Der Zeta-Potenzial Analysator ZPA 20 verwendet die patentierte Methode der bidirektionalen, oszillierenden Strömungspotenzial- und Strömungsstromanalyse (Bild: DataPhysics Instruments)
14.11.2022 Patentiertes Messverfahren für schnelle und genaue Zeta-Potenzial-Messungen
Das Leibniz-Institut für Polymerforschung in Dresden hat die Messergebnisse des Zeta-Potenzial Analysators ZPA 20 von DataPhysics Instruments validiert. Das bidirektionale, oszillierende Messverfahren des Systems ermöglicht statistisch hochwertige Datensätze in kürzester Messzeit.
Das Zeta-Potenzial ist eine messbare Größe, welche die Ladungssituation an einer Festkörperoberfläche in Lösung charakterisiert. Es wird an der Grenze zwischen der an der Festkörperoberfläche fest adsorbierten Ionenschicht und der Lösung gemessen. Es liefert Informationen über diese chemischen Vorgänge und Ladungsbildungsprozesse. So kann es etwa zur Vorhersage von Wechselwirkungen, wie der Adhäsion zwischen verschiedenen Oberflächen, genutzt werden. Zeta-Potenzial-Messungen sind in einer Vielzahl von Anwendungen wichtig, etwa bei der Untersuchung von Brennstoffzellenmembranen, bei Fouling-Prozessen von Filtern und beim Bakterienwachstum auf Lebensmittelverpackungen. Je nach Größe und Form der Proben kann das Zeta-Potenzial mit verschiedenen Messverfahren bestimmt werden. Für kleine Partikel im Nanometer- bis unteren Mikrometerbereich werden häufig elektrophoretische Verfahren eingesetzt. Für größere Proben im Millimeter- und Zentimeterbereich hat sich die Analyse des Strömungspotenzials oder des Strömungsstroms als vorteilhaft erwiesen. Der Zeta-Potenzial Analysator ZPA 20 verwendet ein patentiertes Messverfahren, das auf einer solchen Analyse basiert. Es eignet sich daher besonders für die Untersuchung von Proben im makroskopischen Bereich. Das Gerät kann mit der MC-ZPA/S, einer Messzelle für Feststoffe wie Platten, Membranen oder Folien, und der MC-ZPA/PF, einer Messzelle für Fasern, Pulver und Granulate, ausgestattet werden.
Die Strömungspotenzial- und Strömungsstromanalyse zur Untersuchung des Zeta-Potentials funktioniert wie folgt: Eine Elektrolytlösung wird durch eine Messzelle gepumpt, in der sich das Probenmaterial befindet. Konkret wird sie zwischen zwei festen Proben oder durch Faser- oder Pulverpackungen geleitet. Die Elektrolytlösung trennt dabei Ionen ab, die sich nahe der Oberfläche gesammelt haben, und nimmt sie mit. Dadurch entsteht eine Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden, die sich auf beiden Seiten der Probe befinden. Diese Differenz wird, je nach Probengeometrie, als Strömungspotenzial oder als Strömungsstrom gemessen. Diese Werte ermöglichen zusammen mit dem Druckunterschied vor und hinter der Messzelle die Berechnung des Zeta-Potenzials.
Beim Zeta-Potenzial Analysator ZPA 20 wird die Elektrolytlösung nicht nur in eine Richtung, sondern abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen über oder durch die Probe gepumpt. Zusätzlich ändert sich in wiederholten Zyklen die Durchflussmenge der Elektrolytflüssigkeit, was zu Druckveränderungen führt. Der Analysator zeichnet so bis zu 100 Druckwerte zusammen mit dem entsprechenden Strömungspotenzial oder Strömungsstrom in einer Sekunde auf. So werden in kurzer Zeit Ergebnisse mit hervorragender statistischer Qualität erzeugt. Die Analysesoftware kann problemlos große Datenmengen verarbeiten und auswerten. Dieses patentierte Messverfahren spart nicht nur Zeit bei den Messungen, sondern hilft auch, Fehlerquellen zu reduzieren. Die oszillierende Messung erzeugt sowohl positive als auch negative Druckdifferenzen und damit positive und negative Werte des Strömungspotenzials oder -stroms. Dies kann die Polarisierung der Geräteelektroden verhindern. Außerdem kann die bidirektionale Strömung Asymmetrien der Probenoberfläche sichtbar machen, wie etwa inhomogene Faser- oder Pulverpackungen oder unzureichend fixierte Proben. Durch die oszillierende, bidirektionale Strömung des Elektrolyten können solche Fehlerquellen erkannt und vermieden werden.
Bei der Entwicklung des Zeta-Potenzial Analysators ZPA 20 wurde darauf geachtet, dass alle Oberflächen leicht zu reinigen sind, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden. Dieser Aspekt ist besonders wichtig, um genaue, zeit- und pH-abhängige Zeta-Potenzial-Messungen durchzuführen. Zusätzlich kann das System mit optionalen Modulen erweitert werden. Mit dem Flüssigkeitsdosiersystem LDU 25 kann z.B. die Elektrolytzusammensetzung automatisch verändert werden. Damit lassen sich der isoelektrische Punkt oder die Adsorption von Tensiden schnell und genau bestimmen.
