ゼータ電位は、懸濁液中の粒子、高分子、または物質の表面に現れる物理的特性です。懸濁液、エマルション、タンパク質溶液の配合の最適化、表面との相互作用の予測、フィルム形成の最適化などに利用できます。
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ゼータ電位は、懸濁液中の粒子、高分子、または物質の表面に現れる物理的特性です。懸濁液、エマルション、タンパク質溶液の配合の最適化、表面との相互作用の予測、フィルム形成の最適化などに利用できます。
ゼータ電位に関する知識は、試作に必要な時間を短縮することができ、さらに、長期的な安定性を予測する際の補助として使用することができます。
高分子の電荷、より具体的にはタンパク質の電荷を測定するには、非常に感度の高いシステムと、必要なサンプル量を減らし、サンプルの劣化を避ける技術が必要です。このシステムと技術はMRK1846に記載されています。
この紹介では、コロイド系のゼータ電位に焦点を当てます。
物質の基本的な状態の3つは固体、液体、気体です。これらの状態のひとつが別の状態の中に微細に分散している場合「コロイド系」となります。これらの物質は、実用上非常に重要な特別な性質を持っています。
コロイド系には、エアロゾル、エマルジョン、コロイド懸濁液、会合コロイドなど、さまざまな例があり、ある種の状況では、分散液中の粒子は互いに付着し、次第に大きくなる凝集体を形成することがあります。
重力の影響を受けて沈殿し、最初に形成された凝集体はフロックと呼ばれます。フロックは、沈殿したり相分離したりする場合としない場合があります。
凝集体がより密度の高い形に変化する場合、凝集が起こるといい、凝集体は通常、次のいずれかの方法で分離します。
凝集体は通常、沈降（媒体より密度が高い場合）またはクリーミング（媒体より密度が低い場合）のいずれかによって分離します。凝集と凝固はしばしば同じ意味で使われてきましたが、通常、凝集は不可逆的です。
凝集は、脱凝集のプロセスによって元に戻すことができます。図1は、これらのプロセスを模式的に表しています。
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科学者デルジャギン、ヴェルヴェイ、ランドー、オーバーベークは1940年代に、コロイド系の安定性を扱う理論を開発しました。DVLO理論は、溶液中の粒子の安定性はその全ポテンシャルエネルギー関数VTに依存することを示唆しています。
この理論では、VTはいくつかの競合する寄与のバランスです：
VT = VA + VR + VS
VS は溶媒に起因するポテンシャルエネルギーであり、通常、分離の最後の数ナノメートルにわたって、ポテンシャルエネルギー全体に対してわずかな寄与しかありません。それよりも重要なのは、VAとVRのバランスです。
引力と斥力の寄与は潜在的にはるかに大きく、はるかに大きな距離にわたって作用します。
VA = -A/(12 π D2)
ここでは、Aはハマカー定数、Dは粒子間隔とします。反発ポテンシャルVRは、はるかに複雑な関数です。
VR = 2 π ε a ζ2 exp(-κD)
ここでは、aは粒子半径、πは溶媒透過性、κはイオン組成の関数、ζはゼータポテンシャルとします。
DVLO理論によれば、コロイド系の安定性は、これらのファンデルワールス引力（VA）と電気二重層（ED）の和によって決定されます。
図2(a)は、それぞれの力を点線で、これらの力の和を実線で示しています。
この和にはピークがあり、この理論では、最初に離れている粒子は反発力のために互いに近づくことができません。しかし、温度を上昇させるなどして、その障壁を乗り越えるのに十分なエネルギーを粒子に与えると、引力によって粒子が接触し、強く不可逆的に付着します。
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したがって、粒子の反発力が十分に高ければ、分散液は凝集に抵抗し、コロイド系は安定しますが、反発メカニズムが存在しなければ、凝集や凝固が最終的に起こります。
ゼータ電位が低下した場合（塩濃度が高い場合など）、「二次的最小値」が生じる可能性があり、そこでは粒子間の接着がはるかに弱く、可逆的である可能性があります（図2 (b)）。このような弱いフロックはブラウン運動では分解されないほど安定しますが、激しい攪拌のような外部からの力が加わると分散する可能性があります。
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したがって、コロイド系の安定性を維持するためには、反発力が支配的でなければなりません。コロイドの安定性はどのようにして達成されるのでしょうか？分散安定性に影響を与える2つの基本的なメカニズムがあります。（図3）：
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それぞれのメカニズムには、特定のシステムにとって利点があります。立体安定化は単純で、適切なポリマーを加えるだけでよいですが、その後に系を凝集させることが必要な場合は困難であり、ポリマーは高価で、場合によってはポリマーが望ましくないこともあります。
例えば、セラミック・スリップを鋳造・焼結する場合、ポリマーを「焼き切る」必要があります。これは収縮を引き起こし、欠陥の原因となります。
静電安定化または電荷安定化には、単に系内のイオン濃度を変化させることで、系を安定化または凝集させるという利点があります。これは可逆的なプロセスであり、潜在的に安価です。
ゼータ電位がコロイド粒子間の相互作用の大きさを示す非常に優れた指標であることは、長い間認識されてきました。
ゼータ電位の測定は、コロイド系の安定性を評価するために一般的に使用されています。
水性媒体中のほとんどのコロイド分散液は電荷を帯びています。
この表面電荷の起源には、粒子とその周囲の媒体の性質によって様々なものがありますが、ここではより重要なメカニズムについて考察します。
粒子表面の酸性基が解離すると、表面はマイナスに帯電します。逆に塩基性表面は正電荷を帯びます（図4）。いずれの場合も、表面電荷の大きさは、表面基の酸性または塩基性の強さ、および溶液のpHに依存します。
表面電荷は、負に帯電した粒子の場合はpHを下げることで表面のイオン化を抑え、ゼロにすることができます（図4(a)）。
正に帯電した粒子の場合はpHを上げることによってゼロにすることができます（図4(b)）。
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結晶格子からのイオンの差動損失
例として、水中に置かれたヨウ化銀の結晶を考えてみましょう。イオンの溶解が起こります。 Ag+とAg+の量が等しい場合、I- イオンが溶解すると、表面は帯電しなくなります。実際、銀イオンが優先的に溶解し、負に帯電した表面を残します。(図 5)。ここで Ag+ イオンを追加すると、電荷はゼロになります。さらに追加するとプラスにつながります。
図5：AgI表面からの銀イオンの微分溶解による表面電荷の起源
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界面活性剤イオンは粒子の表面に特異的に吸着され、カチオン性界面活性剤の場合は正に帯電した表面 (図 6(a)) に、アニオン性界面活性剤の場合は負に帯電した表面 (図 6 (b)) に至る可能性があります。
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粒子表面での正味電荷の発生は、界面領域のイオン分布に影響を与えます。その結果、粒子の電荷と反対の電荷を持つイオンである対イオンの濃度が、粒子表面の近くで高まります。こうして各粒子の周囲に電気二重層が存在します。
粒子を取り囲む液体層は、イオンが強く結合している内側の領域（Stern層）と、あまり強く結合していない外側の領域（拡散層）の2つの部分として存在します。拡散層内には、イオンと粒子が安定した実体を形成する想定境界があります。粒子が（重力などで）移動すると、境界内のイオンがそれを移動させます。境界を超えたイオンはバルク分散媒に留まります。この境界（流体力学的せん断面）におけるポテンシャルがゼータ電位です（図7）。
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ゼータ電位の大きさは、コロイド系の潜在的な安定性の指標となります。もし懸濁液中のすべての粒子が大きな負または正のゼータ電位を持っている場合、それらは互いに反発する傾向があり、粒子が集まる傾向はありません。
しかし、粒子のゼータ電位が低い場合であれば、粒子が集まって凝集するのを防ぐ力はありません。安定な懸濁液と不安定な懸濁液の一般的な分かれ目は、一般的に+30mVまたは-30mVとされています。
通常、ゼータ電位が+30 mVよりプラス、または-30 mVより マイナスの粒子は安定とみなされますが、粒子が分散媒よりも大きな密度を持つ場合、たとえ分散していても、最終的には沈降して密な充填床を形成します。
最終的には沈降し、密に詰まったベッド（ハードケーキ）を形成します。
このように、ゼータ電位は表面だけでなく分散媒の性質にも依存することがわかります。粒子のゼータ電位は、異なる材料のゼータ電位を比較する場合、分散媒の性質も定義しなければなりません。
ここでは、システムの主なパラメータについて検討します。
水性媒体では、試料のpHはゼータ電位に影響を与える最も重要な因子の一つです。ゼータ電位が負の粒子を想像してみてください。この懸濁液にさらにアルカリを加えると、粒子はより負電荷を帯びる傾向があります。この懸濁液に酸を加えると、電荷が中和される点に達します。
さらに酸を加えると、イオンが特異的に吸着された場合、正の電荷が蓄積する可能性があります。
この場合、ゼータ電位対pH曲線は、低pHでは正になり、高pHでは低くなるか負になります。プロットがゼロゼータ電位を通過する点は等電点と呼ばれ、実用上非常に重要です。
通常、凝集が最も起こりやすく、したがってコロイド系が最も安定しない点です。
ゼータ電位対pHの典型的なプロットを図8に示します。この例では、試料の等電点がおよそpH 5.5です。さらに、このプロットを用いて、試料はpH値 4未満（十分な正電荷が存在する）、pH 7.5以上（十分な負電荷が存在する）で安定であることが予測できます。
ゼータ電位が+30～-30mVであることから、pHが4～7.5では分散安定性に問題が生じることが予想されます。
図8：分散が安定していると予想される緑色の領域の等電点の位置と pH 値を示す、ゼータ電位対 pH の典型的なプロット
二重層の厚さ (κ-1)は溶液中のイオン濃度に依存し、媒体のイオン強度から計算でき、イオン強度が高いほど、二重層はより圧縮されます。
イオンの価数も二重層の厚さに影響します。 Al3+のような3価のイオンは、二重層を圧縮します。
Na+のような一価のイオンと比較して、二重層をより大きく圧縮します。
無機イオンは荷電表面と2つの異なる方法で相互作用します。
等電点には影響を与えません。(ii)等電点の値の変化につながる特異的なイオン吸着。粒子表面へのイオンの特異的吸着は、たとえ低濃度であっても、粒子分散液のゼータ電位に劇的な影響を与えます。粒子分散液のゼータ電位に劇的な影響を与え、場合によっては、イオンの特異的吸着が粒子表面の電荷反転を引き起こすこともあります。
製剤成分の濃度がゼータ電位に及ぼす影響は、製品が最大限の安定性を示すように製剤化する際に役立つ情報を与えます。
既知の汚染物質がサンプルのゼータ電位に与える影響は、例えば凝集しにくい製品を調合するための強力なツールとなります。
粒子表面に電荷が存在することの重要な結果として、粒子は印加された電界と相互作用します。これらの効果は、総称して動電効果と定義されます。以下はその例です：
電気泳動：印加された電場の影響下で、荷電粒子が浮遊している液体に対して相対的に動くこと
電界印加：電気の影響下での、静止した帯電表面に対する液体の動きの分野
流動電位： 静止した帯電面を液体が通過する際に発生する電場
沈降電位：荷電粒子が沈降するときに発生する電場
電解液に電界をかけると、電解液中に浮遊している荷電粒子は、反対電荷の電極に引き寄せられます。
反対電荷の電極に引き寄せられ、粒子に働く粘性力は、この動きに対抗する傾向があります。そのときこの2つの対抗力の間で平衡に達すると、粒子は一定の速度で移動します。
速度は、電界または電圧勾配の強さ、媒体の誘電率媒体の粘度、ゼータ電位に依存します。
単位電場における粒子の速度は電気泳動移動度と呼ばれ、ゼータ電位は電気泳動移動度とHenry方程式で関係します。
UE = 2 ε z f(κa)
3η
ここでは、 UE = 電気泳動移動度, z = ゼータ電位、ε = 誘電率、η = 粘度、f(κa) = ヘンリー関数とします。
デバイ長と呼ばれるκの単位は長さの逆数であり、κ-1はしばしば電気二重層の「厚さ」の尺度として用いられます。
パラメータ「a」は粒子の半径を指します。したがってκaは粒子の半径と電気二重層の比を表しています。（図9）。ゼータ電位の電気泳動測定は中程度の電解質濃度の水性媒体中で行われるのが最も一般的です。この場合のF(κa)は1.5であり、これはスモルコフスキー近似(Smoluchowski)と呼ばれます。
したがって、移動度からゼータ電位を計算するのは、スモルコウスキー・モデルに適合する系では簡単です。すなわち、約0.2ミクロンより大きな粒子が、10-3モル以上の塩を含む電解液に分散している場合です。
図9：電気泳動移動度をゼータ電位に変換するために使用されるHuckelとSmoluchowskiの近似式を示す模式図
低誘電率媒体（例えば非水媒体）中の小粒子の場合、f(ka)は1.0になり、同様に簡単な計算が可能になります。これはヒュッケル近似と呼ばれています。
古典的なマイクロ電気泳動システムの本質は、両端に電極を持つキャピラリーセルであり、そこに電位が印加されます。粒子は電極に向かって移動し、その速度は測定され、単位電界強度で移動度として表されます。
初期の方法では、超マイクロスコープ技術を使って個々の粒子を直接観察し、測定距離の経過を手作業で追跡していました。
この方法は、現在でも世界中の多くのグループによって使用されていますが、いくつかの欠点があります。
特に、粒子が小さい場合や散乱性の低い場合は、測定に多大な労力を必要とすることが挙げられます。マルバーン・パナリティカルのゼータサイザーで使用されている技術は、レーザードップラー電気泳動とM3-PALSの組み合わせです。
ゼータサイザーは、レーザードップラー電気泳動と位相分析光散乱（PALS）を組み合わせて使用します。M3-PALSと呼ばれる特許技術を使用して、粒子の電気泳動移動度を測定します。M3-PALSを導入することにより、移動度が非常に小さいサンプルでも分析し、移動度分布を計算することができます。
PALSは標準的な測定技術の100倍以上の性能向上が可能です。これにより、高導電率サンプルの測定が可能になり、さらに、以下のような粒子移動度の低いサンプルの正確な測定が可能になります。
非水溶媒に分散した試料など、粒子移動度が低い試料も正確に測定できます。低い印加電圧は、ジュール加熱による試料への影響を回避することができます。
レーザードップラー電気泳動とM3-PALSの技術に関する詳しい情報は、マルバーン・パナリティカルのウェブページでご覧いただけます。
ゼータ電位測定システムは、6つの主要コンポーネントから構成されます（図10）。まず、サンプル内の粒子を照らす光源としてレーザーが使用されます。ゼータ電位測定では、この光源を分割して入射ビームと参照ビームを供給します。入射レーザービームはサンプルセルの中心を通過し 約13oの角度で散乱された光が検出されます。電界がセルに印加されると、測定容積内を移動する粒子は、検出された光の強度を粒子速度に比例した周波数で変動させ、この情報はデジタル信号プロセッサに送られ、コンピュータに送られます。
ゼータサイザーは周波数スペクトルを生成し、そこから電気泳動移動度、ひいてはゼータ電位が計算されます。
検出された散乱光の強度は、検出器が正常に測定するために特定の範囲内になければなりません。測定に成功するには、試料に到達する光の強度を調整する減衰器を使用します。
サンプルに到達する光の強度を調整し、散乱強度を調整します。セル壁の厚さや分散媒の屈折の違いを補正するために、最適なアライメントを維持する補正光学系が設置されています。
図10：ゼータ電位測定用ゼータサイザーの光学構成
