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ゼータ電位とは、滑り面における電位のことである。この滑り面は、流動する流体と表面に付着したままの流体を隔てる界面である。
ゼータ電位は、コロイド分散系における電気動電位を表す科学用語です[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]。コロイド化学の文献では、通常、ギリシャ文字のゼータ（ζ）を用いて表され、ζ電位と呼ばれます。通常の単位はボルト（V）ですが、より一般的にはミリボルト（mV）です。理論的な観点から、ゼータ電位は、界面から離れたバルク流体中の点に対する、滑り面の位置における界面二重層（DL）の電位です。言い換えれば、ゼータ電位は、分散媒と分散粒子に付着した流体の静止層との間の電位差です。
ゼータ電位は、滑り面によって囲まれた領域内に含まれる正味の電荷によって生じ、その面の位置にも依存します。そのため、電荷の大きさを定量化するために広く用いられています。しかし、ゼータ電位は、二重層内のスターン電位や電気表面電位とは等しくありません[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]。これらは異なる場所で定義されているためです。このような等価性の仮定は慎重に適用する必要があります。それでもなお、ゼータ電位は、二重層の特性を特徴付けるための唯一の手段となることがよくあります。
ゼータ電位は、コロイド分散液の安定性を示す重要な指標であり、容易に測定できます。ゼータ電位の大きさは、分散液中の隣接する同種の電荷を持つ粒子間の静電反発の度合いを示します。分子や粒子が十分に小さい場合、高いゼータ電位は安定性をもたらし、すなわち、溶液または分散液は凝集しにくくなります。電位が小さい場合、引力が反発力を上回り、分散液が破壊されて凝集する可能性があります。したがって、高いゼータ電位（負または正）を持つコロイドは電気的に安定化され、低いゼータ電位を持つコロイドは、表に示されているように凝集または凝結する傾向があります。[ 7 ]
ゼータ電位は、従来の方法では正確に測定することが難しい複雑なポリマーのpKa推定にも使用できます。これにより、さまざまな条件下でのさまざまな合成ポリマーや天然ポリマーのイオン化挙動を研究したり、pH応答性ポリマーの標準化された溶解pH閾値を確立したりするのに役立ちます。[ 8 ]
ISO規格[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]には、ゼータ電位を測定するためのいくつかの方法が記載されています。これらの文書には、電気泳動移動度と動的電気泳動移動度を測定する手順の詳細な説明が含まれており、これらはゼータ電位をさらに計算するための生の実験データとして使用されます。また、測定された生データからゼータ電位を計算するために必要な理論モデルの概要も含まれています。
電気泳動は粒子状物質のゼータ電位を推定するために用いられる一方、流動電位／電流は多孔質体や平面状物質の測定に用いられる。実際には、分散液に電場を印加することで分散液のゼータ電位を測定する。分散液中のゼータ電位を持つ粒子は、ゼータ電位の大きさに比例した速度で反対の電荷を持つ電極に向かって移動する。
この速度は、レーザードップラー風速計の技術を用いて測定されます。これらの移動する粒子によって引き起こされる入射レーザービームの周波数シフトまたは位相シフトが粒子の移動度として測定され、この移動度は分散剤の粘度と誘電率を入力し、スモルコフスキー理論を適用することによってゼータ電位に変換されます。[ 14 ]
電気泳動移動度は、測定可能なパラメータである電気泳動速度に比例します。電気泳動移動度とゼータ電位を関連付ける理論がいくつかあります。それらは、電気泳動に関する記事で簡単に説明されており、コロイドと界面科学に関する多くの書籍で詳細に説明されています。 [ 4 ] [ 5 ] [ 15 ]電気運動現象に関する世界の専門家グループによって作成されたIUPAC技術レポート[ 16 ]があります。機器の観点からは、マイクロ電気泳動、電気泳動光散乱、および可変抵抗パルスセンシングの3つの異なる実験手法があります。マイクロ電気泳動は、移動する粒子の画像が得られるという利点があります。一方、サンプルセルの壁での電気浸透によって複雑になります。電気泳動光散乱は、動的光散乱に基づいています。毛細管セルの場合を除き、電気浸透流の問題を排除するオープンセルでの測定が可能です。また、非常に小さな粒子を特徴付けるために使用できますが、移動する粒子の画像を表示する能力が失われるという代償があります。可変抵抗パルスセンシング(TRPS) は、抵抗パルス信号の持続時間に基づいて個々の粒子のゼータ電位を測定するインピーダンスベースの測定技術です。[ 17 ]ナノ粒子の転座時間は、電圧と印加圧力の関数として測定されます。転座時間の逆数と電圧依存性電気泳動移動度から、ゼータ電位が計算されます。 TRPS 法の主な利点は、粒子ごとにサイズと表面電荷を同時に測定できるため、合成および生物学的ナノ/マイクロ粒子とその混合物の幅広いスペクトルを分析できることです。[ 18 ]
これらの測定手法では、試料の希釈が必要となる場合があります。場合によっては、この希釈によって試料の特性が影響を受け、ゼータ電位が変化することがあります。この希釈を行う正当な方法はただ一つ、平衡上澄液を用いることです。この場合、表面とバルク液間の界面平衡が維持され、懸濁液中の粒子の体積分率に関わらずゼータ電位は同じになります。希釈剤が既知の場合（化学製剤の場合など）、追加の希釈剤を調製することができます。希釈剤が未知の場合は、遠心分離によって平衡上澄液を容易に得ることができます。
流動電位は、毛細管を液体が流れる際に発生する電位です。自然界では、火山活動のある地域で流動電位がかなりの大きさで発生することがあります。[ 19 ]流動電位は、固体材料と水の界面におけるゼータ電位を評価するための主要な電気動現象でもあります。対応する固体サンプルは、毛細管流路を形成するように配置されます。平坦な表面を持つ材料は、平行板として整列した2つのサンプルとして取り付けられます。サンプルの表面は、毛細管流路を形成するためにわずかな距離で分離されます。繊維や粒状媒体などの不規則な形状の材料は、多孔質プラグとして取り付けられ、流動電位測定用の毛細管として機能する細孔ネットワークを提供します。試験溶液に圧力を加えると、液体が流れ始め、電位が発生します。この流動電位は、単一の流路（平坦な表面を持つサンプルの場合）または多孔質プラグ（繊維および粒状媒体の場合）の両端間の圧力勾配に関連付けられ、表面ゼータ電位が計算されます。
ストリーミング電位の代わりに、ストリーミング電流の測定は表面ゼータ電位への別のアプローチを提供する。最も一般的には、ストリーミング電位またはストリーミング電流の結果を表面ゼータ電位に変換するには、 Maryan Smoluchowskiによって導出された古典的な方程式が使用される。[ 20 ]
表面ゼータ電位の決定におけるストリーミング電位法およびストリーミング電流法の応用例としては、ポリマー膜[ 21 ] 、生体材料および医療機器[ 22 ] [ 23 ]、鉱物[ 24 ]の表面電荷の特性評価などが挙げられる。
ゼータ電位を特徴づけるために広く用いられている電気音響効果は、コロイド振動電流と電気音振幅の2つである。これらの効果を利用して動的電気泳動移動度を測定する市販の機器があり、動的電気泳動移動度はゼータ電位に依存する。
電気音響法は、希釈せずにそのままの試料で測定できるという利点があります。公表され、十分に検証された理論によれば、体積分率50%までの測定が可能です。動的電気泳動移動度からゼータ電位を計算するには、粒子と液体の密度に関する情報が必要です。さらに、約300 nmを超える大きな粒子については、粒子サイズに関する情報も必要となります。
実験データからゼータ電位を計算するための最もよく知られ、広く使用されている理論は、1903年にマリアン・スモルコフスキーによって開発されたものです。 [ 25 ]スモルコフスキーの理論は、あらゆる形状と濃度の分散粒子に有効であるため強力です。しかし、限界もあります。
20世紀には、より広い適用範囲を持つ電気泳動および電気音響理論の開発が多くの研究の目的であった。表面伝導率を取り入れ、電気泳動および電気音響の両方の応用において、ドゥキン数が小さいという制約を解消する解析理論がいくつか存在する。
その方向での初期の先駆的な研究は、オーバービーク[ 26 ]とブース[ 27 ]に遡る。
現代の厳密な電気運動理論は、あらゆるゼータ電位、そして多くの場合あらゆるこれらの理論は、主にソビエト・ウクライナ（Dukhin、Shilov 他）とオーストラリア（O'Brien、White、Hunter 他）の学派に由来する。歴史的には、最初の理論は Dukhin–Semenikhin 理論である。[ 28 ]同様の理論は 10 年後に O'Brien と Hunter によって作成された。 [ 29 ]薄い二重層を仮定すると、これらの理論は O'Brien と White によって提供された数値解に非常に近い結果をもたらす。[ 30 ] また、デバイ長と Dukhin 数の任意の値に対して有効な一般的な電気音響理論もある。[ 15 ]
κaが、単純な解析モデルが利用可能な大きな値と、数値計算が有効な小さな値の間にある場合、ゼータ電位が低いときはヘンリーの式を使用できます。非導電性の球の場合、ヘンリーの式は次のようになります。ここで、f 1はヘンリー関数であり、κa が無限大に近づくにつれて 1.0 から 1.5 まで滑らかに変化する関数群の 1 つです。[ 16 ]
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