【機械・材料技術部】

異形平板試料のゼータ電位奥田1.

徹也（機械・材料技術部

2.

はじめにナノ材料グループ）

実験方法

KISTEC では 2008 年に平板形状試料のゼータ電位が測不均一試料のモデルとして、大きな正電位と負電位をも定できる装置を導入し、多数のお客様にご利用いただいている。測定が可能な試料の要件として、(a)全面均一な材質、つ領域が、様々なパターンで混在する試料を作製した。試料の基材は、中性 pH 域で負に帯電するスライドガラス(b)目視レベルの平坦性、(c)導電性をもたない等が挙げられる。しかし基板上の膜の一部が剥がれているなど、上記（MATSUNAMI 製 S1126）とした。この基材に対し、パターンに従って部分的にマスキングを施した後、正電位をもの要件を満たさない異形の平板試料のご依頼を承ることもあり、その場合は測定値の信頼性や解釈が問題となる。

つ膜を形成するジメチルポリシロキサン系のガラスコーティング剤を塗布した。乾燥後にマスキングを剥がすと、当所の装置（大塚電子製 ELSZ-2）の平板試料測定の概要を以下に記す。石英製のセルは、中央に長さ 23 x 幅 5 x

マスク部分から再び元のスライドガラス基材が現れる。
図 2 に、測定セル上方から見たイメージを示す。長方形

深さ 1 mm の直方体の溝を持つ。試料はこの溝の上面に蓋をする格好で設置して、長手方向に開いた長方形断面のトの内側は試料の接液部を表し、黒い領域は正に帯電したコーティング部分、白い領域は負に帯電したスライドガラスンネル型の流路を形成させる（図 1）。次にその流路にモニター粒子が分散した水溶液を充填し、トンネルの両端に基材の露出部分である。この図 2 の例は、モニター粒子の電気泳動方向に対して直交して不均一パターンが形成さある電極から直流電場を印可して、長手方向にモニター粒子を電気泳動させる。そして側面中央から入射したレーザれており、レーザー光が通過するセル中央付近はコーティングされてないので負電位をもつ場合を示している。

ー光を、上面（試料）から下面まで上下方向にスキャンしながら、モニター粒子によって散乱されたレーザー光を検

ゼータ電位測定は、モニター粒子（大塚電子製）を 10 mMの NaCl 水溶液で 100 倍希釈して電気泳動液とし、約 16出する。散乱光のドップラーシフトから、電気浸透流の上下方向の流速分布を求め、試料位置（上面）の電気浸透流V/cm の電場を印可して行った。の速度を Smoluchowski 式でゼータ電位に換算する。
トンネル内の電気浸透流の流速分布には、森・岡本の理

3.

論式 1) を適用する。この式の導出において、流れは電気泳動方向のみで、上下方向および側面方向への流れはないと、各々のゼータ電位の測定値を示す。図 3 は電気泳動方向に直交して均等に約 4.6 mm 幅で 5 分割し、正電位領域と仮定する。上面・下面はそれぞれ全面均一で、また左と右の側面の材質は同一である。トンネルの上下面と左右側を片側から少しずつ増加させていった不均一パターン系列である。全面にスライドガラス基材が露出した図 3①の面には境界条件を課すが、電気泳動方向には境界条件を付けないので、近似的に無限長の均一性を仮定している。し場合はゼータ電位が-48(mV)、全面に正電位コートを施した⑥の場合は+46(mV)であるが、この両端の間の②から⑤たがって試料（上面）が異形をもち、全面均一でない場合は上記の仮定が成り立たなくなるが、装置からは森・岡本までが本研究が目的とする不均一試料である。まず図 3②の、一番端の領域だけ正電位コートされている場合、ゼーの式を使った解析結果しか得ることができない。
そこで本研究では、試料の不均一性が測定値に与える影タ電位は-26(mV)で基材よりも正電位方向へ変化している。
上面（試料）から下面までの測定ポイントにおける、モニ響を把握するため、異なるゼータ電位をもつ部分が同一面内に混在する試料を作製し、試料面のどの部分がどのようター粒子の見かけのゼータ電位分布をカーブフィッティングした電気浸透流プロットを見ると、森・岡本の理論式に寄与するか調べた。

通りの放物線である（図 7）。また他の測定パラメータも正常値の範囲に収まっているので、図 3②の測定ではレー結果及び考察
図 3 から図 6 に、作製した 4 種の不均一パターン系列図

ザー光が通過するセル中央付近の電気浸透流に乱れはないと考えられ、測定値の信頼性は高い。よってレーザー光が通過しない端部の不均一性が、中央付近にまで影響を及ぼしていると断定して良い。なお、モニター粒子の電気泳動速度は最大でも 100 (μm/s)程度で、測定中はほとんどが上面（試料）の正電位または負電位領域の片方だけをゆっくり泳動しているため、一つのモニター粒子が試料全面を一気に通過して泳動速度が平均化されたためではない。

図 1 測定セルのイメージ（試料で溝の蓋をしている）

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図 3 の不均一パターン系列の③から⑤を見ると、正電位をもつ領域が増加するにつれて、測定値も連続的に正電位方向へ変化していくことが分かる。ただし図 3 の系列からは、不均一領域が占める面積と位置のどちらが強く測定値に影響するかを知ることができない。
そこで図 4 に、電気泳動方向に対称なパターンを形成して評価した結果を示す。例えば逆パターンになっている③

図 2 セル上方から接液部を見たイメージ（白：負に帯電、黒：正に帯電）と⑥を比較すると、正電位と負電位の面積比よりは、どちらがセル中央付近にあるという位置の方が、測定値に強くゼータ電位影響することが分かる。⑥の正電位領域の面積は③の 4 分の 1 に過ぎないが、より大きな正電位を示すのは、レーザ

サンプル(mV)①- 48②- 26③+4④+ 29⑤+ 37⑥+ 46ー光が通過する中央付近に正電位をもつ⑥の方である。
位置分解能を上げるため、図 5 に均等に約 2.5 mm 幅で9 分割した一つの領域だけに正電位コートしたパターン系列の測定結果を示す。正電位と負電位領域の面積比はいず
れも 1：8 であるが、正電位領域がセル中央に近づくほど測定値も正電位方向に変化し、⑤では基材の負電位を打ち消してほぼゼロ電位になっている。
図 6 は、電気泳動方向に平行に均等に 1 mm 幅で 5 分割

図 3 不均一パターン系列(1)
サンプルして、正電位領域を片側から少しずつ増加させていった不均一パターン系列である。正電位領域が増加するほど、測ゼータ電位(mV)①- 48②- 22③+8④+ 46⑤+ 26⑥+ 16

定値が正電位方向に変化する傾向は予想通りである。しかし例えば図 6③の場合、電気浸透流プロット（図 8）は、上面（試料）に近いほど森・岡本の理論式の放物線から外れている。また他の測定パラメータを調べると、ゼロ電位に近い値を示すはずのセル下面のゼータ電位は+12(mV)、モニター粒子の真のゼータ電位は+11(mV)であり、いずれも正常値の範囲から逸脱していた。よって、セル中央付近の電気浸透流が乱れていると考えられ、測定の信頼性に問

図 4 不均一パターン系列(2)サンプル

題が生じていることが分かった。

ゼータ電位(mV)①- 48②- 34③- 14④-8⑤+4

図 7 図 3②の電気浸透流

図 8 図 6③の電気浸透流

図 5 不均一パターン系列(3)

４.
サンプル

ゼータ電位(mV)①- 48②-7③+2④+ 16⑤+ 40⑥+ 46

まとめ

異形試料の一例として、全面均一な材質という仮定が成り立たないモデル試料を作製して評価した。電気泳動方向に直交する不均一性では、不均一部分の位置が強く影響することが分かった。また電気泳動方向に平行な不均一性は、電気浸透流の乱れが生じて測定の信頼性に影響することが分かった。現実的な試料と比べると、大きな正電位と負電位が混在する極端なモデルであるが、そのことで不均一性が測定値に与える影響を明確に抽出することができた。

【参考文献】

図 6 不均一パターン系列(4)1. 森裕行, 岡本嘉夫, 浮選, 27, 117-126 (1980).

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