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Potencial zeta

Diagrama que muestra la concentración iónica y la diferencia de potencial en función de la distancia desde la superficie cargada de una partícula suspendida en un medio de dispe...

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Diagrama que muestra la concentración iónica y la diferencia de potencial en función de la distancia desde la superficie cargada de una partícula suspendida en un medio de dispersión.

El potencial zeta es el potencial eléctrico en el plano de deslizamiento. Este plano es la interfaz que separa el fluido móvil del fluido que permanece adherido a la superficie.

El potencial zeta es un término científico para el potencial electrocinético [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] en dispersiones coloidales . En la literatura de química coloidal , se suele denotar con la letra griega zeta (ζ) , de ahí el potencial ζ . Las unidades habituales son voltios (V) o, más comúnmente, milivoltios (mV). Desde un punto de vista teórico, el potencial zeta es el potencial eléctrico en la doble capa interfacial (DL) en la ubicación del plano de deslizamiento con respecto a un punto en el fluido a granel alejado de la interfaz. En otras palabras, el potencial zeta es la diferencia de potencial entre el medio de dispersión y la capa estacionaria de fluido unida a la partícula dispersa .

El potencial zeta se debe a la carga eléctrica neta contenida en la región delimitada por el plano de deslizamiento y también depende de la ubicación de dicho plano . Por lo tanto, se utiliza ampliamente para cuantificar la magnitud de la carga. Sin embargo, el potencial zeta no es igual al potencial de Stern ni al potencial eléctrico superficial en la doble capa, [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] ya que estos se definen en ubicaciones diferentes. Tales suposiciones de igualdad deben aplicarse con precaución. No obstante, el potencial zeta suele ser la única vía disponible para caracterizar las propiedades de la doble capa.

El potencial zeta es un indicador importante y fácilmente medible de la estabilidad de las dispersiones coloidales. La magnitud del potencial zeta indica el grado de repulsión electrostática entre partículas adyacentes con carga similar en una dispersión. Para moléculas y partículas suficientemente pequeñas, un potencial zeta alto confiere estabilidad, es decir, la solución o dispersión resiste la agregación. Cuando el potencial es bajo, las fuerzas de atracción pueden superar esta repulsión y la dispersión puede romperse y flocular . Por lo tanto, los coloides con un potencial zeta alto (negativo o positivo) se estabilizan eléctricamente, mientras que los coloides con potenciales zeta bajos tienden a coagularse o flocular, como se muestra en la tabla. [ 7 ]

El potencial zeta también puede utilizarse para la estimación del pKa de polímeros complejos, cuya medición precisa mediante métodos convencionales resulta difícil. Esto puede ayudar a estudiar el comportamiento de ionización de diversos polímeros sintéticos y naturales en diferentes condiciones, así como a establecer umbrales de disolución-pH estandarizados para polímeros sensibles al pH. [ 8 ]

Medición

Existen varios métodos para medir el potencial zeta descritos en las normas ISO [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] . Estos documentos contienen una descripción detallada de los procedimientos para medir la movilidad electroforética y la movilidad electroforética dinámica , que sirven como datos experimentales brutos para el cálculo posterior del potencial zeta. También incluyen una descripción general de los modelos teóricos necesarios para calcular el potencial zeta a partir de los datos brutos medidos.

Fenómenos electrocinéticos

La electroforesis se utiliza para estimar el potencial zeta de partículas , mientras que el potencial/corriente de flujo se emplea para cuerpos porosos y superficies planas. En la práctica, el potencial zeta de una dispersión se mide aplicando un campo eléctrico a través de ella. Las partículas dentro de la dispersión con un potencial zeta migrarán hacia el electrodo de carga opuesta con una velocidad proporcional a la magnitud de dicho potencial.

Esta velocidad se mide utilizando la técnica del anemómetro láser Doppler . El desplazamiento de frecuencia o de fase de un haz láser incidente causado por estas partículas en movimiento se mide como la movilidad de la partícula, y esta movilidad se convierte en potencial zeta introduciendo la viscosidad y la permitividad dieléctrica del dispersante , y aplicando las teorías de Smoluchowski. [ 14 ]

Electroforesis

La movilidad electroforética es proporcional a la velocidad electroforética, que es el parámetro medible. Existen varias teorías que vinculan la movilidad electroforética con el potencial zeta. Se describen brevemente en el artículo sobre electroforesis y en detalle en muchos libros sobre ciencia de coloides e interfaces. [ 4 ] [ 5 ] [ 15 ] Existe un Informe Técnico de la IUPAC [ 16 ] preparado por un grupo de expertos mundiales sobre los fenómenos electrocinéticos. Desde el punto de vista instrumental, existen tres técnicas experimentales diferentes: microelectroforesis , dispersión de luz electroforética y detección de pulsos resistivos sintonizables . La microelectroforesis tiene la ventaja de proporcionar una imagen de las partículas en movimiento. Por otro lado, se complica por la electroósmosis en las paredes de la celda de muestra. La dispersión de luz electroforética se basa en la dispersión dinámica de la luz . Permite la medición en una celda abierta, lo que elimina el problema del flujo electroosmótico excepto en el caso de una celda capilar. Y puede utilizarse para caracterizar partículas muy pequeñas, pero a costa de perder la capacidad de mostrar imágenes de partículas en movimiento. La detección de pulsos resistivos sintonizables (TRPS) es una técnica de medición basada en impedancia que mide el potencial zeta de partículas individuales en función de la duración de la señal de pulso resistivo. [ 17 ] La duración de la translocación de nanopartículas se mide en función del voltaje y la presión aplicada. A partir del tiempo de translocación inverso frente a la movilidad electroforética dependiente del voltaje, se calculan los potenciales zeta. La principal ventaja del método TRPS es que permite mediciones simultáneas de tamaño y carga superficial partícula por partícula, lo que posibilita el análisis de un amplio espectro de nano/micropartículas sintéticas y biológicas y sus mezclas. [ 18 ]

Todas estas técnicas de medición pueden requerir la dilución de la muestra. A veces, esta dilución puede afectar las propiedades de la muestra y cambiar el potencial zeta. Solo hay una forma justificada de realizar esta dilución: utilizando el sobrenadante de equilibrio . En este caso, se mantendría el equilibrio interfacial entre la superficie y el líquido a granel, y el potencial zeta sería el mismo para todas las fracciones de volumen de partículas en la suspensión. Cuando se conoce el diluyente (como en el caso de una formulación química), se puede preparar diluyente adicional. Si se desconoce el diluyente, el sobrenadante de equilibrio se obtiene fácilmente por centrifugación .

Potencial de transmisión, transmisión actual

El potencial de flujo es un potencial eléctrico que se desarrolla durante el flujo de un líquido a través de un capilar. En la naturaleza, un potencial de flujo puede ocurrir con una magnitud significativa en áreas con actividad volcánica. [ 19 ] El potencial de flujo es también el fenómeno electrocinético principal para la evaluación del potencial zeta en la interfaz material sólido-agua. Una muestra sólida correspondiente se dispone de tal manera que forme un canal de flujo capilar. Los materiales con una superficie plana se montan como muestras duplicadas alineadas como placas paralelas. Las superficies de las muestras están separadas por una pequeña distancia para formar un canal de flujo capilar. Los materiales con una forma irregular, como fibras o medios granulares, se montan como un tapón poroso para proporcionar una red de poros, que sirve como capilares para la medición del potencial de flujo. Al aplicar presión sobre una solución de prueba, el líquido comienza a fluir y a generar un potencial eléctrico. Este potencial de flujo se relaciona con el gradiente de presión entre los extremos de un solo canal de flujo (para muestras con una superficie plana) o del tapón poroso (para fibras y medios granulares) para calcular el potencial zeta superficial.

Como alternativa al potencial de flujo, la medición de la corriente de flujo ofrece otro enfoque para el potencial zeta superficial. Generalmente, se utilizan las ecuaciones clásicas derivadas por Maryan Smoluchowski para convertir los resultados del potencial de flujo o de la corriente de flujo en el potencial zeta superficial. [ 20 ]

Las aplicaciones del método de potencial de flujo y corriente de flujo para la determinación del potencial zeta superficial consisten en la caracterización de la carga superficial de membranas poliméricas, [ 21 ] biomateriales y dispositivos médicos, [ 22 ] [ 23 ] y minerales. [ 24 ]

Fenómenos electroacústicos

Existen dos efectos electroacústicos ampliamente utilizados para caracterizar el potencial zeta: la corriente de vibración coloidal y la amplitud sónica eléctrica . Hay instrumentos disponibles comercialmente que aprovechan estos efectos para medir la movilidad electroforética dinámica, la cual depende del potencial zeta.

Las técnicas electroacústicas tienen la ventaja de permitir mediciones en muestras intactas, sin dilución. Las teorías publicadas y bien verificadas posibilitan dichas mediciones con fracciones volumétricas de hasta el 50 %. El cálculo del potencial zeta a partir de la movilidad electroforética dinámica requiere información sobre las densidades de las partículas y del líquido. Además, para partículas de mayor tamaño, que superan aproximadamente los 300  nm, también se requiere información sobre su tamaño.

Cálculo

La teoría más conocida y utilizada para calcular el potencial zeta a partir de datos experimentales es la desarrollada por Marian Smoluchowski en 1903. [ 25 ] La teoría de Smoluchowski es poderosa porque es válida para partículas dispersas de cualquier forma y concentración . Sin embargo, tiene sus limitaciones:

  • Un análisis teórico detallado demostró que la teoría de Smoluchowski es válida solo para una doble capa suficientemente delgada, cuando la longitud de Debye ,1/κ{\displaystyle 1/\kappa }, es mucho más pequeño que el radio de la partícula,a{\displaystyle a}:
κ⋅a≫1{\displaystyle {\kappa }\cdot a\gg 1}
El modelo de la "doble capa delgada" simplifica enormemente no solo la teoría de la electroforesis, sino también muchas otras teorías electrocinéticas y electroacústicas. Este modelo es válido para la mayoría de los sistemas acuosos , ya que la longitud de Debye suele ser de tan solo unos pocos nanómetros en el agua. El modelo solo deja de ser válido para nanocoloides en una solución con una fuerza iónica similar a la del agua pura.
Dtú≪1{\displaystyle Du\ll 1}

El desarrollo de teorías electroforéticas y electroacústicas con un rango de validez más amplio fue uno de los objetivos de numerosos estudios durante el siglo XX. Existen diversas teorías analíticas que incorporan la conductividad superficial y eliminan la limitación del pequeño número de Dukhin tanto para las aplicaciones electrocinéticas como electroacústicas.

Los primeros trabajos pioneros en esa dirección se remontan a Overbeek [ 26 ] y Booth. [ 27 ]

Teorías electrocinéticas modernas y rigurosas que son válidas para cualquier potencial zeta, y a menudo cualquierκa{\displaystyle \kappa a}, provienen principalmente de las escuelas soviética ucraniana (Dukhin, Shilov y otros) y australiana (O'Brien, White, Hunter y otros). Históricamente, la primera fue la teoría de Dukhin-Semenikhin. [ 28 ] Una teoría similar fue creada diez años después por O'Brien y Hunter. [ 29 ] Suponiendo una capa doble delgada, estas teorías producirían resultados muy cercanos a la solución numérica proporcionada por O'Brien y White. [ 30 ] También existen teorías electroacústicas generales que son válidas para cualquier valor de longitud de Debye y número de Dukhin. [ 15 ]

La ecuación de Henry

Cuando κa se encuentra entre valores grandes donde se dispone de modelos analíticos simples y valores bajos donde los cálculos numéricos son válidos, se puede utilizar la ecuación de Henry cuando el potencial zeta es bajo. Para una esfera no conductora, la ecuación de Henry estúmi=2εrsε03ηζF1(κa){\displaystyle u_{e}={\frac {2\varepsilon _{rs}\varepsilon _{0}}{3\eta }}\zeta f_{1}(\kappa a)}, donde f 1 es la función de Henry, una de una colección de funciones que varían suavemente de 1,0 a 1,5 a medida que κa tiende a infinito. [ 16 ]

Referencias

  1. ↑ IUPAC , Compendio de Terminología Química , 5.ª ed. (el "Libro de Oro") (2025). Versión en línea: (2006 – ) " potencial electrocinético, ζ ". doi : 10.1351/goldbook.E01968
  2. ↑ "Sistemas coloidales: métodos para la determinación del potencial zeta" . Norma internacional ISO 13099, partes 1, 2 y 3. Organización Internacional de Normalización (ISO). 2012.
  3. ↑ Dukhin, Andrei S.; Xu, Renliang (2025). Potencial zeta: fundamentos, métodos y aplicaciones . Londres Cambridge, MA: Academic Press. ISBN 978-0-443-33443-6.
  4. 1 2 Lyklema J (1995). Fundamentos de la ciencia de las interfaces y los coloides . Vol. 2. Elsevier. págs. 3–208 . ISBN   978-0-12-460529-9.
  5. 1 2 Russel WB (1991). Dispersiones coloidales . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-42600-8.
  6. ↑ Kirby BJ (2010). Mecánica de fluidos a micro y nanoescala: Transporte en dispositivos microfluídicos . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-11903-0.
  7. ↑ Hanaor D, Michelazzi M, Leonelli C, Sorrell CC (2012). "Los efectos de los ácidos carboxílicos en la dispersión acuosa y la deposición electroforética de ZrO 2 ". Journal of the European Ceramic Society . 32 (1): 235– 244. arXiv : 1303.2754 . doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2011.08.015 . S2CID 98812224 . 
  8. ↑ Barbosa JA, Abdelsadig MS, Conway BR, Merchant HA (diciembre de 2019). "Uso del potencial zeta para estudiar el comportamiento de ionización de polímeros empleados en formas farmacéuticas de liberación modificada y estimación de su pK a " . International Journal of Pharmaceutics . 1 100024. doi : 10.1016/j.ijpx.2019.100024 . PMC 6733289. PMID 31517289 .  
  9. ↑ Kumar A, Dixit CK (2017). «Métodos para la caracterización de nanopartículas». Avances en nanomedicina para la administración de ácidos nucleicos terapéuticos . págs. 43–58 . doi : 10.1016/B978-0-08-100557-6.00003-1 . ISBN  978-0-08-100557-6.
  10. ↑ Norma internacional ISO 13099-1 (2012). "Sistemas coloidales – Métodos para la determinación del potencial zeta - Parte 1: Fenómenos electroacústicos y electrocinéticos .{{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  11. ↑ Norma internacional ISO 13099-2 (2012). Sistemas coloidales – Métodos para la determinación del potencial zeta – Parte 2: Métodos ópticos .{{cite book}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
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