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Determinação do ponto isoelétrico com análise do potencial zeta

Medição do Ponto Isoelétrico com o Titulador Automático SZ-100

O potencial zeta é a carga de uma partícula no plano de cisalhamento. Esse valor de carga superficial é útil para compreender e prever as interações entre partículas em suspensão. Uma grande magnitude (positiva ou negativa), ou seja, acima de cerca de 25 mV, do potencial zeta é geralmente considerada um indicativo de que a suspensão de partículas será estabilizada eletrostaticamente. O potencial zeta pode ser medido com o HORIBA SZ-100 mostrado na Figura 1.

O analisador de nanopartículas SZ-100

O potencial zeta é uma função tanto da química da superfície da partícula quanto da química do meio de suspensão (1). Os íons presentes na superfície da partícula e que controlam o potencial de superfície são função da concentração e da natureza dos íons no líquido em massa. Além disso, a concentração de íons afeta a distância na qual os efeitos de carga persistem. Por exemplo, uma quantidade significativa de sal dissolvido irá blindar as interações eletrostáticas entre as partículas. Alguns íons, conhecidos como íons específicos, tendem a aderir à superfície da partícula à medida que a concentração desses íons aumenta. Exemplos de íons específicos incluem H ⁺ e íons polivalentes. Neste trabalho, o efeito da concentração de H ⁺ na carga superficial da partícula é estudado. Outros exemplos do efeito de várias concentrações de íons podem ser encontrados em (2) e (3).

Normalmente, e por um bom motivo, a concentração de H ⁺ é discutida em termos de pH. O pH tem um forte efeito na carga superficial de muitos tipos de partículas. Além disso, o pH é um parâmetro que é frequentemente e facilmente alterado em uma formulação. Por essas razões, o efeito do pH na carga superficial das partículas é frequentemente estudado. Um número que caracteriza uma superfície é o ponto isoelétrico (PIE), ou ponto de carga zero (PCZ), que se refere às condições, geralmente o pH, nas quais a carga superficial da partícula é zero. Em valores de pH inferiores ao PIE, a carga superficial da partícula é positiva e, em valores de pH superiores ao PIE, a carga superficial da partícula é negativa. Uma regra prática para suspensões estáveis é garantir que o pH esteja a uma unidade de pH de distância do PIE.

Os valores do ponto isoelétrico (PIE) são obtidos medindo-se o potencial zeta em função do pH e identificando-se o pH no qual o valor do potencial zeta cruza o zero. Na maioria dos casos, isso é feito por interpolação dos dados experimentais. Os valores de PIE encontrados em livros didáticos geralmente não são úteis para a prática, uma vez que o valor do PIE pode mudar drasticamente mesmo com uma pequena quantidade de impureza que se deposita na superfície da amostra. Os resultados da medição do PIE também podem ser afetados pela molhabilidade incompleta da superfície da partícula ou pela escolha dos surfactantes. Por exemplo, a adição de TSPP a uma suspensão de óxido metálico fará com que o PIE se desloque para valores de pH extremamente baixos ou desapareça completamente. Por esses motivos, os valores de PIE são normalmente medidos, e esse é um processo que pode ser automatizado.

A automatização da medição do ponto isoelétrico é alcançada com o acessório Autotitrator HORIBA para o SZ-100, mostrado na Figura 2. O Autotitrator adiciona automaticamente ácido ou base para ajustar o pH da amostra, registra o pH e carrega a amostra na célula do eletrodo de grafite do SZ-100. O potencial zeta é então determinado e o ciclo é repetido automaticamente para o próximo pH da série.

Acessório para autotitulação (LY-711) para o SZ-100

Materiais e métodos

O creme artificial para café foi diluído em água deionizada até ficar ligeiramente turvo. O pH da amostra foi automaticamente reduzido para 2 e, em seguida, aumentado gradualmente com o titulador automático HORIBA. O potencial zeta foi medido com a célula de eletrodo de grafite reutilizável no analisador de nanopartículas HORIBA SZ-100Z. O pH da amostra foi medido com o eletrodo de pH com compensação de temperatura HORIBA 9621C.

Neste estudo, foram utilizados ácido nítrico 100 mM e hidróxido de sódio 100 mM como reagentes ácido e básico, respectivamente. Os recipientes de reagentes do Autotitrator incluem um sistema de filtragem com peneira molecular para o ar de entrada, que substitui o titulante removido. As buretas de 5 mL dispensam os reagentes com precisão, sem formação de bolhas, eliminando a necessidade de desgaseificação. A menor dose de reagente que pode ser dispensada manualmente é de 0,0005 mL. O Autotitrator foi configurado no software por meio de uma interface do tipo assistente, conforme mostrado na Figura 3 abaixo. O modo manual disponível não foi utilizado neste estudo.

Assistente de configuração para o titulador automático SZ-100

A sonda de pH foi preenchida e calibrada utilizando o conjunto de soluções padrão HORIBA 101-S. Após a limpeza, foi posicionada sobre o béquer de amostra com um suporte de anel integrado. A placa de agitação integrada misturou a amostra à medida que o reagente era fornecido automaticamente. Quando o pH alvo foi atingido, uma bomba peristáltica enxaguou a célula de potencial zeta e forneceu a amostra para medição. O potencial zeta foi medido em triplicata e o pH foi monitorado para detectar deriva durante a medição. Em seguida, o ciclo foi repetido para o próximo pH da série.

Resultados e Discussão

O potencial zeta da suspensão de pó de café em função do pH é mostrado na Figura 3 abaixo. De pH 2 a pH 3, o valor do potencial zeta da emulsão de creme de café aumenta. Isso provavelmente se deve a mudanças específicas na estrutura da emulsão em pH baixo. De pH 3 a pH 11, a forma da curva é a clássica forma de S invertido. Em pH baixo, a carga da partícula é positiva devido à alta concentração de íons H ⁺. Em pH alto, a carga da partícula é negativa devido à alta concentração de íons ^OH-. O valor obtido para o ponto isoelétrico, onde o potencial zeta cruza de positivo para negativo, é em pH 5. Finalmente, há uma diminuição na magnitude do potencial zeta entre pH 11 e pH 13. Isso se deve a outra mudança estrutural na emulsão ou ao efeito de blindagem causado pelo aumento do número de íons na suspensão. O ponto principal deste gráfico é que o ponto isoelétrico deste sistema está em pH 5.

Captura de tela dos resultados da titulação automática com o SZ-100 e o Autotitrador.

Conclusões

O ponto isoelétrico (PIE) de uma suspensão pode ser determinado automaticamente usando o HORIBA SZ-100 e o titulador automático HORIBA. O PIE deste creme artificial específico para café foi determinado em pH 5.