一种基于相位分析光散射技术和毛细管电极检测装置的准确检测悬浮体系Zeta电位的检测方法与流程

一种基于相位分析光散射技术和毛细管电极检测装置的准确检测悬浮体系zeta电位的检测方法
技术领域
1.本发明专利涉及悬浮体系zeta电位的检测装置技术领域，具体为一种基于相位分析光散射技术和毛细管电极检测装置的准确检测悬浮体系zeta电位的检测方法。


背景技术：

2.分散在极性分散液(如水)中的颗粒往往在表面携带一定量电荷，这些电荷会使颗粒在溶液中形成一个超过颗粒表面界限的双电层。颗粒的电势在颗粒的表面位置最高，称作表面电位(surface potential)，在严密电位层的电位称作严密层电位(stern potential)，在颗粒的滑移层的位置的电势值称作zeta电位，在无穷远的位置，颗粒的电位值趋于零。滑移层以内，所有的组分包括溶剂分子和离子随颗粒一起运动，而滑移层以外则看作溶液环境。zeta电位具有符号，带正电的颗粒的电势为正值，而带负电的颗粒的电势值为负值。
3.zeta电位大小与颗粒体系的稳定性紧密相关。较高的zeta电位下，颗粒之间相互作用力较强，体系处于一个比较稳定的状态，而较低的zeta电位下，颗粒之间排斥力较弱，颗粒易于团聚、絮凝，体系的稳定性较差。主要影响zeta电位的因素包括溶液体系的ph、离子强度(盐浓度)和小分子添加物的浓度。zeta电位测试在化学化工，生物和医药领域具有广泛的用途，其应用范围覆盖药物释放体系，脂质体，水凝胶，微乳液，乳液，高分子溶液，蛋白质样品，纳米金颗粒等等。
4.zeta电位仪是检测悬浮体系zeta电位的分析仪器。其原理是基于电泳光散射技术els，激光光源出射后通过分光片或者分光棱镜分光，一束激光(检测光)照射到样品上，另外一束激光作为参考光直接通过光路折射进入检测器。在颗粒悬浮体系两端施加电场，带电颗粒在电场力的作用下进行电泳运动，散射光的频率会由于电泳运动产生改变，其改变的幅度与电泳速度相关。光电检测器设置在某个角度下(由于分辨率的原因通常是向前的角度)检测散射光和参考光合束后形成的拍频信号。在参考光光路中嵌入压电陶瓷pzt组件，在适当的周期性频率下对pzt施加电压产生位移，改变参考光的频率，藉此产生一个固定的基频信号。基频信号可以用于判断电泳运动的方向，从而得到zeta的符号，还可以一定程度上避免颗粒的布朗运动在0频率附近的噪声干扰，还有一个重要的作用就是参与相位分析光散射技术的锁相放大信号解析。
5.经典的els技术通过相关器对于原始拍频信号进行相关计算，通过相关曲线的傅里叶变换得到频谱分布，进而通过洛伦兹拟合得到散射信号的频率变化δf和颗粒的电泳运动速度，再通过亨利方程就得到了颗粒的zeta电位信息。一个经典els技术中存在的问题是，由于其信号解析的分辨率较低且抗噪能力差，对于低电泳迁移率的样品，即在电中点附近和高盐浓度下，难以得到准确的具有重复性的结果。
6.相位分析光散射技术pals是一个在els基础上发展起来的更为先进的电泳光散射信号处理技术。通过锁相放大技术对于原始信号进行解析，得到散射光的相位信息。相位随
时间的变化反应了频率的变化。pals技术可以更加准确的检测低电泳迁移率样品的电泳速度。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种基于相位分析光散射技术和毛细管电极检测装置的准确检测悬浮体系zeta电位的检测方法，具体方案如下：
8.一种基于相位分析光散射技术和毛细管电极检测装置的准确检测悬浮体系zeta电位的检测方法，包括毛细管电极、分光片、检测器、激光器、透镜组、反光镜，压电陶瓷pzt驱动的反光镜、数据采集卡以及运算单元，其中激光器出射后通过分光片分出两束光线，一路为入射光，一路为参考光；
9.所述入射光通过透镜组照射到毛细管电极中的样品上；
10.所述参考光在入射光12
°
角和样品散射光合束；
11.所述入射光照射在样品上，在毛细管电极两端施加周期性反转的电压形成沿毛细管分布的周期性反转电场，悬浮在样品中的带电颗粒在电场力的作用下进行电泳运动，由于颗粒的电泳运动产生光学多普勒效应导致样品的散射光的频率偏移；
12.所述参考光经过压电陶瓷pzt驱动的反光镜和样品散射光合束形成拍频，然后进入检测器；
13.所述检测器输出信号由数据采集卡传输至运算单元；
14.通过锁相放大技术进行信号解析得到散射光的相位随时间偏移量，进而通过偏移量对时间曲线斜率得到散射光的频率偏移幅值，其偏移幅值通过公式计算得到电泳迁移率，其相对于原入射光频率偏移的方向与颗粒zeta电位的符号相关；
15.将得到的电泳迁移率带入herry方程，计算得到颗粒的zeta电位。
16.所述的一种基于相位分析光散射技术和毛细管电极检测装置的准确检测悬浮体系zeta电位的检测方法，其优选方案为所述毛细管电极的检测点位置设置在电极u形毛细管底部中间位置，电极设置在毛细管顶部，两片电极间距大于50mm；可以有效避免施加电压过程中产生的焦耳热对于检测点位置电泳运动的影响。
17.所述的一种基于相位分析光散射技术和毛细管电极检测装置的准确检测悬浮体系zeta电位的检测方法，其优选方案为所述毛细管电极的毛细管通光部位光程≤4mm；相对于传统样品池10mm光程其光程更短，向前角度的散射光信号可以更加有效的透过，可以提高样品的检测浓度。
18.所述的一种基于相位分析光散射技术和毛细管电极检测装置的准确检测悬浮体系zeta电位的检测方法，其优选方案为在测试过程中在毛细管电极两端施加10
‑
30hz范围内的高频周期性反转的电压。可以有效的避免施加电压过程中毛细管电极的毛细管内壁产生的电渗对于测试结果的影响。
19.所述的一种基于相位分析光散射技术和毛细管电极检测装置的准确检测悬浮体系zeta电位的检测方法，其优选方案为采用锁相放大技术解析散射光和参考光合束后形成的拍频信号，得到散射光相位随时间变化曲线即相图；
20.通过相图中相位信号随时间曲线变化的斜率得到散射光的频率改变δf；进而通过公式
[0021][0022]
得到颗粒的电泳迁移率μ，其中n为分散液的折光指数，λ为激光波长，θ为散射光和入射光夹角，e为电场强度；
[0023]
将体系的电泳迁移率带入herry方程：
[0024][0025]
计算出颗粒的zeta电位信息；其中f(κα)为henry函数，κ为德拜半径倒数，α代表粒径，ακ代表了双电层厚度和颗粒半径的比值。
[0026]
所述的一种基于相位分析光散射技术和毛细管电极检测装置的准确检测悬浮体系zeta电位的检测方法，其优选方案为在一个测试过程中在毛细管电极两端施加10
‑
30hz范围内的高频周期性反转的电压，在每一个周期内得到两个相反方向颗粒电泳运动对应的相位信号，通过求解每个相位信号随时间变化的斜率的绝对值得到两组散射光的频率改变幅值δf；一个测试中得到施加周期数目乘以2倍数目的散射光频率改变幅值δf结果，通过求取平均值得到这个测试的散射光平均频率改变幅值结果
[0027]
所述的一种基于相位分析光散射技术和毛细管电极检测装置的准确检测悬浮体系zeta电位的检测方法，其优选方案为通过相图中相位随时间的变化趋势，即相位随时间变化斜率的符号，判断颗粒电泳方向，从而得到颗粒表面带电的符号。
[0028]
所述的一种基于相位分析光散射技术和毛细管电极检测装置的准确检测悬浮体系zeta电位的检测方法，其优选方案为在参考光路经过一个压电陶瓷pzt驱动的反光镜，通过在压电陶瓷上施加一个周期性的电压驱动压电陶瓷周期性的线性往复运动，从而给参考光施加一个固定频率的基频信号，这个基频信号参与锁相放大技术解析散射光的频率偏移。
[0029]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0030]
1.本发明结合了相位分析光散射技术和毛细管电极实现了对于低电泳迁移率的准确检测，该设备具有很好的推广和实用价值，广泛的推广应用后会产生良好的经济效益和社会效益；
[0031]
2.本发明在测试过程中通过施加10
‑
30hz范围内的高频周期性反转的电压，避免电渗流对于测试结果影响，由于采用毛细管电极装置，在施加电场过程中会产生沿毛细管壁的电渗流，电渗流会影响颗粒电泳运动。电渗流通常在施加电场250ms以上达到一个稳定增加的阶段，而在250ms以下其贡献小至可忽略。因此本发明在测试过程中施加10
‑
30hz周期性反转电场，每一个电压施加周期都远远低于250ms，因此可以有效的避免施加电压过程中毛细管电极的毛细管内壁产生的电渗流对于测试结果的影响；
[0032]
3.本发明中采用的毛细管电极，毛细管通光部位光程≤4mm，相对于传统样品池10mm光程其光程更短，向前角度的散射光信号可以更加有效的透过，可以提高样品的检测浓度；
[0033]
4.本发明广泛应用于精密的电工、电子、仪器仪表及其它产品中,主要应用于医疗卫生、生物制药、农业科研、环境保护等研究应用领域。
附图说明
[0034]
图1为本发明一种基于相位分析光散射技术和毛细管电极检测装置的准确检测悬浮体系zeta电位的检测方法电气原理框图；
[0035]
图2为本发明光路结构示意图；
[0036]
图3为本发明中检测点位置以及散射光和入射光夹角定义示意图；
[0037]
图4为本发明中毛细管电极的横截面图和侧剖视图；
[0038]
图5为本发明中在毛细管电极上施加周期性反转电压和对应的散射光信号相位随时间变化示意图。
[0039]
图中，1.毛细管电极 2.分光片 3.检测器 4.激光器 5.透镜组 6. 反光镜 7.压电陶瓷pzt驱动的反光镜 8.数据采集卡 9.入射光 10. 参考光 11.散射光 12.散射光和参考光合束后信号 13.电极 14.检测点位置 15.毛细管通道 16.运算单元。
具体实施方式
[0040]
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
如图1
‑
5所示，一种基于相位分析光散射技术和毛细管电极检测装置的准确检测悬浮体系zeta电位的检测方法，包括毛细管电极1、分光片2、检测器3、激光器4、透镜组5、反光镜6，压电陶瓷pzt 驱动的反光镜7、数据采集卡8以及运算单元16，其中激光器4出射后通过分光片分出两束光线，一路为入射光9，一路为参考光10；
[0042]
所述入射光9通过透镜组5照射到毛细管电极1中的样品上；
[0043]
入射光9照射在检测点位置并穿透电极，检测器3检测与入射光 9成12
°
夹角的散射光11；参考光10会在入射光12
°
角处和样品散射光处合束，发出散射光和参考光合束后信号12；
[0044]
所述入射光9照射在样品上，在毛细管电极1两端施加周期性反转的电压形成沿毛细管分布的周期性反转电场，悬浮在样品中的带电颗粒在电场力的作用下进行电泳运动，由于颗粒的电泳运动产生光学多普勒效应导致样品的散射光11的频率偏移；
[0045]
所述参考光10经过压电陶瓷pzt驱动的反光镜7和样品散射光 11合束形成拍频，然后进入检测器3；
[0046]
所述检测器3输出信号由数据采集卡8传输至运算单元16；
[0047]
通过锁相放大技术进行信号解析得到散射光11的相位随时间偏移量，进而通过偏移量对时间曲线斜率得到散射光11的频率偏移幅值，其偏移幅值通过公式计算得到电泳迁移率，其相对于原入射光频率偏移的方向与颗粒zeta电位的符号相关；
[0048]
将得到的电泳迁移率带入herry方程，计算得到颗粒的zeta电位。
[0049]
所述毛细管电极1的检测点位置14设置在电极u形毛细管底部中间位置，毛细管上端两侧各设置一个电极片13，两片电极间距大于50mm，样品盛放在毛细管通道15中。
[0050]
所述毛细管电极1的毛细管通光部位光程≤4mm；较小的通光长度有利于高浓度样品的散射光散射出光，有效的增加了zeta电位测试对应样品的浓度上限。
[0051]
在测试过程中在毛细管电极1两端施加10
‑
30hz范围内的高频周期性反转的电压。
[0052]
采用锁相放大技术解析散射光和参考光合束后形成的拍频信号，得到散射光相位随时间变化曲线即相图；
[0053]
通过相图中相位信号随时间曲线变化的斜率得到散射光的频率改变δf；进而通过公式
[0054][0055]
得到颗粒的电泳迁移率μ，其中n为分散液的折光指数，λ为激光波长，θ为散射光和入射光夹角，e为电场强度；
[0056]
将体系的电泳迁移率带入herry方程：
[0057][0058]
计算出颗粒的zeta电位信息；其中f(κα)为henry函数，κ为德拜半径倒数，α代表粒径，ακ代表了双电层厚度和颗粒半径的比值。
[0059]
在一个测试过程中在毛细管电极1两端施加10
‑
30hz范围内的高频周期性反转的电压，在每一个周期内得到两个相反方向颗粒电泳运动对应的相位信号，通过求解每个相位信号随时间变化的斜率的绝对值得到两组散射光的频率改变幅值δf；一个测试中得到施加周期数目乘以2倍数目的散射光频率改变幅值δf结果，通过求取平均值得到这个测试的散射光平均频率改变幅值结果
[0060]
通过相图中相位随时间的变化趋势，即相位随时间变化斜率的符号，判断颗粒电泳方向，从而得到颗粒表面带电的符号。
[0061]
在参考光路10经过一个压电陶瓷pzt驱动的反光镜7，通过在压电陶瓷上施加一个周期性的电压驱动压电陶瓷周期性的线性往复运动，从而给参考光10施加一个固定频率的基频信号，这个基频信号参与锁相放大技术解析散射光11的频率偏移。
[0062]
毛细管电极1整体采用高透光性聚碳酸酯pc材料。