Potensial zetaDiagram yang menunjukkan konsentrasi ionik dan beda potensial sebagai fungsi jarak dari permukaan bermuatan partikel yang tersuspensi dalam medium dispersi
Potensial zeta adalah potensial listrik pada bidang geser. Bidang ini merupakan antarmuka yang memisahkan fluida bergerak dari fluida yang tetap menempel pada permukaan.[1]
Potensial zeta adalah istilah ilmiah untuk potensial elektrokinetik[2][3] dalam dispersikoloid. Dalam literatur kimia koloid, biasanya dilambangkan dengan huruf Yunani zeta (ζ), sehingga disebut potensial ζ. Satuan yang umum adalah volt (V), atau (lebih umum) milivolt (mV). Dari sudut pandang teoretis, potensial zeta adalah potensial listrik pada lapisan ganda antarmuka (DL) di lokasi bidang geser relatif terhadap suatu titik dalam fluida massal yang jauh dari antarmuka. Dengan kata lain, potensial zeta adalah perbedaan potensial antara medium dispersi dan lapisan fluida stasioner yang melekat pada partikel terdispersi.
Potensial zeta disebabkan oleh muatan listrik bersih yang terkandung dalam wilayah yang dibatasi oleh bidang geser, dan juga bergantung pada lokasi bidang tersebut. Dengan demikian, potensial zeta banyak digunakan untuk kuantifikasi besarnya muatan. Namun, potensial zeta tidak sama dengan potensial Stern atau potensial permukaan listrik dalam lapisan ganda,[4][5][6][7] karena keduanya didefinisikan di lokasi yang berbeda. Asumsi kesetaraan tersebut harus diterapkan dengan hati-hati. Namun demikian, potensial zeta seringkali merupakan satu-satunya jalur yang tersedia untuk karakterisasi sifat lapisan ganda.
Potensial zeta merupakan indikator penting dan mudah diukur dari stabilitas dispersi koloid. Besarnya potensial zeta menunjukkan derajat tolakan elektrostatika antara partikel-partikel yang berdekatan dan bermuatan serupa dalam suatu dispersi. Untuk molekul dan partikel yang cukup kecil, potensi zeta yang tinggi akan memberikan stabilitas, yaitu larutan atau dispersi akan menahan agregasi. Ketika potensinya kecil, gaya tarik dapat melebihi tolakan ini dan dispersi dapat pecah dan mengalami flokulasi. Jadi koloid dengan potensial zeta tinggi (negatif atau positif) distabilkan secara elektrik, sementara koloid dengan potensial zeta rendah cenderung mengalami koagulasi atau flokulasi seperti yang diuraikan dalam tabel.[8]
[A] ionisasi bergantung pH dari asam lemah [HA] dan basa terkonjugasinya [A-] digambar menggunakan persamaan Henderson-Hasselbalch; [B] Ionisasi dan kelarutan polimer yang responsif terhadap pH sebagai fungsi pH; [C] Skema yang menunjukkan perbedaan potensial sebagai fungsi jarak dari permukaan bermuatan partikel dalam medium; [D] Mekanisme pelarutan polimer yang responsif terhadap pH direproduksi dengan izin dari. Angka yang dilingkari dalam [D] mewakili (1) Difusi air dan ion hidroksil ke dalam matriks polimer untuk membentuk lapisan gel, (2) Ionisasi rantai polimer dalam lapisan gel, (3) Pelepasan rantai polimer dari lapisan gel ke antarmuka polimer-larutan, (4) Ionisasi lebih lanjut rantai polimer pada antarmuka polimer, (5) Difusi rantai polimer yang terurai menjauh dari antarmuka menuju larutan massal.[9]
Potensial zeta juga dapat digunakan untuk estimasi pKa polimer kompleks yang sulit diukur secara akurat menggunakan metode konvensional. Hal ini dapat membantu mempelajari perilaku ionisasi berbagai polimer sintetis dan alami dalam berbagai kondisi dan dapat membantu dalam menetapkan ambang batas pH pelarutan standar untuk polimer responsif pH.[9]
Perilaku stabilitas koloid tergantung pada potensi zeta[10]
Besarnya potensi Zeta (mV)
Perilaku stabilitas
0 - 5
Koagulasi atau flokulasi cepat
10 - 30
Ketidakstabilan yang baru mulai terjadi
30 - 40
Stabilitas menengah
40 - 60
Stabilitas baik
>61
Stabilitas baik sekali
Pengukuran
Terdapat beberapa teknik instrumentasi baru yang memungkinkan pengukuran potensial zeta. Zeta Potential Analyzer dapat mengukur material padat, serat, atau bubuk. "Motor" yang terdapat pada instrumen menciptakan aliran larutan elektrolit yang berosilasi melalui sampel. Beberapa sensor pada instrumen memantau faktor-faktor lain, sehingga perangkat lunak yang terpasang dapat melakukan perhitungan untuk menemukan potensial zeta. Suhu, pH, konduktivitas, tekanan, dan potensial aliran semuanya diukur dalam instrumen untuk alasan ini.
Potensial zeta juga dapat dihitung menggunakan model teoretis, dan mobilitas elektroforesis atau mobilitas elektroforesis dinamis yang ditentukan secara eksperimental.
Fenomena elektrokinetik dan fenomena elektroakustik merupakan sumber data yang umum digunakan untuk perhitungan potensial zeta. (Lihat Titrasi potensial zeta.)
Elektroforesis digunakan untuk memperkirakan potensial zeta partikulat, sedangkan potensial/arus aliran digunakan untuk benda berpori dan permukaan datar. Dalam praktiknya, potensial zeta dispersi diukur dengan menerapkan medan listrik melintasi dispersi. Partikel dalam dispersi dengan potensial zeta akan bermigrasi menuju elektroda bermuatan berlawanan dengan kecepatan yang sebanding dengan besarnya potensial zeta.
Kecepatan ini diukur menggunakan teknik anemometerDoppler laser. Pergeseran frekuensi atau pergeseran fase dari sinar laser datang yang disebabkan oleh partikel-partikel yang bergerak ini diukur sebagai mobilitas partikel, dan mobilitas ini dikonversi menjadi potensial zeta dengan memasukkan kekentalan dispersan dan permitivitas dielektrik, serta penerapan teori Smoluchowski.[11]
Mobilitas elektroforesis sebanding dengan kecepatan elektroforesis, yang merupakan parameter yang dapat diukur. Ada beberapa teori yang menghubungkan mobilitas elektroforesis dengan potensial zeta. Teori-teori tersebut dijelaskan secara singkat dalam artikel tentang elektroforesis dan secara rinci dalam banyak buku tentang ilmu koloid dan antarmuka.[4][5][6][12] Terdapat Laporan Teknis IUPAC[13] yang disusun oleh sekelompok pakar dunia tentang fenomena elektrokinetik. Dari sudut pandang instrumental, ada tiga teknik eksperimen yang berbeda: mikroelektroforesis, hamburan cahaya elektroforesis, dan penginderaan pulsa resistif yang dapat disetel. Mikroelektroforesis memiliki keuntungan menghasilkan gambar partikel yang bergerak. Di sisi lain, hal itu rumit oleh elektro-osmosis pada dinding sel sampel. Hamburan cahaya elektroforesis didasarkan pada hamburan cahaya dinamis. Ini memungkinkan pengukuran dalam sel terbuka yang menghilangkan masalah aliran elektro-osmotik kecuali untuk kasus sel kapiler, dan itu dapat digunakan untuk mengkarakterisasi partikel yang sangat kecil, tetapi dengan harga hilangnya kemampuan untuk menampilkan gambar partikel yang bergerak. Penginderaan pulsa resistif yang dapat disetel (TRPS) adalah teknik pengukuran berbasis impedansi yang mengukur potensial zeta partikel individual berdasarkan durasi sinyal pulsa resistif.[14] Durasi translokasi nanopartikel diukur sebagai fungsi tegangan dan tekanan yang diberikan. Dari waktu translokasi terbalik versus mobilitas elektroforesis yang bergantung pada tegangan, dan dengan demikian potensial zeta dihitung. Keuntungan utama dari metode TRPS adalah memungkinkan pengukuran ukuran dan muatan permukaan secara simultan pada basis partikel per partikel, yang memungkinkan analisis spektrum luas nano/mikropartikel sintetis dan biologis dan campurannya.[15]
Semua teknik pengukuran ini mungkin memerlukan pengenceran sampel. Terkadang pengenceran ini dapat memengaruhi sifat sampel dan mengubah potensial zeta. Hanya ada satu cara yang dibenarkan untuk melakukan pengenceran ini, yakni dengan menggunakan supernatan kesetimbangan. Dalam hal ini, kesetimbangan antarmuka antara permukaan dan cairan massal akan dipertahankan dan potensi zeta akan sama untuk semua fraksi volume partikel dalam suspensi. Ketika pengencer diketahui (seperti halnya untuk formulasi kimia), pengencer tambahan dapat disiapkan. Jika pengencer tidak diketahui, supernatan kesetimbangan mudah diperoleh dengan sentrifugasi.
Potensial aliran adalah potensial listrik yang terbentuk selama aliran cairan melalui kapiler. Di alam, potensial aliran dapat terjadi pada besaran yang signifikan di daerah dengan aktivitas vulkanik.[16] Potensial aliran juga merupakan fenomena elektrokinetik utama untuk penilaian potensial zeta pada antarmuka material padat-air. Sampel padat yang sesuai disusun sedemikian rupa untuk membentuk saluran aliran kapiler. Material dengan permukaan datar dipasang sebagai sampel duplikat yang disejajarkan sebagai pelat paralel. Permukaan sampel dipisahkan oleh jarak kecil untuk membentuk saluran aliran kapiler. Material dengan bentuk tidak beraturan seperti serat atau media granular, dipasang sebagai sumbat berpori untuk menyediakan jaringan pori, yang berfungsi sebagai kapiler untuk pengukuran potensial aliran. Setelah tekanan diberikan pada larutan uji, cairan mulai mengalir dan menghasilkan potensial listrik. Potensial streaming ini berkaitan dengan gradien tekanan antara ujung-ujung saluran aliran tunggal (untuk sampel dengan permukaan datar) atau sumbat berpori (untuk serat dan media granular) untuk menghitung potensial zeta permukaan.
Sebagai alternatif dari potensial streaming, pengukuran arus streaming menawarkan pendekatan lain untuk potensial zeta permukaan. Persamaan klasik yang paling umum digunakan oleh Maryan Smoluchowski untuk mengubah hasil potensial streaming atau arus streaming menjadi potensial zeta permukaan.[17]
Aplikasi metode potensial streaming dan arus streaming untuk penentuan potensial zeta permukaan meliputi karakterisasi muatan permukaan membran polimer,[18] biomaterial dan perangkat medis,[19][20] serta mineral.[21]
Ada dua efek elektroakustik yang banyak digunakan untuk mengkarakterisasi potensial zeta: arus getaran koloid dan amplitudo sonik elektrik.[6]
Perhitungan
Teori yang paling dikenal dan banyak digunakan untuk menghitung potensial zeta dari data eksperimen adalah teori yang dikembangkan oleh Marian Smoluchowski pada tahun 1903.[22] Teori ini awalnya dikembangkan untuk elektroforesis, namun perluasannya ke elektroakustik kini juga tersedia.[6] Teori Smoluchowski sangat kuat karena valid untuk partikel terdispersi dalam bentuk dan konsentrasi apa pun. Namun, teori ini memiliki keterbatasan:
Analisis teoretis yang terperinci membuktikan bahwa teori Smoluchowski hanya valid untuk lapisan ganda yang cukup tipis, ketika panjang Debye, , jauh lebih kecil daripada jari-jari partikel, :
"lapisan ganda tipis" menawarkan penyederhanaan yang luar biasa tidak hanya untuk teori elektroforesis tetapi juga untuk banyak teori elektrokinetik dan elektroakustik lainnya. Model ini valid untuk sebagian besar sistem berair karena panjang Debye biasanya hanya beberapa nanometer dalam air. Model ini hanya berlaku untuk nano-koloid dalam larutan dengan kekuatan ionik mendekati air murni.
Teori Smoluchowski mengabaikan kontribusi konduktivitas permukaan. Hal ini dinyatakan dalam teori modern sebagai kondisi bilangan Dukhin kecil:
Pengembangan teori elektroforesis dan elektroakustik dengan rentang validitas yang lebih luas merupakan tujuan dari banyak penelitian selama abad ke-20. Ada beberapa teori analitis yang menggabungkan konduktivitas permukaan dan menghilangkan batasan bilangan Dukhin kecil untuk aplikasi elektrokinetik dan elektroakustik.
Karya perintis awal dalam arah itu berasal dari Overbeek[23] dan Booth.[24]
Teori elektrokinetik modern dan ketat yang valid untuk setiap potensial zeta, dan seringkali setiap , sebagian besar berasal dari mazhab Soviet-Ukraina (Dukhin, Shilov, dan lainnya) dan Australia (O'Brien, White, Hunter, dan lainnya). Secara historis, yang pertama adalah teori Dukhin–Semenikhin.[25] Teori serupa diciptakan sepuluh tahun kemudian oleh O'Brien dan Hunter.[26] Dengan asumsi lapisan ganda tipis, teori-teori ini akan menghasilkan hasil yang sangat dekat dengan solusi numerik yang diberikan oleh O'Brien dan White.[27] Terdapat juga teori elektroakustik umum yang valid untuk setiap nilai panjang Debye dan bilangan Dukhin.[6][12]
Persamaan Henry
"Persamaan Henry" beralih ke halaman ini. Untuk hukum gas, lihat hukum Henry.
Ketika κa berada di antara nilai besar di mana model analitis sederhana tersedia, dan nilai rendah di mana perhitungan numerik valid, persamaan Henry dapat digunakan ketika potensial zeta rendah. Untuk bola nonkonduktor, persamaan Henry adalah , di mana f1 adalah fungsi Henry, salah satu dari kumpulan fungsi yang bervariasi dengan lancar dari 1 hingga 1,5 saat κa mendekati tak terhingga.[13]
↑Kirby BJ (2010). Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices. Cambridge University Press. ISBN978-0-521-11903-0.[halamandibutuhkan]
↑Hanaor D, Michelazzi M, Leonelli C, Sorrell CC (2012). "The effects of carboxylic acids on the aqueous dispersion and electrophoretic deposition of ZrO2". Journal of the European Ceramic Society. 32 (1): 235–244. arXiv:1303.2754. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2011.08.015. S2CID98812224.
↑Elimelech, Menachem; Chen, William H.; Waypa, John J. (1994). "Measuring the zeta (electrokinetic) potential of reverse osmosis membranes by a streaming potential analyzer". Desalination (dalam bahasa Inggris). 95 (3): 269–286. doi:10.1016/0011-9164(94)00064-6. ISSN0011-9164.
↑Semenikhin NM, Dukhin SS (January 1975). "Polarization of a Moderately Thin Double-Layer Around Spherical-Particles and Its Influence on Electrophoresis". Colloid Journal of the USSR. 37 (6): 1013–1016.
↑O'Brien RW, Hunter RJ (July 1981). "The electrophoretic mobility of large colloidal particles". Canadian Journal of Chemistry. 59 (13): 1878–1887. doi:10.1139/v81-280.
↑O'Brien RW, White LR (1978). "Electrophoretic mobility of a spherical colloidal particle". Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions 2. 74: 1607. doi:10.1039/F29787401607.
