Potencial Zeta

Descrição

Zetasizer Nano Series ZS modelo ZEN3600 do fabricante Malvern Instruments and PANalytical (Egham, Surrey, United Kingdom) é um equipamento multifuncional que apresenta capacidade de medir três parâmetros principais: tamanho de partícula, massa molar e Potencial Zeta. O sistema permite medidas de diferentes concentrações de amostras em um meio líquido e em um intervalo de temperatura entre 0°C e 120°C. Conforme os acessórios e opções do equipamento, também é possível verificar parâmetros como titulação, pH e medidas de tendência como ponto de agregação. Os dados são visualizados por meio do software Zeta Sizer Nano v. 3.30.

Técnica

O Potencial Zeta (\(\zeta\)) pode ser descrito como o potencial elétrico no plano hidrodinâmico de cisalhamento entre a partícula em fluxo e o solvente. Classicamente é determinado através de medidas eletrocinéticas, experimentos em que a relação entre a corrente ou voltagem e o fluxo relativo das fases em dispersão coloidal ou suspensão são medidos. O potencial \(\zeta\) é determinado pelo potencial da superfície das partículas e pela dupla camada elétrica formada por contra-íons e íons, que formam a camada de Stern, contra-íons fortemente ligados à superfície da partícula, e parte da camada difusa. A distribuição de íons na camada difusa é dependente da concentração do eletrólito, da carga formal dos íons e do solvente, e assim, o potencial \(\zeta\) deve-se à contribuições da partícula e do solvente em que a partícula foi inserida.

FIGURA 1 – Ilustração da dupla camada elétrica resultante da interação da superfície de uma partícula x líquido disperso. FONTE: Zetasizer Nano User Manual (2013).

No Zetasizer Nano o Potencial Zeta é analisado por meio da combinação de técnicas de laser Doppler eletroforética (laser Doppler electrophoresis – LDE), velocimetria de Laser Doppler (laser Doppler velocimetry – LDV) e análise de fase de espalhamento de luz (phase analysis light scattering – PALS). Esse método mede opticamente a velocidade de movimento da partícula carregada em um líquido quando um campo elétrico é aplicado. A aplicação de campo elétrico na amostra resulta na atração das partículas carregadas dispersas no eletrólito para o eletrodo de carga oposta. A resistência à migração das partículas está associada à viscosidade do meio e tende a se opor à movimentação induzida pelo campo elétrico. Quando o equilíbrio é alcançado as partículas movem-se em velocidade constante.

FIGURA 2 – Esquema das principais características do aparato para laser Doppler eletroforético. FONTE: Cosgrove (2010).

Para cálculo do Potencial Zeta, em conjunto aos dados da velocidade da partícula e campo elétrico aplicado, são utilizadas duas constantes conhecidas da amostra: viscosidade e constante dielétrica, conforme equação de Henry (abaixo):

\[U_E = \frac{2 \; \epsilon \; \zeta \; f(ka)}{3 \eta} \]

Onde:

\( \zeta \): Potencial zeta
\( U_E \): Mobilidade eletroforética
\( \epsilon \): constante dielétrica
\( \eta \): Viscosidade
\( f(ka) \): Função de Henry

O valor de \( f \; (ka) \) geralmente é aproximado em 1,0 a 1,5. Determinações eletroforéticas de potencial zeta são usualmente realizados em meios aquosos e concentração moderada de eletrólitos, nesse caso o valor é aproximado em 1,5 de acordo com a aproximação de Smoluchowski.

O equipamento opera com a mínima interação do usuário apresentando repetibilidade, reprodutibilidade e precisão nas medidas. As concentrações para preparo de amostras são recomendadas conforme o diâmetro esperado de partícula, o intervalo permitido para detecção de potencial zeta em amostras está entre 3,8 nm até 100 μm de diâmetro.

Aplicação

O potencial zeta de uma amostra pode determinar o comportamento de partículas em um líquido e a tendência em agregação e/ou floculação. É usualmente aplicado em análise e caracterização de materiais como moléculas e partículas, incluindo nanopartículas, micelas, proteínas, polímeros, emulsões e vesículas, argilominerais, sílica e pigmentos.

Como vantagens, a técnica de Potencial Zeta por mobilidade eletroforética permite determinação de tamanho e agregação de proteínas, análise de emulsões e vesículas no ambiente nativo da amostra, sem alteração ou destruição destes sistemas, permitindo a previsão da estabilidade de emulsões em ambientes alvo. Além disso, outra possibilidade de aplicação se baseia em verificação de tamanho de partículas e potencial zeta em pigmentos para desenvolvimento de formulações, influenciáveis pelo tamanho e interações eletrostáticas, as quais impactam em propriedades relacionadas a colorimetria, adesão e estabilidade de sistemas.

LEGENDA: 1 – Laser, 2 – Célula, 3 – Detector, 4 – Processador de sinal digital, 5 – Computador, 6 – Atenuador, 7 – Compensador óptico, A- Incidente, B – Trave de referência, C – Feixe de espalhamento FIGURA 5 – Esquema de funcionamento para análises de potencial zeta do equipamento Zetasizer Nano Series ZS FONTE: Zetasizer Nano User Manual (2013). — FIGURA 4 – Esquema de funcionamento para análises de potencial zeta do equipamento Zetasizer Nano Series ZS. FONTE: Zetasizer Nano User Manual (2013). LEGENDA: 1 – Laser, 2 – Célula, 3 – Detector, 4 – Processador de sinal digital, 5 – Computador, 6 – Atenuador, 7 – Compensador óptico, A- Incidente, B – Trave de referência, C – Feixe de espalhamento

Autores

Priscila Gritten Sieben

Revisado por: Rilton Alves de Freitas

Termo de responsabilidade para o uso dos equipamentos do laboratório

Referências

Cosgrove, T. Colloid Science: principles, methods and applications. 2nd ed. John Wiley & Sons Ltd, 2010.

Zetasizer Nano User Manual (2013). MAN0485 Issue 1.1 April 2013.