Способ измерения электрофоретической подвижности частиц суспензий Советский патент 1984 года по МПК G01N27/26 

Изобретение относится к электрокинетическнм явлениям, в частности к методам определения дзета-потенциала частиц в водных растворах путем измерения их электрофоретической подвижности. Известен способ измерения электро форетической подвижности микроскопическим методом. В электрическом поле постоянного тока с помощью микроскопа определяется скорость перемещения частицы, являющейся суммой ско ростей элект1)сфореза и электроосмоса. Скорость электроосмоса определяется по скорости перемещения га зового пузырька, находящегося в параллельном капилпяре, экранированного от воздействия электричес - кого поля. Разность значения скорос тей частицы и пузырька дает скорост электрофореза, по которой определяется одна из важнейших характеристик дисперсной системы - дзета-по-тенциал частицы l j. Недостатком такого способа являетс использование постоянного тока,приводящего к осмотическому движению жидкости, скорость которого приходится измерять с помощью.пузырька . Одновременное микроскопическое измерение скорости частицы и пузырька приводит к дополнительньм погрешностям. Микроскопические измерения относятся к трудоемким методам исследования, требующим определенных навыков в работе. Кроме того, при протекании постоянного тока происходит газообразование на электродах и нагрев исследуемой жидкости. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения электрофоретической подвижности частиц суспензии с помощью лазерного доплеровского анемометра. Луч гелий-неонового лазера после прохождения фокусирующей линзы расщепляется на два пучка с помощью оптической системы. Каждый выходящий луч падает на одно из двух симметричных зеркал, которые обеспечивают при юстировке изменение угла пересечения лучей от О до 90°. В области пересечения лучей помещается измерительный объем электрофоретической ячейки. Частица, находящаяся в области пересечения лучей, рассеивает свет одновременно от двух лучей Рассеянный свет выделяется с помощью диафрагм и подается на фотоэлектронный умножитель, сигнал с которого поступает на анализатор спектра. В измерительном объеме расположены электроды, создающие электрическое поле, в котором происходит электрофоретическое перемещение частиц. Используются два типа электродов: параллельные плоские пластины, расположенные на расстоянии 1 мм друг от друга, и проволочные электроды, помещенные с двух сторон длинного капилляра. Использование пластин предпочтительней, так как.при этом уменьшается влияние конвективных потоков и электроосмотического движения жидкости. Для уменьшения влияния электроосмоса на измеряемую подвижность частиц на пластины подают двухполярные прямоугольные импульсы с частотой 2 Гц и напряжением порядка 1 В. Напряжение на проволочных электродах порядка 100 В. Известный способ позволяет автоматизировать процесс измерений, повысить его точность C2J. Недостатком известного устройства является наличие электроосмотического перемещения жидкости. Поэтому измерения проводятся на стационарном уровне, на котором скорость прямого и обратного осмотических потоков близка по величине. Выбор стационарного уровня приводит к дополнительной погрешности измерений и требует дополнительного времени. Целью изобретения является повышение быстродействия и точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения электрофоретической подвижности частиц суспензий, включающему воздействие на частицы прямоугольньм импульсом электрическим полем, освещение их двумя пересекающимися пучками оптического излучения и регистрацию параметра рассеянного на частицах излучения, освещение частиц проводят пучками оптического излучения со сдвигом их частот, при этом на частицы дополнительного воздействуют постоянным электрическим полем, нормальным к импульсному, и измеряют период доплеровского сигнала, возникающий при воздействии на частицы однократным импульсом напряженностью 0-1000 В/см и длительностью 2-10 - KJ-c. На фиг. 1 представлена схема ус ройства для реализации способа; на фиг. 2 - форма импульса па электро дах ячейки. Устройство состоит из лазера 1 (фиг. 1), делителя 2 луча, зеркал телескопических систем 4, фокусиру щих линз 5, ди&фрагм 6, приемного объектива 7, полупрозрачного зеркала 8, фотоприемника 9, процессор 10 доплеровского сигнала, кюветы 1 проволочных 12 и плоских 13 электродов, источника 14 постоянного напряжения, импульсного генератора 15 и микроскопа 16. Способ осуществляется следукяцим образом. Луч лазера 1 (типа ЛГ-38) попад на делитель 2 луча. Образованные д пучка отражаются от зеркал 3,проход телескопические системы 4, фокусир .щие линзы 5, диафрагмы 6, приемный объектив 7, полупрозрачное зеркало 8 и попадают в фотоприемник 9, выхо которого соединен с входом процессо ра 10 доплеровского сигнала. В обла ти пересечения лучей помещена кювета 1 1 с исследуемой дисперсной сист мой, в которой расположены электрод 12и 13. Постоянное напряжение пода ется на электроды 12 от источника импульсное напряжение на электроды 13подается с генератора 15. Лучи частично отраженные от зеркала 8, попадают на микроскоп 16. Луч лазера 1 разделяется на два пучка с помощью делителя 2 луча. Деление луча производят со сдвигом частоты между образованными пучками Эта мера необходима для того, чтобы определить направление движения исследуемых частиц, а также уменьшить время обработки полезного сигнала, полученного рассеянием излучения частицами. Частоты сигнала определя ется из выражения - где ии - частота сигнала; Ысд- сдвиг частоты между двумя пучками; доплеровское изменение частоты. Если bJcA Jvc niio измерение можно проводить за один период результирующего сигнала, т.е. i л,2л изм JJ где ,д,- время измерения; Т - период сигнала. Кроме того, введение сдвига частоты между ny4KaNtti позволяет увеличить отношение a mлитyды полезного сигнала к щуму. Образованные два пучка отражаются от зеркал 3, проходят телескопические системы 4, которые расширяют пучки приблизителььГо в восемь раз, что позволяет во столько же раз увеличить фокусное расстояние линзы при заданной области пересечения. Лучи фокусируются линзами 5. Расфокусировка телескопическими системами 4 необходима для того, чтобы можно было получить малый измерительный объем при использовании длиннофокусных линз 5, что позволяет применять кюветы 11, имеющие большую протяженность в направлении световых пучков. В- кювете 1 1 находится изучаемая дисперсная система. В слабоконцентрированньгх суспензиях расстояние между частицами велико, поэтому мала вероятность нахождения частицы в области пересечения лучей. Для того, чтобы поместить частицу в зту область, необходимо ее перемещать вдоль оптической оси. С этой целью в кювете помещены проволочные электроды 12, создающие продольное постоянное электрическое поле напряженностью 10-40 В/см. Нижняя граница соответствует более высоким концентрациям частиц. При наложении электрического поля наблюдается продольное осмотическое движение жидкости, однако на результат измерения оно не влияет, так как скорость частицы определяется только в поперечном направлении . Наличие частицы в измерительном объеме определяется с помощью полупрозрачного зеркала 8 и микроскопа 16. В этот момент формируют .-управляющий сигнал, поступающий на источник 15 питания, накладывающий на частицу импульсное поперечное электрическое поле. Частица перемещается в плоскости пересекающихся лучей в направлении, перпендикулярном оси оптической схемы, рассеивая падающий свет. Рассеянное частицей излучение вьвделяется с помощью диафрагм 6. Приемный объектив фокусирует рассеянное излучение на входном отверстии фотоприемника 9 усиливающего сигнала.С помощью процессора 10 измеряется период доплеровского сигнала. На плоскость электродов 13 кюветы 11 подается одиночный прямоуголь ный импульс напряжения амплитудой (f и длительностью Т (фиг. 2). Амплитуда и выбирается такой, чтобы обеспечить требуемую точность измерений при наличии мешанлцих факторов таких как броуновское движение, седиментация, конвекция. При использовании напряженности поля 40 ВУсм погрешность измерения ограничена броуновским движением на уровне 10%. Повышение напряженност поля нецелесообразно, так как оно привело бы к большим тепловым потерям и соответственно, к конвективны потокам. В предлагаемом способе при расстоянии между электродами 1-2 мм легко реализовать напряженность 1000 В/см. За счет малой длительности импульсного сигнала не успеет вьщелиться большого количества тепла и развиться конвективное движение. В то же время погрешност измерения уменьшится при увеличении напряженности поля. Так, например, при напряженности поля 1000 В/см погрешность равна 40 В/см 10% 0,4% (2 1000 В/см Дальнейшее повышение напряженнос поля нецелесообразно из-за вьзделени тепла,газообразования на электродах возникновения конвективных потоков Длительность импульса выбирается из следукнцих соображений. В первом приближении уравнение движения сферической частицы радиуса а под действием электрического попя в ср с вязкостью можно записать в виде ctE-6J7« V Решение этого уравне11ия имеет ви I. . / i- . ii. 1 - i--i II где « эквивалентный заряд} К (,Го11ъ электрофоретическая подвиж HOCTbJ m If а IrrSt gJiпостоянная времени р - плотность частицы. Если скорость установившегося движения, достигаемую частицей за время t 7 5 Т, обозначить V. , то k :-|2- , Для эритроцитов р 1000 кг/м 0 10 м, для воды ) . Тогда t . Длительность импульса нужно выбирать на порядок больше постоянной времени, т.е. Т / lOf 2 . Верхний предел Т следует оценить из времени развития электроосмоса а также значений теплоемкости и электропроводности . Так как при частоте 100 Гц электроосмотических явлений в ячейках закрытого типа и 10 Гц открытого не наблюдается, отсюда Т Юс-. Примем это значение за верхний предел длительности импульса. Следовательно, длительность импульса должна быть выбрана в диапазоне 2 . Быстродействие измерений, с одной стороны, обеспечивается за счет применения высокой напряженности поперечного поля, что приводит к более высокой скорости перемещения частицы относительно скорости перемещения в известном способе. Повьш ение скорости приводит к увеличению доплеровского сдвига частоты, по периоду которого судят о скорости частицы. С другой стороны, как следует из выражения (1), быстродействие увеличивается не менее чем на порядок за счет применения сдвига частот двух пучков, получаемых при разделении лазерного луча и применения для обработки доплеровского сигнала процессора, изменяющего длительность периода доплеровской частоты. Дзета-потенциал эритроцитов в физиологическом растворе измеряется при использовании поперечного импульсного электрического поля (таблица). Как видно из таблицы предложенный способ снижает погрешность определений до величины порядка 0,5%. Погрешность по известному способу составляет 10%, погрешность определений по методу микрои макрофореза не менее 10%. Так как дзета-потенциал является одной из важнейших электрокинетических характеристик, который играет определянщую роль в вопросах устойчивости дисперсных систем, предложенный способ может найти применение в различных областях техники.

и

Uo

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ ЧАСТИЦ СУСПЕНЗИЙ, включающий воздействие на частицы прямоугольным импульсным электрическим пешем, освещение их двумя пересекающимися пучками оптического излучения и регистрацию параметра рассеянного на частицах излучения, отличающийся тем, что, с целью повьшения быстродействия и точности измерений, освещение частиц проводят пучками оптического излучения со сдвигом их частот, при этом на частицы дополнительно воздействуют постоянным электрическим полем, нормальным к импульсному, и измеряют период доплеровского сигнала, возникающий при воздействии на частицы однократным прямоугольным импульсом напряженностью 40-1000 В/см и длительностью 2-10 - .

Фи1.2