专利名称：利用交流电场和T通道测定ζ电势的方法和装置的制作方法
技术领域：
发明申请涉及一种用来测定在通道壁和溶液之间产生的ζ电势的方法和装置。
背景技术：
当在玻璃微通道或者毛细管中充满电解质溶液的时候，在液相和固相之间的界面上形成一个双电层。如果在与双电层相切的方向施加一电场，那么一电场力就会被施加到在双电层上的过量的平衡离子(excess counter ions)上，并且因此产生电渗流(electroosmotic flow)。电渗流能够用来作为在小型分析芯片例如实验用芯片“Lab-On-a-Chip”(LOC)上的重要驱动力。对于通道的两端之间不存在压力梯度的情况，运用Debye-Huckel理论，双电层要比通道的特征长度尺度小得多，电渗流的速度(u)用Helmholtz-Smoluchowski公式表示为公式1u＝-(εζE)/μ，其中ε是电解质溶液的介电常数，ζ是在电解质溶液和通道上的ζ电势(zeta potential)，μ是电解质溶液的粘度，并且E是电场。电解质溶液的介电常数和粘度是电解质溶液物理特性值，相对于电场来说被认为是常数。关于这一点，假设测定出了ζ电势，在通道中的电渗流的速度能够通过电渗流的速度和外电场的线性关系获得。电渗流的速度被作为流体控制例如在LOC上的流体分离和迁移的最基本数据。
依照惯例，在分散系统中的蛋白质颗粒或者分散颗粒的ζ电势主要是通过测量颗粒的移动性测定的。然而，为了在小型分析芯片中广泛的应用电渗流作为驱动力，需要测定电解质溶液和通道壁之间产生的ζ电势，而不是测定颗粒的ζ电势。在固体-溶液界面测定ζ电势的方法在现有技术中是公知的。
例如美国专利US 6,051,124公开了一种利用反射激光束测定ζ电势的方法。然而这篇专利中没有涉及到固体。
并且，颗粒追踪方法广泛应用于通常的流体流动实验中。作为观察放入流体中的示踪颗粒一段预定时间的结果就是可以目测到直线的颗粒轨迹。由于给出了一段预定时间的示踪颗粒的位移，因此可以计算出流体的速度。因此ζ电势可以利用公式1确定。然而，示踪颗粒必须被以一定浓度置入到ζ电势测定通道中以确保ζ电势的测定。并且，在示踪颗粒由于电场的作用而带电的情况下，必须考虑由于带电荷的颗粒引起的电泳淌度。此外，由于先前使用的通道的壁的表面可能被示踪颗粒污染，因此再利用这个通道进行另外的实验是困难的。
ζ电势也能够通过基于下面的原理(Anal.Chem.1988，60，1837-1838)的电流监控方法得到测定。当毛细孔道中充满了具有不同浓度的电解质并且电压施加到通道的两端的时候，电解质的浓度随着时间的变化使电流变小或者变大。当给出了通道两端的距离并且时间延续直到测量不到电流变化的时候，能够计算出电渗流的速度。因此能够根据公式1确定ζ电势。由于实验设备简单，这种方法被广泛地用于ζ电势的测定上。
通过流动电势法测定ζ电势是基于下面的原理(Journal of Colloid andinterface Science 226，328-339，2000)。当在电渗测定通道的两端引发压力梯度的时候，在通道壁上的双电层的离子就会发生移动，因此导致在通道两端产生电位差。当达到稳定的稳定状态的时候，将维持恒定的电位。这个电位差称为流动电势。为了利用流动电势测定ζ电势，需要象电导率和压力差这样的数据。具体讲，需要利用通过改变通道长度获得的多个数据集的回归分析。由于这个原因，这种流动电势的方法不同于颗粒示踪方法和电流监控方法，相对来说更为准确。然而，如上面所述的，因为用于回归分析的多个数据集必须通过先前的实验确定，因此流动电势方法不适于快速测量。并且，当与上述的两个方法比较的时候，这种方法需要将更多的实验设备连接到通道的两端。
发明内容
本发明提供一种在不使用示踪颗粒的情况下测定ζ电势的方法。
本发明还提供一种不需要利用示踪颗粒测定产生于固体壁和溶液之间的ζ电势的装置。
根据本发明的一个方面，提供用来测定产生于通道壁和流体之间的ζ电势的一种方法，这种方法包括(a)将电解质溶液注入到T形通道的第一个入口，其中T性通道带有第一和第二入口电极以及一个接地的出口电极，并且将电解质溶液和荧光染料的混合溶液注入T性通道的第二个入口并且维持该两种溶液的稳定状态；(b)从第一电极和第二电极到出口电极之间施加一直流电场，以在电解质溶液和混合的溶液之间形成界面；(c)从两个入口电极中的一个到出口电极之间施加一个交流电场，以使该界面振荡；以及(d)测定界面振荡的振幅并且根据ζ电势和振幅两者之间的标准关系测定ζ电势。
根据本发明的另一个方面，提供用来测定在通道壁和流体之间产生的ζ电势的装置，这个装置包括(a)T通道，该通道包括第一和第二入口和一个出口；(b)分别安装在第一、第二入口以及出口处的第一、第二入口电极和一个出口电极；(c)电场施加装置，该装置用来将电场施加在第一入口电极和出口电极以及第二入口电极和出口电极之间；(d)两个储存器，其中一个与第一个入口连接以供给电解质溶液，而另外一个与第二个入口连接以供给电解质溶液和荧光染料的混合溶液；以及(e)用来测量电解质溶液和混合溶液之间界面的振荡振幅的设备。
本发明的上述的以及其他的特点和优点将通过引用附图的详细的示例性实施例的描述进一步显示出来。其中图1是根据本发明的在T通道中的两种溶液之间的界面的波形示例图；图2A到2C是根据交流电场施加持续时间变化的界面的波形图；图3是显示通道壁的ζ电势和界面的振动的振幅之间关系的图表；图4A是根据本发明的在T通道中的以1Hz频率振荡的1mM NaCI溶液的连续图像；以及图4B是根据本发明的在T通道中以1Hz频率振荡的1mM NaCI溶液的荧光强度与相对位置的关系曲线。
具体实施例方式
在根据本发明的ζ电势测定方法中，在T通道和溶液之间的界面的振荡的振幅能够利用例如荧光显微镜测量。直流(DC)电场可以依据通道的长度和物理特性改变，但是最优的范围是从100至2000V/cm。施加到两个入口电极中的一个和接地的出口电极之间的交流(AC)电场的振幅(ε)可以依据通道的宽度而变化。虽然较大的振幅更易于对其测量，但是在振幅超出通道宽度的情况下，振幅的测量是不可能的。当入口、出口和通道部分的宽度相同(大约100μm)的时候，AC电场的振幅(ε)为0.3dl或者更小是最优的，但是并不限制在此。AC电场的频率(f)能够根据振幅测量装置(例如CCD摄像机)的图像测量速度适当的调整。最优的是，频率(f)在1至10Hz的范围内。本发明使用的通道包括两个入口和一个出口。通道的尺寸和形状没有特定的限定，并且可以依据用于幅度测量的通道壁和电解质溶液而变化。例如，通道可以是具有1至1000μm宽度并且具有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。此外还可以使用塑料材料。电解质溶液和混合的溶液的流动速率可以依据施加的AC电场和ζ电势而变化，但是最好的是在100至1000μm/sec范围内。电解质溶液可以是像NaCI溶液这样通用的电解质溶液。荧光染料也可以是像若丹明(rhodamine)和FITC这样的通用的荧光染料。
最优选的是振幅测量装置是荧光显微镜。
在下文中，本发明将要通过根据图1所示的在T通道和溶液之间的界面的波形的例子作更详细的说明，但是并不局限于此。
首先，将电解质溶液注入到两个入口2和4中的一个(例如，入口4)中并且将荧光染料和电解质溶液的混合溶液注入到另外一个入口(例如，入口2)中。注入的电解质溶液和混合的溶液通过一个两种溶液在其中融合的通道部分(下文中简称为“融合通道”)流向出口6。两种溶液流持续流动直到达到对应于在通道的整个部分没有压力梯度的稳定状态。当达到两种溶液的稳定状态的时候，在从两个进口到出口之间施加相同的DC电压(V0)。这时，两种溶液之间的界面在融合通道中显示出来。并且，由于电渗流的速度非常低并且通道的尺寸非常小，溶液以非常低的雷诺数值(Reynolds number)流动。结果，流体的特性对应于斯托克斯数值(Stokes number)大约为零的区域。虽然在融合通道中的界面根据电解质溶液的扩散系数或大或小，但是其是非常清楚的并且具有非常小的宽度。因此，测量界面的振幅是非常容易的。
其次，为了使界面振动，将具有恒定的ε和f的AC电压施加到从一个入口2到出口之间。这里ε指示出AC电压的振幅并且其在0至1的范围之内，f指示AC电压的频率。在两种溶液之间的界面的波形与ε和f密切相关。在这种情况下，其上施加了AC电压的通道部分的电压表示为V＝V0(1+εsin(360ft))。参考图1，在两种溶液之间的界面8清晰的显示出来。在图1中所使用的通道是具有100μm宽和50μm高的矩形的的柱状通道，并且ε和f分别为0.3和1Hz。
下面，将通过例子更清楚的说明本发明。然而，下面提供的例子仅仅是示例性的，而此本发明不限于这些。
实例利用具有如图1所示的尺寸和形状的T通道进行模拟实验。
例1在这个模拟实验中，使用的第一和第二入口通道的总长度为800μm、融合通道的长度为900μm、每个通道的宽度为100μm以及每个通道的高度为50μm的矩形的柱状T通道。融合通道的出口是接地的。
这个模拟实验结果示于图1至3中。图1是在施加了AC电压之后显示的界电面上的波形的一个例子的视图。如图1所示，可以清楚的观察到界面8。图2A到2C是在界面上的波形的视图，波形根据AC电压施加的持续时间而变化。在这种情况下，将数值为V0的DC电压施加到第一入口2上，并且将数值为V＝V0(1+0.3sin(360t))的DC和AC的合成电压施加到第二入口4上。ζ电势为-50mV并且施加AC电压后占用的时间分别为7.0、7.5和8.0秒。图3所示为ζ电势和界面的振动振幅之间的标准关系的例子的曲线图。为了确定标准关系，随着通道壁的ζ电势的变化利用CFD-模拟测量幅度。在这种情况下，选择一个周期中最大的振幅。CFD模拟利用商业上可行的模拟程序，CFD-ACE+(CFD Research Corporation，USA)，实现。流动速度为632μm/sec，电解质溶液是1M的NaCI溶液，荧光染料是若丹明。
从图3中可以看出，在振幅和ζ电势之间存在近似于线性的关系。因此ζ电势能够通过振幅测量来确定。
例2在例1中在数字上研究了振幅和ζ电势之间的关系。在这个实例中，进行实验以检查例1的模拟实验结果的准确性。
除了出口通道的长度为0.7cm并且两个入口通道的长度为1cm之外，T通道与例1使用的通道具有相同的尺寸。V0的振幅为600V并且ε为0.5，也就是V＝600(1+0.5sin(360t))。在通道连接处振动的融合层的振幅取决于施加的电场的频率。
使用具有1mM和10mM浓度的NaCI溶液。在这两种情况下，ζ电势利用在市场上可以得到的ζ电势测量装置ELS-8000(OTSUKA Electronics，Japan)测量。这种设备(OTSUKA Electronics，Japan)利用流动电势的方法(Journal ofColloid and Interface Science 226，328-339，2000)测定ζ电势。测得的1mM和10mM的NaCI溶液的ζ电势分别为-53.9mV和-34.9mV。
这个实验定性地说明了1mM和10mM的NaCI溶液的ζ电势也能够通过本发明下面所述的方法测定。
为了研究振动电渗流的特性，获取1mM NaCI溶液在1Hz频率振动的连续的图像。在图4A中示出了这些图像。在图4A中的连续的图像显示了振幅的最大值和最小值。在振幅的最大值和最小值之间的间隔时间是0.5秒，这个时间对应于外部施加电场的时间。这个现象可以通过在这个实验中的流体流动的雷诺数值Reynolds number小(Re＜1)来解释。在这种情况下，惯性的影响是可以忽略的，因此系统是线性的并且流动的周期与施加的电场的周期一致。
然后，振动性能是通过测量在从T通道内壁起的若干特定位置的荧光强度的时间关系的方式测定的。在T通道中的左边的若干特定位置测量的荧光强度如图4A中按照振幅达到最大值和最小值的间隔所示。上述测量位置位于如图4A所示的T通道内部的左边的a和b之间。荧光强度的结果的图表显示在图4B中。强度图表显示了幅度的最大值和最小值不随时间变化并且振幅的最大和最小值的多个强度数据能够通过一个实验获得。图4B的底部的位置对应于从图4A中的最低位置(a)计起的一距离。
实验是在0.5至2Hz的频率范围内进行。虽然我们没有定量地表现出NaCI溶液的振幅和ζ电势之间的关系的特性，但是本发明的方法的可行性通过这些实验得到证实。
要获得频率高于5Hz率的明显的振动特性是不可能的。在这个频率，振动特性看起来差不多像稳态电场的振动特性并且振幅太小以至于不能区分出最大值和最小值。
因此，我们能够推断出对于给定的电场和T通道几何结构存在适合观察振动界面的频率范围。在利用本发明的方法测量ζ电势之前必须规定频率范围。
从上述说明明显的得出，根据本发明不需要利用示踪颗粒并且不会污染通道就能够测定宽范围的ζ电势。
虽然本发明通过引用示例性的实施例进行了具体的显示和说明，但是对于本领域普通技术人员来说在不脱离下面的权利要求书限定的本发明的精神和范围的基础上可以对本发明进行形式上和细节上的不同改变是显而易见的。
权利要求
1.一种用于测定在通道壁和流体之间产生的ζ电势的方法，该方法包括(a)将电解质溶液注入到具有第一和第二入口电极以及接地的出口电极的T通道的第一入口，并且将电解质溶液和荧光染料的混合溶液注入到T通道的一第二通道并且保持两种溶液的稳定状态；(b)将直流电场施加到从第一和第二电极到出口电极之间以在电解质溶液和混合溶液之间形成一个界面；(c)将交流电场施加到从两个入口电极中的一个到出口电极之间以使界面振动；以及(d)测量界面的振幅并且根据ζ电势和振幅之间的标准关系测定ζ电势。
2.根据权利要求1所述的方法，其中界面的振幅的测量利用的是荧光显微镜。
3.根据权利要求1所述的方法，其中直流电场在100至2000V/cm的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中交流电场的频率在1至10Hz的范围内。
5.一种用来测定在通道壁和流体之间产生的ζ电势的装置，该装置包括(a)T通道，该通道包括第一和第二入口以及一个出口；(b)第一和第二入口电极以及一个出口电极分别安装在第一和第二入口和出口上；(c)电场施加装置，用于在第一入口电极和出口电极之间以及在第二入口电极和出口电极之间施加电场；(d)两个存储容器，其中一个与第一入口连接以提供电解质溶液，另外一个与第二入口连接以提供电解质溶液和荧光染料的混合溶液；以及(e)用来测量在电解质溶液和混合溶液之间的界面的振幅的设备。
6.根据权利要求5所述的装置，其中用来测量界面的振幅的设备是荧光显微镜。
全文摘要
本发明提供了一种用来测定在固体壁和溶液之间产生的ζ电势的方法。这种方法包括(a)将电解质溶液注入具有第一和第二入口电极和接地的出口电极的T通道的第一个入口，将电解质溶液和荧光染料的混合溶液注入到T通道的第二个通道并且保持两种溶液的稳定的平衡状态；(b)将直流电场施加到从第一和第二电极到出口电极之间以在电解质溶液和混合溶液之间形成一个界面；(c)将交流电场施加到从两个入口电极中的一个到出口电极之间以振动界面；以及(d)测量界面的振幅并且根据ζ电势和振幅之间的标准关系测定ζ电势。
文档编号G01N21/64GK1517704SQ20031012373
公开日2004年8月4日 申请日期2003年11月15日 优先权日2003年1月21日
发明者赵允卿, 申相旻, 姜仁锡, 林根培 申请人:三星电子株式会社