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ゼータ電位

処方の安定性や保存期間向上と、調合時間の短縮、コスト削減のためのゼータ電位測定

ゼータ電位とは

ゼータ電位は、粒子間の静電気または電荷の反発/引力の大きさを示す尺度であり、安定性に影響することが知られている基本的なパラメータの1つです。ゼータ電位の測定は、分散、凝集、軟凝集の原因に関する詳細な洞察をもたらし、分散液、エマルション、懸濁液の処方の改善に応用することができます。

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1:ゼータ電位の模式図

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新製剤の導入スピードは製品の成功の鍵となります。ゼータ電位の測定は、候補となる製剤の数を減らすことで、安定性試験を短縮する方法の一つであり、その結果、試験時間とコストを削減し、保存可能期間を改善することができます。

水処理においては、ゼータ電位測定を用いて、リアルタイムで投与量制御を最適化することで、化学添加剤の費用を大幅に削減できます。

ゼータ電位は、セラミックス、医薬品、医療、鉱物処理、電子機器、および水処理など、幅広い産業分野で重要な用途があります。

ゼータ電位測定

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ゼータ電位の測定方法には、以下のようなものがあります。

  • 顕微鏡電気泳動法
  • レーザー・ドップラー電気泳動法(電気泳動光散乱法)
  • 超音波振動電位法

顕微鏡電気泳動法

顕微鏡電気泳動法は、個々の粒子が顕微鏡で識別できる場合に、直接粒子を観察しながら電気泳動移動度を測定する方法です。暗視野にすることで散乱光が観察でき、小さな粒子径でも測定が可能です。

レーザー・ドップラー電気泳動法(電気泳動光散乱法)

レーザー・ドップラー電気泳動法は、電気泳動移動している粒子にレーザーを照射し、散乱光の周波数変化(ドップラー効果)を利用して電気泳動移動度を求める方法です。一般的なコロイド系のサンプル並びに、タンパク質・ポリマーなどの分子コロイドのゼータ電位も測定が可能です。

超音波振動電位法

超音波振動電位法は、濃厚分散系のゼータ電位が測定可能です。分散系に超音波を伝播させると、荷電粒子とイオン雰囲気の中心にずれが生じ、周期的な分極を引き起こします。この分極は超音波振動電位(UVP)とよばれる交流電圧を発生させます。このUVPよりゼータ電位が計算できます。

ゼータ電位での評価

ゼータ電位は、液中に分散した粒子表面に帯電している電位のことです。ゼータ電位の絶対値が大きいほど、粒子同士の反発力が強くなり、分散安定性が高まります。そのため、ゼータ電位は分散した粒子の分散安定性の指標として用いられています。

ゼータ電位は、粒子の表面性質や分散溶液のイオン強度によって変化します。そのため、ゼータ電位を測定することで、粒子の表面性質や分散溶液のイオン強度の影響を評価することができます。

ゼータ電位の評価は、以下の分野で用いられています。

  • 塗料
  • インク
  • 食品
  • 医薬品
  • 化粧品

塗料やインクなどの分散液は、ゼータ電位が適切に調整されていないと分散安定性が低下し、粒子同士が凝集して塗膜や印刷品に不具合が生じる可能性があります。食品や医薬品などの分散液は、ゼータ電位が適切に調整されていないと、粒子が凝集して沈殿したり、変質したりする可能性があります。化粧品などの分散液は、ゼータ電位が適切に調整されていないと、粒子が凝集して塗布性が低下したり、肌への刺激性が高まったりする可能性があります。

電気浸透効果による影響

電気浸透流は、粒子の電気泳動速度に影響を及ぼし、ゼータ電位の測定結果を誤らせる可能性があります。そのため、電気泳動法によるゼータ電位測定では、電気浸透流の影響を補正する必要があります。

電気浸透流の影響を補正する方法としては、以下のようなものがあります。

  • 電気浸透流を抑える特殊なセルを用いる。
  • 電気浸透流と粒子の電気泳動速度を同時に測定し、両者の関係式を用いてゼータ電位を求める。
  • 電場を高速反転し、電気浸透流の影響がない状態で電気泳動移動度を求める。

電気浸透効果は、ゼータ電位の測定において重要な問題です。電気浸透流の影響を正しく理解し、適切な測定方法を用いることで、より正確なゼータ電位を測定することができます。

ゼータ電位の調整と活用

ゼータ電位は、コロイド粒子の安定性、分離・精製、機能性材料の開発など、さまざまな分野で重要な役割を果たしています。ゼータ電位を適切に調整することで、これらの分野の技術を向上させることができます。

図2:コロイド分散液の安定性が失われる様々なメカニズムを示す模式図

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ゼータ電位の調整方法としては、以下のようなものがあります。

  • 溶媒のpH調整
  • 添加剤の添加
  • 粒子の処理

溶媒のpH調整は、最も一般的で簡単な方法です。pHを調整することで、コロイド粒子の表面電荷の符号や大きさを変えることができます。

添加剤の添加は、より精密な調整が可能です。界面活性剤や金属イオンなどの添加剤を加えることで、コロイド粒子表面に電荷を付与したり、電気二重層の厚みを調整したりすることができます。

粒子の処理は、最も強力な調整方法です。コロイド粒子の表面を化学処理することで、表面電荷の符号や大きさ、表面官能基などを根本的に変化させることができます。

ゼータ電位とpH

コロイド粒子の表面には、官能基と呼ばれる化学基が存在します。この官能基は、pHによって解離したり、結合したりする性質があります。例えば、カルボキシル基(-COOH)は、pHが低い酸性溶液中では、-COO- イオンに解離します。

図3: 負に帯電した表面を与える酸性基のイオン化による表面電荷の起源

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コロイド粒子の表面に存在する官能基が解離したり、結合したりすることで、コロイド粒子の表面電荷の符号や大きさが変わります。そのため、pHはゼータ電位に影響を与えます。

コロイド科学において、pHは重要な役割を果たします。pHによって、コロイド粒子の安定性や分離・精製、機能性材料の開発などが大きく左右されるからです。

図4: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

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粒子分散性とゼータ電位の相関がない例

粒子分散性とゼータ電位は、一般的には相関があるとされています。ゼータ電位が大きいほど、コロイド粒子同士の反発力が大きくなり、凝集が抑制されるため、粒子の分散性は安定になります。

しかし、粒子分散性とゼータ電位の相関がない場合もあります。その代表的な例としては、以下のようなものが挙げられます。

粒子径が非常に大きい場合

粒子径が非常に大きい場合、その粒子自体の密度の影響を大きく受け、密度の高いものは沈降し、密度の軽いものは浮上してしまいます。この場合、ゼータ電位の大小に関わらず、粒子の分散性は安定に保たれない可能性があります。

粒子表面に立体障害がある場合

粒子表面に立体障害がある場合、粒子同士が接近しても、接触面積が小さくなるため、凝集しにくい状態になります。この場合、ゼータ電位の大小に関わらず、粒子の分散性は安定に保たれる可能性があります。

溶液の塩濃度が濃い場合

溶液の塩濃度が濃い場合、電気二重層が拡張するため、ゼータ電位は小さくなります。しかし、粒子同士の立体障害や、粒子表面の親水性・疎水性などの要因によっては、粒子の分散性が安定に保たれる可能性もあります。

このように、粒子の分散性とゼータ電位の相関は、粒子の性質や溶液の条件などによって変化することがあります。そのため、粒子の分散安定性を評価する際には、ゼータ電位だけでなく、他の要因も考慮する必要があります。

ゼータサイザーアドバンスシリーズ

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測定タイプ
ゼータ電位
技術
動的光散乱法(DLS)
電気泳動光散乱
Environment
Environment Lab - bench