專利名稱：利用交流電場(chǎng)和T通道測(cè)定ζ電勢(shì)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明申請(qǐng)涉及一種用來(lái)測(cè)定在通道壁和溶液之間產(chǎn)生的ζ電勢(shì)的方法和裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)在玻璃微通道或者毛細(xì)管中充滿電解質(zhì)溶液的時(shí)候，在液相和固相之間的界面上形成一個(gè)雙電層。如果在與雙電層相切的方向施加一電場(chǎng)，那么一電場(chǎng)力就會(huì)被施加到在雙電層上的過量的平衡離子(excess counter ions)上，并且因此產(chǎn)生電滲流(electroosmotic flow)。電滲流能夠用來(lái)作為在小型分析芯片例如實(shí)驗(yàn)用芯片“Lab-On-a-Chip”(LOC)上的重要驅(qū)動(dòng)力。對(duì)于通道的兩端之間不存在壓力梯度的情況，運(yùn)用Debye-Huckel理論，雙電層要比通道的特征長(zhǎng)度尺度小得多，電滲流的速度(u)用Helmholtz-Smoluchowski公式表示為公式1u＝-(εζE)/μ，其中ε是電解質(zhì)溶液的介電常數(shù)，ζ是在電解質(zhì)溶液和通道上的ζ電勢(shì)(zeta potential)，μ是電解質(zhì)溶液的粘度，并且E是電場(chǎng)。電解質(zhì)溶液的介電常數(shù)和粘度是電解質(zhì)溶液物理特性值，相對(duì)于電場(chǎng)來(lái)說被認(rèn)為是常數(shù)。關(guān)于這一點(diǎn)，假設(shè)測(cè)定出了ζ電勢(shì)，在通道中的電滲流的速度能夠通過電滲流的速度和外電場(chǎng)的線性關(guān)系獲得。電滲流的速度被作為流體控制例如在LOC上的流體分離和遷移的最基本數(shù)據(jù)。
依照慣例，在分散系統(tǒng)中的蛋白質(zhì)顆粒或者分散顆粒的ζ電勢(shì)主要是通過測(cè)量顆粒的移動(dòng)性測(cè)定的。然而，為了在小型分析芯片中廣泛的應(yīng)用電滲流作為驅(qū)動(dòng)力，需要測(cè)定電解質(zhì)溶液和通道壁之間產(chǎn)生的ζ電勢(shì)，而不是測(cè)定顆粒的ζ電勢(shì)。在固體-溶液界面測(cè)定ζ電勢(shì)的方法在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。
例如美國(guó)專利US 6,051,124公開了一種利用反射激光束測(cè)定ζ電勢(shì)的方法。然而這篇專利中沒有涉及到固體。
并且，顆粒追蹤方法廣泛應(yīng)用于通常的流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中。作為觀察放入流體中的示蹤顆粒一段預(yù)定時(shí)間的結(jié)果就是可以目測(cè)到直線的顆粒軌跡。由于給出了一段預(yù)定時(shí)間的示蹤顆粒的位移，因此可以計(jì)算出流體的速度。因此ζ電勢(shì)可以利用公式1確定。然而，示蹤顆粒必須被以一定濃度置入到ζ電勢(shì)測(cè)定通道中以確保ζ電勢(shì)的測(cè)定。并且，在示蹤顆粒由于電場(chǎng)的作用而帶電的情況下，必須考慮由于帶電荷的顆粒引起的電泳淌度。此外，由于先前使用的通道的壁的表面可能被示蹤顆粒污染，因此再利用這個(gè)通道進(jìn)行另外的實(shí)驗(yàn)是困難的。
ζ電勢(shì)也能夠通過基于下面的原理(Anal.Chem.1988，60，1837-1838)的電流監(jiān)控方法得到測(cè)定。當(dāng)毛細(xì)孔道中充滿了具有不同濃度的電解質(zhì)并且電壓施加到通道的兩端的時(shí)候，電解質(zhì)的濃度隨著時(shí)間的變化使電流變小或者變大。當(dāng)給出了通道兩端的距離并且時(shí)間延續(xù)直到測(cè)量不到電流變化的時(shí)候，能夠計(jì)算出電滲流的速度。因此能夠根據(jù)公式1確定ζ電勢(shì)。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，這種方法被廣泛地用于ζ電勢(shì)的測(cè)定上。
通過流動(dòng)電勢(shì)法測(cè)定ζ電勢(shì)是基于下面的原理(Journal of Colloid andinterface Science 226，328-339，2000)。當(dāng)在電滲測(cè)定通道的兩端引發(fā)壓力梯度的時(shí)候，在通道壁上的雙電層的離子就會(huì)發(fā)生移動(dòng)，因此導(dǎo)致在通道兩端產(chǎn)生電位差。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定的穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)候，將維持恒定的電位。這個(gè)電位差稱為流動(dòng)電勢(shì)。為了利用流動(dòng)電勢(shì)測(cè)定ζ電勢(shì)，需要象電導(dǎo)率和壓力差這樣的數(shù)據(jù)。具體講，需要利用通過改變通道長(zhǎng)度獲得的多個(gè)數(shù)據(jù)集的回歸分析。由于這個(gè)原因，這種流動(dòng)電勢(shì)的方法不同于顆粒示蹤方法和電流監(jiān)控方法，相對(duì)來(lái)說更為準(zhǔn)確。然而，如上面所述的，因?yàn)橛糜诨貧w分析的多個(gè)數(shù)據(jù)集必須通過先前的實(shí)驗(yàn)確定，因此流動(dòng)電勢(shì)方法不適于快速測(cè)量。并且，當(dāng)與上述的兩個(gè)方法比較的時(shí)候，這種方法需要將更多的實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接到通道的兩端。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在不使用示蹤顆粒的情況下測(cè)定ζ電勢(shì)的方法。
本發(fā)明還提供一種不需要利用示蹤顆粒測(cè)定產(chǎn)生于固體壁和溶液之間的ζ電勢(shì)的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供用來(lái)測(cè)定產(chǎn)生于通道壁和流體之間的ζ電勢(shì)的一種方法，這種方法包括(a)將電解質(zhì)溶液注入到T形通道的第一個(gè)入口，其中T性通道帶有第一和第二入口電極以及一個(gè)接地的出口電極，并且將電解質(zhì)溶液和熒光染料的混合溶液注入T性通道的第二個(gè)入口并且維持該兩種溶液的穩(wěn)定狀態(tài)；(b)從第一電極和第二電極到出口電極之間施加一直流電場(chǎng)，以在電解質(zhì)溶液和混合的溶液之間形成界面；(c)從兩個(gè)入口電極中的一個(gè)到出口電極之間施加一個(gè)交流電場(chǎng)，以使該界面振蕩；以及(d)測(cè)定界面振蕩的振幅并且根據(jù)ζ電勢(shì)和振幅兩者之間的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系測(cè)定ζ電勢(shì)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供用來(lái)測(cè)定在通道壁和流體之間產(chǎn)生的ζ電勢(shì)的裝置，這個(gè)裝置包括(a)T通道，該通道包括第一和第二入口和一個(gè)出口；(b)分別安裝在第一、第二入口以及出口處的第一、第二入口電極和一個(gè)出口電極；(c)電場(chǎng)施加裝置，該裝置用來(lái)將電場(chǎng)施加在第一入口電極和出口電極以及第二入口電極和出口電極之間；(d)兩個(gè)儲(chǔ)存器，其中一個(gè)與第一個(gè)入口連接以供給電解質(zhì)溶液，而另外一個(gè)與第二個(gè)入口連接以供給電解質(zhì)溶液和熒光染料的混合溶液；以及(e)用來(lái)測(cè)量電解質(zhì)溶液和混合溶液之間界面的振蕩振幅的設(shè)備。


本發(fā)明的上述的以及其他的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將通過引用附圖的詳細(xì)的示例性實(shí)施例的描述進(jìn)一步顯示出來(lái)。其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的在T通道中的兩種溶液之間的界面的波形示例圖；圖2A到2C是根據(jù)交流電場(chǎng)施加持續(xù)時(shí)間變化的界面的波形圖；圖3是顯示通道壁的ζ電勢(shì)和界面的振動(dòng)的振幅之間關(guān)系的圖表；圖4A是根據(jù)本發(fā)明的在T通道中的以1Hz頻率振蕩的1mM NaCI溶液的連續(xù)圖像；以及圖4B是根據(jù)本發(fā)明的在T通道中以1Hz頻率振蕩的1mM NaCI溶液的熒光強(qiáng)度與相對(duì)位置的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式
在根據(jù)本發(fā)明的ζ電勢(shì)測(cè)定方法中，在T通道和溶液之間的界面的振蕩的振幅能夠利用例如熒光顯微鏡測(cè)量。直流(DC)電場(chǎng)可以依據(jù)通道的長(zhǎng)度和物理特性改變，但是最優(yōu)的范圍是從100至2000V/cm。施加到兩個(gè)入口電極中的一個(gè)和接地的出口電極之間的交流(AC)電場(chǎng)的振幅(ε)可以依據(jù)通道的寬度而變化。雖然較大的振幅更易于對(duì)其測(cè)量，但是在振幅超出通道寬度的情況下，振幅的測(cè)量是不可能的。當(dāng)入口、出口和通道部分的寬度相同(大約100μm)的時(shí)候，AC電場(chǎng)的振幅(ε)為0.3dl或者更小是最優(yōu)的，但是并不限制在此。AC電場(chǎng)的頻率(f)能夠根據(jù)振幅測(cè)量裝置(例如CCD攝像機(jī))的圖像測(cè)量速度適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。最優(yōu)的是，頻率(f)在1至10Hz的范圍內(nèi)。本發(fā)明使用的通道包括兩個(gè)入口和一個(gè)出口。通道的尺寸和形狀沒有特定的限定，并且可以依據(jù)用于幅度測(cè)量的通道壁和電解質(zhì)溶液而變化。例如，通道可以是具有1至1000μm寬度并且具有1至5000μm高度的正交的柱。通道的壁可以由石英，玻璃，Si，SiO2，PDMS以及PMMA制成。此外還可以使用塑料材料。電解質(zhì)溶液和混合的溶液的流動(dòng)速率可以依據(jù)施加的AC電場(chǎng)和ζ電勢(shì)而變化，但是最好的是在100至1000μm/sec范圍內(nèi)。電解質(zhì)溶液可以是像NaCI溶液這樣通用的電解質(zhì)溶液。熒光染料也可以是像若丹明(rhodamine)和FITC這樣的通用的熒光染料。
最優(yōu)選的是振幅測(cè)量裝置是熒光顯微鏡。
在下文中，本發(fā)明將要通過根據(jù)圖1所示的在T通道和溶液之間的界面的波形的例子作更詳細(xì)的說明，但是并不局限于此。
首先，將電解質(zhì)溶液注入到兩個(gè)入口2和4中的一個(gè)(例如，入口4)中并且將熒光染料和電解質(zhì)溶液的混合溶液注入到另外一個(gè)入口(例如，入口2)中。注入的電解質(zhì)溶液和混合的溶液通過一個(gè)兩種溶液在其中融合的通道部分(下文中簡(jiǎn)稱為“融合通道”)流向出口6。兩種溶液流持續(xù)流動(dòng)直到達(dá)到對(duì)應(yīng)于在通道的整個(gè)部分沒有壓力梯度的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)達(dá)到兩種溶液的穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)候，在從兩個(gè)進(jìn)口到出口之間施加相同的DC電壓(V0)。這時(shí)，兩種溶液之間的界面在融合通道中顯示出來(lái)。并且，由于電滲流的速度非常低并且通道的尺寸非常小，溶液以非常低的雷諾數(shù)值(Reynolds number)流動(dòng)。結(jié)果，流體的特性對(duì)應(yīng)于斯托克斯數(shù)值(Stokes number)大約為零的區(qū)域。雖然在融合通道中的界面根據(jù)電解質(zhì)溶液的擴(kuò)散系數(shù)或大或小，但是其是非常清楚的并且具有非常小的寬度。因此，測(cè)量界面的振幅是非常容易的。
其次，為了使界面振動(dòng)，將具有恒定的ε和f的AC電壓施加到從一個(gè)入口2到出口之間。這里ε指示出AC電壓的振幅并且其在0至1的范圍之內(nèi)，f指示AC電壓的頻率。在兩種溶液之間的界面的波形與ε和f密切相關(guān)。在這種情況下，其上施加了AC電壓的通道部分的電壓表示為V＝V0(1+εsin(360ft))。參考圖1，在兩種溶液之間的界面8清晰的顯示出來(lái)。在圖1中所使用的通道是具有100μm寬和50μm高的矩形的的柱狀通道，并且ε和f分別為0.3和1Hz。
下面，將通過例子更清楚的說明本發(fā)明。然而，下面提供的例子僅僅是示例性的，而此本發(fā)明不限于這些。
實(shí)例利用具有如圖1所示的尺寸和形狀的T通道進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。
例1在這個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)中，使用的第一和第二入口通道的總長(zhǎng)度為800μm、融合通道的長(zhǎng)度為900μm、每個(gè)通道的寬度為100μm以及每個(gè)通道的高度為50μm的矩形的柱狀T通道。融合通道的出口是接地的。
這個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖1至3中。圖1是在施加了AC電壓之后顯示的界電面上的波形的一個(gè)例子的視圖。如圖1所示，可以清楚的觀察到界面8。圖2A到2C是在界面上的波形的視圖，波形根據(jù)AC電壓施加的持續(xù)時(shí)間而變化。在這種情況下，將數(shù)值為V0的DC電壓施加到第一入口2上，并且將數(shù)值為V＝V0(1+0.3sin(360t))的DC和AC的合成電壓施加到第二入口4上。ζ電勢(shì)為-50mV并且施加AC電壓后占用的時(shí)間分別為7.0、7.5和8.0秒。圖3所示為ζ電勢(shì)和界面的振動(dòng)振幅之間的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系的例子的曲線圖。為了確定標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系，隨著通道壁的ζ電勢(shì)的變化利用CFD-模擬測(cè)量幅度。在這種情況下，選擇一個(gè)周期中最大的振幅。CFD模擬利用商業(yè)上可行的模擬程序，CFD-ACE+(CFD Research Corporation，USA)，實(shí)現(xiàn)。流動(dòng)速度為632μm/sec，電解質(zhì)溶液是1M的NaCI溶液，熒光染料是若丹明。
從圖3中可以看出，在振幅和ζ電勢(shì)之間存在近似于線性的關(guān)系。因此ζ電勢(shì)能夠通過振幅測(cè)量來(lái)確定。
例2在例1中在數(shù)字上研究了振幅和ζ電勢(shì)之間的關(guān)系。在這個(gè)實(shí)例中，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以檢查例1的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
除了出口通道的長(zhǎng)度為0.7cm并且兩個(gè)入口通道的長(zhǎng)度為1cm之外，T通道與例1使用的通道具有相同的尺寸。V0的振幅為600V并且ε為0.5，也就是V＝600(1+0.5sin(360t))。在通道連接處振動(dòng)的融合層的振幅取決于施加的電場(chǎng)的頻率。
使用具有1mM和10mM濃度的NaCI溶液。在這兩種情況下，ζ電勢(shì)利用在市場(chǎng)上可以得到的ζ電勢(shì)測(cè)量裝置ELS-8000(OTSUKA Electronics，Japan)測(cè)量。這種設(shè)備(OTSUKA Electronics，Japan)利用流動(dòng)電勢(shì)的方法(Journal ofColloid and Interface Science 226，328-339，2000)測(cè)定ζ電勢(shì)。測(cè)得的1mM和10mM的NaCI溶液的ζ電勢(shì)分別為-53.9mV和-34.9mV。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)定性地說明了1mM和10mM的NaCI溶液的ζ電勢(shì)也能夠通過本發(fā)明下面所述的方法測(cè)定。
為了研究振動(dòng)電滲流的特性，獲取1mM NaCI溶液在1Hz頻率振動(dòng)的連續(xù)的圖像。在圖4A中示出了這些圖像。在圖4A中的連續(xù)的圖像顯示了振幅的最大值和最小值。在振幅的最大值和最小值之間的間隔時(shí)間是0.5秒，這個(gè)時(shí)間對(duì)應(yīng)于外部施加電場(chǎng)的時(shí)間。這個(gè)現(xiàn)象可以通過在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中的流體流動(dòng)的雷諾數(shù)值Reynolds number小(Re＜1)來(lái)解釋。在這種情況下，慣性的影響是可以忽略的，因此系統(tǒng)是線性的并且流動(dòng)的周期與施加的電場(chǎng)的周期一致。
然后，振動(dòng)性能是通過測(cè)量在從T通道內(nèi)壁起的若干特定位置的熒光強(qiáng)度的時(shí)間關(guān)系的方式測(cè)定的。在T通道中的左邊的若干特定位置測(cè)量的熒光強(qiáng)度如圖4A中按照振幅達(dá)到最大值和最小值的間隔所示。上述測(cè)量位置位于如圖4A所示的T通道內(nèi)部的左邊的a和b之間。熒光強(qiáng)度的結(jié)果的圖表顯示在圖4B中。強(qiáng)度圖表顯示了幅度的最大值和最小值不隨時(shí)間變化并且振幅的最大和最小值的多個(gè)強(qiáng)度數(shù)據(jù)能夠通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)獲得。圖4B的底部的位置對(duì)應(yīng)于從圖4A中的最低位置(a)計(jì)起的一距離。
實(shí)驗(yàn)是在0.5至2Hz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行。雖然我們沒有定量地表現(xiàn)出NaCI溶液的振幅和ζ電勢(shì)之間的關(guān)系的特性，但是本發(fā)明的方法的可行性通過這些實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。
要獲得頻率高于5Hz率的明顯的振動(dòng)特性是不可能的。在這個(gè)頻率，振動(dòng)特性看起來(lái)差不多像穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)的振動(dòng)特性并且振幅太小以至于不能區(qū)分出最大值和最小值。
因此，我們能夠推斷出對(duì)于給定的電場(chǎng)和T通道幾何結(jié)構(gòu)存在適合觀察振動(dòng)界面的頻率范圍。在利用本發(fā)明的方法測(cè)量ζ電勢(shì)之前必須規(guī)定頻率范圍。
從上述說明明顯的得出，根據(jù)本發(fā)明不需要利用示蹤顆粒并且不會(huì)污染通道就能夠測(cè)定寬范圍的ζ電勢(shì)。
雖然本發(fā)明通過引用示例性的實(shí)施例進(jìn)行了具體的顯示和說明，但是對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說在不脫離下面的權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍的基礎(chǔ)上可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行形式上和細(xì)節(jié)上的不同改變是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)定在通道壁和流體之間產(chǎn)生的ζ電勢(shì)的方法，該方法包括(a)將電解質(zhì)溶液注入到具有第一和第二入口電極以及接地的出口電極的T通道的第一入口，并且將電解質(zhì)溶液和熒光染料的混合溶液注入到T通道的一第二通道并且保持兩種溶液的穩(wěn)定狀態(tài)；(b)將直流電場(chǎng)施加到從第一和第二電極到出口電極之間以在電解質(zhì)溶液和混合溶液之間形成一個(gè)界面；(c)將交流電場(chǎng)施加到從兩個(gè)入口電極中的一個(gè)到出口電極之間以使界面振動(dòng)；以及(d)測(cè)量界面的振幅并且根據(jù)ζ電勢(shì)和振幅之間的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系測(cè)定ζ電勢(shì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中界面的振幅的測(cè)量利用的是熒光顯微鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中直流電場(chǎng)在100至2000V/cm的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中交流電場(chǎng)的頻率在1至10Hz的范圍內(nèi)。
5.一種用來(lái)測(cè)定在通道壁和流體之間產(chǎn)生的ζ電勢(shì)的裝置，該裝置包括(a)T通道，該通道包括第一和第二入口以及一個(gè)出口；(b)第一和第二入口電極以及一個(gè)出口電極分別安裝在第一和第二入口和出口上；(c)電場(chǎng)施加裝置，用于在第一入口電極和出口電極之間以及在第二入口電極和出口電極之間施加電場(chǎng)；(d)兩個(gè)存儲(chǔ)容器，其中一個(gè)與第一入口連接以提供電解質(zhì)溶液，另外一個(gè)與第二入口連接以提供電解質(zhì)溶液和熒光染料的混合溶液；以及(e)用來(lái)測(cè)量在電解質(zhì)溶液和混合溶液之間的界面的振幅的設(shè)備。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中用來(lái)測(cè)量界面的振幅的設(shè)備是熒光顯微鏡。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用來(lái)測(cè)定在固體壁和溶液之間產(chǎn)生的ζ電勢(shì)的方法。這種方法包括(a)將電解質(zhì)溶液注入具有第一和第二入口電極和接地的出口電極的T通道的第一個(gè)入口，將電解質(zhì)溶液和熒光染料的混合溶液注入到T通道的第二個(gè)通道并且保持兩種溶液的穩(wěn)定的平衡狀態(tài)；(b)將直流電場(chǎng)施加到從第一和第二電極到出口電極之間以在電解質(zhì)溶液和混合溶液之間形成一個(gè)界面；(c)將交流電場(chǎng)施加到從兩個(gè)入口電極中的一個(gè)到出口電極之間以振動(dòng)界面；以及(d)測(cè)量界面的振幅并且根據(jù)ζ電勢(shì)和振幅之間的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系測(cè)定ζ電勢(shì)。
文檔編號(hào)G01N21/64GK1517704SQ20031012373
公開日2004年8月4日 申請(qǐng)日期2003年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月21日
發(fā)明者趙允卿, 申相旻, 姜仁錫, 林根培 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社