ศักย์ซีตาคือศักย์ไฟฟ้า ณ ระนาบการลื่นไถล ระนาบนี้คือส่วนต่อประสานที่แยกของเหลวที่เคลื่อนที่ได้ออกจากของเหลวที่ยังคงยึดติดอยู่กับพื้นผิว

ศักย์ซีตา (Zeta potential) เป็นคำศัพท์ทางวิทยาศาสตร์สำหรับศักย์ไฟฟ้า จลน์ ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}ในสารแขวนลอยคอลลอยด์ใน วรรณกรรม เคมีคอลลอยด์มักจะใช้ตัวอักษรกรีกซีตา (ζ) แทน ดังนั้นจึง เรียก ว่า ศักย์ซีตาหน่วยที่ใช้โดยทั่วไปคือโวลต์ (V) หรือที่พบได้บ่อยกว่าคือมิลลิโวลต์ (mV) จากมุมมองทางทฤษฎี ศักย์ซีตาคือศักย์ไฟฟ้าในชั้นคู่ (DL) ที่ส่วนต่อประสาน ณ ตำแหน่งของระนาบการลื่นไถลเมื่อเทียบกับจุดในของเหลวส่วนใหญ่ที่อยู่ห่างจากส่วนต่อประสาน กล่าวอีกนัยหนึ่ง ศักย์ซีตาคือความแตกต่างของศักย์ระหว่างตัวกลางการกระจายตัวและชั้นของเหลวคงที่ที่ติดอยู่กับ อนุภาค ที่ กระจายตัว

ศักย์ซีตาเกิดจากประจุไฟฟ้า สุทธิ ที่บรรจุอยู่ในบริเวณที่ล้อมรอบด้วยระนาบการเลื่อน และยังขึ้นอยู่กับตำแหน่งของระนาบ นั้นด้วย ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการหาปริมาณของขนาดของประจุ อย่างไรก็ตาม ศักย์ซีตาไม่เท่ากับศักย์สเติร์นหรือศักย์ไฟฟ้าพื้นผิวในชั้นคู่^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}เนื่องจากสิ่งเหล่านี้ถูกกำหนดที่ตำแหน่งที่แตกต่างกัน ควรใช้ข้อสมมติฐานเรื่องความเท่าเทียมกันดังกล่าวด้วยความระมัดระวัง ถึงกระนั้น ศักย์ซีตาก็มักจะเป็นวิธีเดียวที่มีอยู่สำหรับการกำหนดลักษณะของคุณสมบัติของชั้นคู่

ศักย์ซีตาเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญและวัดได้ง่ายของความเสถียรของการกระจายตัวของคอลลอยด์ ขนาดของศักย์ซีตาบ่งบอกถึงระดับของการผลักกันทางไฟฟ้าสถิตระหว่างอนุภาคที่อยู่ติดกันซึ่งมีประจุคล้ายกันในการกระจายตัว สำหรับโมเลกุลและอนุภาคที่มีขนาดเล็กพอ ศักย์ซีตาที่สูงจะให้ความเสถียร กล่าวคือ สารละลายหรือการกระจายตัวจะต้านทานการรวมตัวกัน เมื่อศักย์มีขนาดเล็ก แรงดึงดูดอาจเกินกว่าแรงผลักนี้ และการกระจายตัวอาจแตกตัวและเกิดการตกตะกอนดังนั้น คอลลอยด์ที่มีศักย์ซีตาสูง (ลบหรือบวก) จะมีความเสถียรทางไฟฟ้า ในขณะที่คอลลอยด์ที่มีศักย์ซีตาต่ำมีแนวโน้มที่จะจับตัวเป็นก้อนหรือตกตะกอนดังที่แสดงในตาราง^{[ 7 ]}

ศักย์ซีตายังสามารถใช้สำหรับ การประมาณค่า pKaของพอลิเมอร์ที่ซับซ้อนซึ่งยากต่อการวัดอย่างแม่นยำโดยใช้วิธีการทั่วไปได้อีกด้วย ซึ่งสามารถช่วยในการศึกษาพฤติกรรมการแตกตัวเป็นไอออนของพอลิเมอร์สังเคราะห์และธรรมชาติชนิดต่างๆ ภายใต้สภาวะต่างๆ และสามารถช่วยสร้างเกณฑ์ pH การละลายมาตรฐานสำหรับพอลิเมอร์ที่ตอบสนองต่อ pH ได้^{[ 8 ]}

มีหลายวิธีในการวัดศักย์ซีตาที่อธิบายไว้ในมาตรฐาน ISO ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}เอกสารเหล่านี้มีคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับขั้นตอนการวัดการเคลื่อนที่ด้วยไฟฟ้าและการเคลื่อนที่ด้วยไฟฟ้าแบบไดนามิกซึ่งทำหน้าที่เป็นข้อมูลดิบจากการทดลองเพื่อคำนวณศักย์ซีตาต่อไป นอกจากนี้ยังรวมถึงภาพรวมทั่วไปของแบบจำลองทางทฤษฎีที่จำเป็นสำหรับการคำนวณศักย์ซีตาจากข้อมูลดิบที่วัดได้

อิเล็กโทรโฟเรซิสใช้สำหรับการประมาณค่าศักย์ซีตาของอนุภาคในขณะที่ศักย์/กระแสการไหลใช้สำหรับ วัสดุ ที่มีรูพรุนและพื้นผิวเรียบ ในทางปฏิบัติ ศักย์ซีตาของสารละลายจะถูกวัดโดยการใช้สนามไฟฟ้าคร่อมสารละลาย อนุภาคภายในสารละลายที่มีศักย์ซีตาจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้าที่มีประจุตรงข้ามด้วยความเร็วที่แปรผันตรงกับขนาดของศักย์ซีตา

ความเร็วนี้วัดโดยใช้เทคนิคของเครื่องวัดความเร็วลมแบบเลเซอร์ดอปเปลอร์การเปลี่ยนแปลงความถี่หรือการเปลี่ยนแปลงเฟสของลำแสงเลเซอร์ตกกระทบที่เกิดจากอนุภาคที่เคลื่อนที่เหล่านี้จะถูกวัดเป็นค่าการเคลื่อนที่ของอนุภาค และค่าการเคลื่อนที่นี้จะถูกแปลงเป็นค่าศักย์ซีตาโดยการป้อนค่าความหนืดของสารกระจายตัวและค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและการประยุกต์ใช้ทฤษฎีของ Smoluchowski ^{[ 14 ]}

การเคลื่อนที่ด้วยอิเล็กโทรโฟเรซิสเป็นสัดส่วนกับความเร็วอิเล็กโทรโฟเรซิส ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ที่วัดได้ มีทฤษฎีหลายทฤษฎีที่เชื่อมโยงการเคลื่อนที่ด้วยอิเล็กโทรโฟเรซิสกับศักย์ซีตา มีการอธิบายโดยย่อในบทความเกี่ยวกับอิเล็กโทรโฟเรซิสและโดยละเอียดในหนังสือหลายเล่มเกี่ยวกับคอลลอยด์และวิทยาศาสตร์พื้นผิว ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 15 ]}มีรายงานทางเทคนิคของ IUPAC ^{[ 16 ]}ที่จัดทำโดยกลุ่มผู้เชี่ยวชาญระดับโลกเกี่ยวกับปรากฏการณ์อิเล็กโทรไคเนติก จากมุมมองของเครื่องมือ มีเทคนิคการทดลองที่แตกต่างกันสามวิธี ได้แก่ไมโครอิเล็กโทรโฟเรซิสการกระเจิงแสงอิเล็กโทรโฟเรซิสและ การตรวจจับพัลส์ความต้านทานที่ปรับได้ ไมโคร อิเล็กโทรโฟเรซิสมีข้อดีคือให้ภาพของอนุภาคที่เคลื่อนที่ ในทางกลับกัน มันมีความซับซ้อนเนื่องจากอิเล็กโทรออสโมซิสที่ผนังของเซลล์ตัวอย่าง การกระเจิงแสงอิเล็กโทรโฟเรซิสขึ้นอยู่กับการกระเจิงแสงแบบไดนามิกช่วยให้สามารถวัดในเซลล์เปิดซึ่งขจัดปัญหาการไหลของอิเล็กโทรออสโมซิส ยกเว้นในกรณีของเซลล์แคปิลลารี และสามารถใช้เพื่อระบุลักษณะของอนุภาคขนาดเล็กมากได้ แต่ต้องแลกมาด้วยการสูญเสียความสามารถในการแสดงภาพของอนุภาคที่เคลื่อนที่การตรวจจับพัลส์ความต้านทานที่ปรับได้ (TRPS) เป็นเทคนิคการวัดแบบอิงอิมพีแดนซ์ที่วัดศักย์ซีตาของอนุภาคแต่ละตัวโดยอาศัยระยะเวลาของสัญญาณพัลส์ความต้านทาน^{[ 17 ]}ระยะเวลาการเคลื่อนย้ายของอนุภาคนาโนจะถูกวัดเป็นฟังก์ชันของแรงดันไฟฟ้าและแรงดันที่ใช้ จากเวลาการเคลื่อนย้ายผกผันเทียบกับแรงดันไฟฟ้า จะคำนวณค่าการเคลื่อนที่แบบอิเล็กโทรโฟเรติกที่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า และด้วยเหตุนี้จึงสามารถคำนวณศักย์ซีตาได้ ข้อได้เปรียบหลักของวิธี TRPS คือช่วยให้สามารถวัดขนาดและประจุพื้นผิว พร้อมกันได้ แบบอนุภาคต่ออนุภาค ทำให้สามารถวิเคราะห์อนุภาคนาโน/ไมโครสังเคราะห์และชีวภาพหลากหลายชนิดและส่วนผสมของพวกมันได้^{[ 18 ]}

เทคนิคการวัดทั้งหมดเหล่านี้อาจต้องมีการเจือจางตัวอย่าง บางครั้งการเจือจางนี้อาจส่งผลต่อคุณสมบัติของตัวอย่างและเปลี่ยนแปลงศักย์ซีตา มีเพียงวิธีเดียวที่เหมาะสมในการเจือจางนี้ คือ การใช้สารละลายส่วนบนที่อยู่ใน สภาวะสมดุล ในกรณีนี้ สภาวะสมดุลระหว่างพื้นผิวและของเหลวส่วนใหญ่จะคงอยู่ และศักย์ซีตาจะเท่ากันสำหรับอนุภาคทุกส่วนในสารแขวนลอย เมื่อทราบสารเจือจาง (เช่นเดียวกับสูตรทางเคมี) สามารถเตรียมสารเจือจางเพิ่มเติมได้ หากไม่ทราบสารเจือจาง สามารถหาสารละลายส่วนบนที่อยู่ในสภาวะสมดุลได้ง่ายๆ โดย การ ปั่น เหวี่ยง

ศักย์การไหลคือศักย์ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างการไหลของของเหลวผ่านท่อแคปิลลารี ในธรรมชาติ ศักย์การไหลอาจเกิดขึ้นในระดับที่สำคัญในพื้นที่ที่มีกิจกรรมภูเขาไฟ^{[ 19 ]}ศักย์การไหลยังเป็นปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าจลน์หลักสำหรับการประเมินศักย์ซีตาที่ส่วนต่อประสานระหว่างวัสดุแข็งกับน้ำ ตัวอย่างของแข็งที่สอดคล้องกันจะถูกจัดเรียงในลักษณะที่ก่อให้เกิดช่องทางการไหลแบบแคปิลลารี วัสดุที่มีพื้นผิวเรียบจะถูกติดตั้งเป็นตัวอย่างซ้ำที่จัดเรียงเป็นแผ่นขนาน พื้นผิวของตัวอย่างจะถูกแยกออกจากกันด้วยระยะทางเล็กน้อยเพื่อสร้างช่องทางการไหลแบบแคปิลลารี วัสดุที่มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอ เช่น เส้นใยหรือสื่อที่เป็นเม็ด จะถูกติดตั้งเป็นปลั๊กที่มีรูพรุนเพื่อให้เกิดเครือข่ายรูพรุน ซึ่งทำหน้าที่เป็นแคปิลลารีสำหรับการวัดศักย์การไหล เมื่อใช้แรงดันกับสารละลายทดสอบ ของเหลวจะเริ่มไหลและสร้างศักย์ไฟฟ้า ศักยภาพการไหลนี้มีความสัมพันธ์กับความแตกต่างของความดันระหว่างปลายของช่องทางการไหลเดี่ยว (สำหรับตัวอย่างที่มีพื้นผิวเรียบ) หรือปลั๊กที่มีรูพรุน (สำหรับเส้นใยและวัสดุที่เป็นเม็ด) เพื่อคำนวณศักยภาพซีตาของพื้นผิว

นอกเหนือจากศักยภาพการสตรีมแล้ว การวัดกระแสสตรีมยังเป็นอีกแนวทางหนึ่งในการหาศักยภาพซีตาของพื้นผิว โดยทั่วไปแล้ว สมการคลาสสิกที่พัฒนาโดยMaryan Smoluchowskiจะถูกใช้เพื่อแปลงผลลัพธ์ของศักยภาพการสตรีมหรือกระแสสตรีมให้เป็นศักยภาพซีตาของพื้นผิว^{[ 20 ]}

การประยุกต์ใช้ศักยภาพการสตรีมและกระแสการสตรีมเพื่อกำหนดศักยภาพซีตาของพื้นผิวประกอบด้วยการกำหนดลักษณะประจุพื้นผิวของเยื่อพอลิเมอร์^{[ 21 ]}วัสดุชีวภาพและอุปกรณ์ทางการแพทย์^{[ 22 ] [ 23 ]}และแร่ธาตุ^{[ 24 ]}

มีปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและเสียงสองอย่างที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการหาค่าศักย์ซีตา ได้แก่กระแสการสั่นสะเทือนของคอลลอยด์และแอมพลิจูดเสียงไฟฟ้ามีเครื่องมือเชิงพาณิชย์ที่ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์เหล่านี้ในการวัดการเคลื่อนที่แบบไดนามิกด้วยไฟฟ้า ซึ่งขึ้นอยู่กับศักย์ซีตา

เทคนิคทางอิเล็กโทรอะคูสติกมีข้อดีคือสามารถทำการวัดในตัวอย่างที่สมบูรณ์โดยไม่ต้องเจือจาง ทฤษฎีที่ได้รับการตีพิมพ์และตรวจสอบอย่างดีแล้วนั้นอนุญาตให้ทำการวัดได้ที่ความเข้มข้นปริมาตรสูงสุดถึง 50% การคำนวณศักย์ซีตาจากความคล่องตัวทางอิเล็กโทรโฟเรติกแบบไดนามิกนั้นจำเป็นต้องใช้ข้อมูลเกี่ยวกับความหนาแน่นของอนุภาคและของเหลว นอกจากนี้ สำหรับอนุภาคขนาดใหญ่ที่มีขนาดเกินประมาณ 300 นาโนเมตร ยังจำเป็นต้องมีข้อมูลเกี่ยวกับขนาดของอนุภาคด้วย

ทฤษฎีที่เป็นที่รู้จักและใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับการคำนวณศักย์ซีตาจากข้อมูลการทดลองคือทฤษฎีที่พัฒนาโดยMarian Smoluchowskiในปี พ.ศ. 2446 ^{[ 25 ]}ทฤษฎีของ Smoluchowski มีประสิทธิภาพเพราะใช้ได้กับอนุภาคที่กระจายตัวทุกรูปทรงและความเข้มข้นอย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้ก็มีข้อจำกัดอยู่บ้าง:

• การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีอย่างละเอียดพิสูจน์แล้วว่า ทฤษฎีของ Smoluchowski ใช้ได้เฉพาะกับชั้นคู่ที่บางเพียงพอเท่านั้น เมื่อความยาวเดบาย (Debye length ) , , มีค่าน้อยกว่ารัศมีอนุภาค (particle radius) มาก${\displaystyle 1/\kappa }$${\displaystyle a}$

${\displaystyle {\kappa }\cdot a\gg 1}$

แบบจำลอง "ชั้นคู่บาง" ช่วยลดความซับซ้อนลงอย่างมาก ไม่เพียงแต่ในทฤษฎีอิเล็กโทรโฟเรซิสเท่านั้น แต่ยังรวมถึงทฤษฎีอิเล็กโทรไคเนติกและอิเล็กโทรอะคูสติกอื่นๆ อีกมากมาย แบบจำลองนี้ใช้ได้กับ ระบบ น้ำ ส่วนใหญ่ เนื่องจากความยาวเดบายโดยทั่วไปมีเพียงไม่กี่นาโนเมตรในน้ำ แบบจำลองนี้ใช้ไม่ได้เฉพาะกับนาโนคอลลอยด์ในสารละลายที่มีความเข้มข้นของไอออนใกล้เคียงกับน้ำบริสุทธิ์ เท่านั้น

• ทฤษฎีของ Smoluchowski ละเลยผลกระทบของการนำไฟฟ้าบนพื้นผิวซึ่งในทฤษฎีสมัยใหม่แสดงออกมาในรูปของเงื่อนไขของเลข Dukhin ที่ มีค่าน้อย :

${\displaystyle Du\ll 1}$

การพัฒนาทฤษฎีอิเล็กโทรโฟเรติกและอิเล็กโทรอะคูสติกที่มีขอบเขตความถูกต้องกว้างขึ้นเป็นเป้าหมายของการศึกษาจำนวนมากในช่วงศตวรรษที่ 20 มีทฤษฎีวิเคราะห์หลายทฤษฎีที่รวมเอาค่าการนำไฟฟ้าของพื้นผิว เข้ามาใช้ และขจัดข้อจำกัดของค่า Dukhin number ที่มีขนาดเล็กสำหรับทั้งการประยุกต์ใช้ทางอิเล็กโทรไคเนติกและอิเล็กโทรอะคูสติก

งานบุกเบิกในช่วงแรกในทิศทางนั้นย้อนกลับไปถึง Overbeek ^{[ 26 ]}และ Booth ^{[ 27 ]}

ทฤษฎีอิเล็กโทรไคเนติกที่ทันสมัยและเข้มงวดซึ่งใช้ได้กับศักย์ซีตาใดๆ และบ่อยครั้งใช้ได้กับค่าใดๆ ก็ตาม ส่วนใหญ่มาจากสำนักคิดโซเวียตยูเครน (Dukhin, Shilov และอื่นๆ) และออสเตรเลีย (O'Brien, White, Hunter และอื่นๆ) ในทางประวัติศาสตร์ ทฤษฎีแรกคือทฤษฎี Dukhin–Semenikhin ^{[ 28 ]}ทฤษฎีที่คล้ายกันถูกสร้างขึ้นสิบปีต่อมาโดย O'Brien และ Hunter ^{[ 29 ]}หากสมมติว่ามีชั้นคู่บางๆ ทฤษฎีเหล่านี้จะให้ผลลัพธ์ที่ใกล้เคียงกับวิธีแก้ปัญหาเชิงตัวเลขที่ O'Brien และ White ให้ไว้^{[ 30 ]} นอกจากนี้ยังมีทฤษฎีอิเล็กโทรอะคูสติกทั่วไปที่ใช้ได้กับค่าความยาว Debye และเลข Dukhin ใดๆ^{[ 15 ]}${\displaystyle \kappa a}$

เมื่อ κa อยู่ระหว่างค่ามากซึ่งมีแบบจำลองเชิงวิเคราะห์แบบง่าย และค่าน้อยซึ่งการคำนวณเชิงตัวเลขใช้ได้ สมการของเฮนรีสามารถใช้ได้เมื่อศักย์ซีตาต่ำ สำหรับทรงกลมที่ไม่นำไฟฟ้า สมการของเฮนรีคือโดยที่f ₁คือฟังก์ชันเฮนรี ซึ่งเป็นหนึ่งในชุดฟังก์ชันที่เปลี่ยนแปลงอย่างราบรื่นจาก 1.0 ถึง 1.5 เมื่อ κa เข้าใกล้ค่าอนันต์^{[ 16 ]}${\displaystyle u_{e}={\frac {2\varepsilon _{rs}\varepsilon _{0}}{3\eta }}\zeta f_{1}(\คัปปา a)}$