. Направление и скорость частиц зависят от знака и значения их заряда. Результирующая скорость частиц в системе отсчета, связанной с измерительной ячейкой, является суммой скоростей электрофоретического движения частиц и электроосмотического течения жидкости. При этом время, необходимое частицам для достижения равновесной скорости электрофоретического движения после приложения электрического поля, значительно меньше времени, необходимого жидкости для установления равновесного электроосмотического потока. Это различие используют в некоторых реализациях метода измерений.

Измеряют как скорость движения частиц в системе отсчета, связанной с ячейкой, так и направление этого движения частиц. Поскольку напряжение, приложенное к электродам, и расстояние между ними известны на основании установленных теорий, может быть определена электрофоретическая подвижность, по которой затем вычисляют дзета-потенциал.

4.2 Сущность метода микроэлектрофореза

Сущность данного метода измерения дзета-потенциала коллоидных систем заключается в измерении скорости движения частиц, движущихся вдоль окулярной сетки микроскопа, с последующим расчетом электрофоретической подвижности частиц и дзета-потенциала.

На измерительную ячейку с коллоидным раствором подают лазерное излучение, а движение частиц вдоль окулярной сетки микроскопа обеспечивают за счет приложенного к ячейке напряжения. Излучение, попавшее на ячейку, рассеивается частицами, находящимися в коллоидной системе. В результате рассеивания возможно наблюдать освещенные частицы с помощью микроскопа на светлом или на темном поле, также возможно наблюдение на обоих полях, в зависимости от конструкции анализатора дзета-потенциала. При наблюдении в светлом поле достаточный контраст может быть обеспечен только для частиц размерами более 200 нм, в темном поле получение удовлетворительного контраста возможно для частиц размерами более 20 нм. Регистрация траектории движения частиц и расчет скорости их движения осуществляют с помощью высокочувствительного регистрационного устройства (видео- или фотокамеры) с использованием специального программного обеспечения в автоматическом режиме.

Принципиальная схема такого анализатора дзета-потенциала представлена на рисунке 2 [1].

1 - источник излучения (лазер); 2 - измерительная ячейка; 3 - объектив микроскопа; 4 - высокочувствительная видео- или фотокамера

Рисунок 2 - Схема анализатора дзета-потенциала, основанная на микроскопическом методе

Данным методом возможно измерять значение дзета-потенциала коллоидной системы для частиц диаметром от 10 нм до 50 мкм.

4.3 Сущность метода электрофоретического рассеяния света

Электрофоретическое рассеяние света (ЭФРС) - это косвенный метод измерения электрофоретической подвижности частиц по допплеровскому сдвигу частоты или фазы рассеянного ими излучения. При измерениях методом ЭФРС на частицы, взвешенные в жидкости и находящиеся в электрическом поле, направляют лазерное излучение. Под действием электрического поля заряженные частицы движутся либо к катоду, либо к аноду, в зависимости от знака своего электрического заряда. Вследствие этого движения частота и фаза излучения, рассеянного частицами, претерпевают сдвиг, обусловленный эффектом Доплера. По распределению частотных сдвигов может быть вычислено распределение электрофоретических подвижностей частиц. Для предотвращения нежелательных эффектов - электролитического отложения вещества на электродах и скопления частиц в одной стороне кюветы - полярность приложенного электрического поля периодически меняют, то есть реализуют импульсно-периодический режим. Форма импульсов может быть прямоугольной или синусоидальной, а частота их следования и амплитуда зависят от типа ячейки и способа обработки сигнала [1].

Измерения методом ЭФРС целесообразно проводить при малых углах рассеяния (от 12° до 30°), чтобы минимизировать спектральное уширение лазерных линий вследствие эффекта Доплера. Наиболее отработанными являются схемы с опорным пучком, описанные ниже.

Световой пучок от лазерного источника известной длины волны делят на два пучка, один из которых используют в качестве опорного, а другой направляют на кювету с частицами для возбуждения рассеяния. Опорный пучок может либо проходить через кювету с частицами, либо идти мимо нее. Пучок излучения, рассеянного движущими частицами, и опорный пучок совмещают системой зеркал на светочувствительной площадке фотоприемника и интерферируют, в результате такой интерференции возникают биения. Если направление падающего на кювету лазерного излучения совпадает с направлением приложенного электрического поля, то допплеровский сдвиг частоты света связан со скоростью дрейфового движения частиц соотношением

,                                                      (1)

где n - показатель преломления жидкости, в которой взвешены частицы;

- угол рассеяния;

- длина волы лазерного излучения в вакууме.

В качестве фотоприемника используют либо фотоэлектронный умножитель, либо лавинный фотодиод.

Перед попаданием на фотоприемник опорный пучок проходит через модулятор, который сдвигает его частоту на несколько сотен герц относительно частоты лазерного излучения. Это позволяет определять знак допплеровского сдвига и измерять его значения, малые по абсолютной величине.

Пример оптической схемы с опорным пучком приведен на рисунке 3 [1]. В качестве модулятора эта схема использует колеблющееся зеркало 1. После модулятора пучок проходит через ослабитель 2.

В соответствии с данным методом возможно измерять значение дзета-потенциала коллоидной системы для частиц с диаметром от 3,8 нм до 100 мкм.