使用BeNano 180 Zeta檢測(cè)明膠溶液流變學(xué)信息

明膠（gelatin）是一種大分子的親水膠體，是膠原部分水解后的產(chǎn)物。按其性能和用途可分為照相明膠、食用明膠和工業(yè)明膠。明膠的凝固點(diǎn)通常在25-35℃之間，但具體凝固點(diǎn)會(huì)受到明膠類型、濃度以及外界條件如溫度、濕度等多種因素的影響。明膠的凝固點(diǎn)是指明膠溶液轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀態(tài)的溫度，在明膠的應(yīng)用中非常重要。例如，在食品工業(yè)中，通過(guò)控制明膠的凝固點(diǎn)，可以制作出口感和質(zhì)地更佳的產(chǎn)品；在醫(yī)藥領(lǐng)域，掌握明膠的凝固點(diǎn)有助于確保膠囊的質(zhì)量和穩(wěn)定性‌。

明膠溶液是明膠使用過(guò)程中一種常用狀態(tài)，其粘度、粘性模量和彈性模量對(duì)于其應(yīng)用過(guò)程非常重要。

在這個(gè)應(yīng)用報(bào)告中，使用丹東百特公司出品的BeNano 180 Zeta納米粒度及Zeta電位儀檢測(cè)了不同溫度下的明膠溶液，通過(guò)微流變技術(shù)得到了溶液的粘彈性信息。

原理

動(dòng)態(tài)光散射微流變中加入粒徑范圍在0.3–2.0μm的膠體顆粒作為示蹤粒子。這些示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)方式反映了周圍環(huán)境的流變學(xué)性質(zhì)。對(duì)于純粘性流體樣品（牛頓流體），示蹤粒子在整個(gè)樣品環(huán)境中自由擴(kuò)散，顆粒的均方位移隨時(shí)間線性增加。

其中D為顆粒的擴(kuò)散系數(shù)，通過(guò)代入標(biāo)準(zhǔn)Stokes-Einstein方程：

其中R(h)是示蹤粒子的半徑，便可以得到MSD與粘度之間的關(guān)系：

通過(guò)方程即可得到牛頓流體的粘度??。然而在一些體系中還包含彈性成分，對(duì)于體系，我們用廣義Stokes-Einstein方程進(jìn)行描述：

這個(gè)方程可以通過(guò)計(jì)算依賴于頻率的彈性/存儲(chǔ)模量G’和粘性/損耗模量G”， 并可以計(jì)算復(fù)數(shù)粘度

以及蠕變?nèi)崃?/span>

設(shè)備

采用丹東百特BeNano 180 Zeta納米粒度及Zeta電位儀。儀器使用波長(zhǎng)671nm，功率50mW激光器作為光源，設(shè)置在173°的APD檢測(cè)器進(jìn)行散射光信號(hào)采集。采用單模光纖進(jìn)行信號(hào)傳導(dǎo)，以最大程度地提高信噪比。

BeNano采用納秒級(jí)別高速相關(guān)器，為小顆粒的快速衰減相關(guān)曲線提供充足的短期相關(guān)計(jì)算范圍。

樣品制備和測(cè)試條件

我們使用純凈水配置了低濃度明膠溶液，溶液外觀透明，pH在7附近。明膠等電點(diǎn)在pH=4.0-4.5之間，在高于等電點(diǎn)環(huán)境下明膠攜帶負(fù)電。在溶液中加入攜帶負(fù)電荷的400nm 聚苯乙烯球作為示蹤粒子。由于示蹤粒子和明膠均攜帶負(fù)電，所以之間基本沒有靜電吸附作用。

通過(guò)BeNano內(nèi)置的溫度控制系統(tǒng)將測(cè)試溫度控制為10℃、20℃、40℃和80℃，并在此溫度下進(jìn)行了動(dòng)態(tài)光散射微流變測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果和討論

通過(guò)樣品的原始散射光信號(hào)，我們得到這些樣品的相關(guān)曲線：

通過(guò)圖1可以看出，隨著明膠溶液溫度降低，相關(guān)曲線的衰減時(shí)間增加，這表明明膠溶液溫度越低，示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)速度越慢，這是由于溶液的粘度隨著濃度上升而上升。同樣，通過(guò)圖2的MSD曲線可以看出，在同樣的時(shí)間下，溫度越低，MSD值越小，示蹤粒子速度越慢。

   通過(guò)圖3粘彈性模量曲線可以看出，在10-80℃范圍內(nèi)，溶液均顯示出較強(qiáng)的粘性模量，且粘彈性模量隨著溫度降低而升高。

圖4中復(fù)數(shù)粘度隨頻率的曲線可以看出，在相對(duì)較低的頻率下，復(fù)數(shù)粘度基本不隨頻率改變而改變，而在相對(duì)較高頻率下，復(fù)數(shù)粘度呈現(xiàn)一定下降趨勢(shì)，展示出了弱剪切變稀的性質(zhì)。不同溫度下復(fù)數(shù)粘度隨溫度升高而降低。

在圖4復(fù)數(shù)粘度對(duì)溫度的曲線中，取頻率為870rad/s的復(fù)數(shù)粘度對(duì)溫度作圖，結(jié)果展示在圖5中。從圖中可以看出，隨溫度升高粘度迅速降低，且轉(zhuǎn)變點(diǎn)與文獻(xiàn)中報(bào)道的25-35℃之間吻合度較好。

結(jié)論

從檢測(cè)結(jié)果中，我們可以看到BeNano 的微觀流變學(xué)檢測(cè)能力。通過(guò)微流變測(cè)試，在一個(gè)短時(shí)間測(cè)試過(guò)程中可以得到樣品較高頻率下的流變學(xué)參數(shù)，包括均方位移、復(fù)數(shù)粘度、粘彈性模量等等，為表征液體的流變學(xué)特性提供了有力工具。