Устройство для определения электрофоретической подвижности частиц в коллоидно-дисперсных системах

Полезная модель относится к приборам для измерения электрофоретической подвижности микро- и наночастиц в коллоидно-дисперсных системах. Данное устройство преимущественно применимо в промышленности (при изготовлении порошков и эмульсий, нанокомпозитов, наночастиц металлов), фармакологии, медицине, пищевой промышленности, экологии для контроля загрязненности окружающей среды [1].
Наиболее известные приборы для определения электрофоретической подвижности микро- и наночастиц в коллоидных системах выпускаются несколькими производителями: Malvern - Zetasizer Nano ZS, Photocor - Photocor Complex, Particle Sizing Systems - Nicomp и др. [2], в которых применяется метод электрофоретического светорассеяния (ЭФС). Как известно из [3], данный метод основан на регистрации и анализе квазиупругого светорассеяния в растворе с последующей регистраций спектральных или корреляционных характеристик света, рассеянного движущимся объектом.
Частицы в коллоидной системе находятся в броуновском (хаотическом) движении, а приложение электрического поля вызывает их направленный дрейф к электродам с противоположной полярностью. В электрическом поле на поверхности частиц (на границе раздела частица - жидкость) возникает двойной электрический слой, состоящий из адсорбционной и диффузной части [4]. Частицы в коллоидной системе закрепляют слой ионов определенного знака, равномерно распределенных по поверхности и создающих на ней поверхностный заряд (потенциалопределяющие ионы). К этому слою из жидкой среды притягиваются ионы противоположного знака (противоионы).
При прохождении когерентного излучения через коллоидную систему последний претерпевает амплитудные флуктуации в соответствии с теорией динамического рассеяния света. Регистрируемый сигнал представляет собой зависимость интенсивности рассеянного излучения от времени. Для выявления закономерностей в сигнале пользуются не частотным, а временным представлением спектра сигнала, т.е. вычислением его автокорреляционной функции. В электрическом поле корреляционная функция будет промодулирована косинусоидальной функцией, частота которой определяется электрофоретической подвижностью, а скорость затухания определяется коэффициентом диффузии [5]. Электрофоретическую подвижность частиц можно вычислить в случае монодисперсного раствора, используя выражение
где  - период колебания автокорреляционной функции, значение которого можно найти из полученных экспериментальных зависимостей, q - волновой вектор рассеяния, Е - напряженность электрического поля, ϕ - угол регистрации рассеяния [4].
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является спектрометр динамического рассеяния света, содержащий лазер с блоком фокусировки, размещенную в термостате кювету с исследуемой жидкостью, содержащую электроды, на которые подается переменное напряжение, фотоприемное устройство и систему обработки и анализа данных, подключенную к компьютеру, выполняющему управление прибором и обработку данных с помощью специальной программы (патент РФ №118054, опубл. 10.07.2012 по классу МПК G01J 9/02).
К недостаткам описанного устройства следует отнести сложность процедуры настройки и измерения электрофоретической подвижности микро- и наночастиц в коллоидных системах, конструкцию электродов и систему регистрации рассеянного излучения. В подобных исследованиях напряжение на электродах так же, как и время съема сигнала должно быть ограничено, чтобы избежать нагрева и изменение свойств образца.
Задачей полезной модели является устранение выше указанных недостатков. Это расширит функциональные возможности измерительного прибора. Поставленная задача решается путем использования призмы полного внутреннего отражения (ППВО) с напыленными электродами, а также применением оптоволокна с коллиматором для сбора рассеянного излучения, который соединен с аналого-цифровой платой, подключенной к компьютеру.
Технический результат - увеличение точности определения электрофоретической подвижности в жидкостях и повышение достоверности получаемых результатов за счет применения аналого-цифровой платы и системы регистрации рассеянного излучения, а также упрощение процедуры измерения и уменьшение размеров устройства за счет применения полупроводникового лазера и фотоэлектронного умножителя в качестве детектора рассеянного излучения, а также модификации конструкции электродов.
Система сбора рассеянного излучения, содержащая коллиматор и оптическое волокно, соединенного с ФЭУ, является малогабаритной и обеспечивает возможность увеличения отношения сигнал/шум в разрабатываемой полезной модели, что ведет к повышению достоверности получаемых результатов. При этом коллиматор собирает рассеянное излучение на вход одномодового оптоволокна так, что всё поступающее на него излучение попадает в сердцевину волокна. Из рассеянного излучения с помощью коллиматора вырезается излучение, площадь которого при попадании на оптическое волокно не превышать площади когерентности.
Использование аналого-цифровой платы позволяет проводить исследования растворов с высокой скоростью и с большей точностью путем увеличения частоты дискретизации, при этом избежать теплового воздействия, которое оказывает разрушительный характер на исследуемый образец.
Конструкция используемых электродов отличается от представленных в прототипе тем, что они изготавливаются путем напыления тонкой пленки, порядка 100 нм, на призму ППВО, что способствует достижению технического результата в части упрощение процедуры измерения и уменьшения размера устройств. Размеры электродов составляют 2 мм×2 мм.
В данном устройстве заряженные молекулы перемещаются в капилляре в проводящей жидкости под действием электрического поля, который помещен на верхнюю грань призмы ППВО. Капилляр выполнен на основе двух стеклянных пластинок размером 14,3×7×0,5 мм с полированными торцами. При этом расстояние между стеклами составило 0,1 мм, между электродами 1,43 см.
Описанное исполнение измерительной системы на основе эффекта полного внутреннего отражения позволяет использовать его при исследовании малых объемов исследуемого образца (V=10 мкл) и работать в тонком слое (исследовать приповерхностные явление), тем самым, повысить точность получаемых результатов.
Полезная модель поясняется чертежами:
- на Фиг. 1 схематично изображено устройство для измерения электрофоретической подвижности и дзета-потенциала, где 1 - аккумуляторная батарея для питания лазера, 2 - полупроводниковый лазерный модуль с системой фокусировки, 3 - призма ППВО, 4 - исследуемый образец, 5 - стеклянный капилляр, 6 - электроды, 7 - источник напряжения, 8 - коллиматор, 9 - одномодовое оптоволокно, 10 - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), 11 - источник питания фотоэлектронного умножителя, 12 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП); 13 - компьютер;
1
2
рас
пад
отр
з.в.
крит
пад
отр
0
0
2
- на Фиг. 2 представлен механизм распространения затухающей волны в призме ППВО и геометрия рассеяния, где n, n - показатели преломления граничащих сред, ξ - глубина проникновения затухающей волны, q - волновой вектор рассеяния, q, q - падающий и отраженный волновые вектора электромагнитной волны при ПВО, К - волновой вектор затухающей волны, соответствующий прошедшему излучению через призму ПВО, θ, θ, θ - критический угол, угол падения и угол отражения лазерного излучения, I - интенсивность затухающей волны у поверхности раздела, I/е - интенсивность затухающей волны на глубине проникновения ξ;
- на Фиг. 3 представлены автокорреляционные функции (АКФ) для микросфер радиусом 0,97 мкм и 0,32 мкм в электрическом поле 0 В/см;
- на Фиг. 4 представлены автокорреляционные функции для микросфер радиусом 0,97 мкм и 0,32 мкм в электрическом поле 14 В/см.
Расчет параметров для достижения режима полного внутреннего отражения на призме 3 проводился следующим образом. При некоторой величине падающего угла, называемого критическим углом, небольшая часть падающей электромагнитной волны проникает в менее плотную среду. Значение величины критического угла определяется по формуле (3) [6]
1
2
где n, n - показатели преломления граничащих сред. В данном случае величина критического угла составила . Электрическое поле такой волны определяется выражением
где  - поле затухающей волны у поверхности раздела, z - расстояние от поверхности, ξ - глубина проникновения затухающей волны [6]
где  - длина волны лазерного излучения. Для заявляемой схемы устройства величина глубины проникновения составляет ξ=549 нм.
Устройство для измерения электрофоретической подвижности и дзета-потенциала микро и наночастиц в коллоидных системах работает следующим образом. Полупроводниковый лазер 2 мощностью 2,5 мВт и длиной волны 650 нм запитан от аккумуляторной батареи 1, что обеспечивает стабильность излучения по мощности. Сфокусированное излучение от лазера под углом полного внутреннего отражения поступает на призму ППВО 3 с исследуемым образцом жидкости 4, размещенным в стеклянном капилляре 5 шириной 0,1 мм и длиной 14,3 мм, расположенном на верхней грани призмы. К торцам капилляра 5 через электроды 6 подается напряжение от источника питания 7. Рассеянное на образце излучение под углом 90° по отношению к опорному лазерному пучку попадает через коллиматор 8 на вход одномодового оптоволокна 9, по которому передается для последующей регистрации на вход фотоэлектронного умножителя 10, питающегося от источника 11. Сигнал с фотоэлектронного умножителя оцифровывается АЦП 12 с частотой 10 кГц и поступает по USB-шине на компьютер. Длительность регистрируемых сигналов составляет 0,1-10 сек, что позволяет проводить исследования растворов с высокой скоростью, которую не может обеспечить ни один из известных авторам приборов.
-6
2
-6
2
При помощи заявляемого устройства были проведены модельные эксперименты по исследованию физических параметров микросфер из диоксида кремния радиусом 0,32 мкм и 0,94 мкм при наложении электрического поля. Автокорреляционные функции регистрируемого ФЭУ 9 рассеянного излучения были построены в разработанной авторами программе в EXCEL. По формулам (1) и (2) были посчитаны значения электрофоретической подвижности. На Фиг. 3 и Фиг. 4 представлены автокорреляционные функции для микросфер из диоксида кремния радиусом 0,97 мкм и 0,32 мкм в электрическом поле 0 В/см и 14 В/см соответственно. Электрофоретическая подвижность микросфер с радиусом 0,97 мкм и 0,32 мкм составила 5.4∙10 см/с⋅В и 7,03⋅10 см/с⋅В в поле напряженностью 3,5 В/см.
Источники информации:
1. Minton A.P. Recent applications of light scattering measurement in the biological and biopharmaceutical sciences // Analytical biochemistry, 501. 2016. P. 4-22.
2. Tregubov, A.A., Sokolov, I.L., Babenyshev, A.V., Nikitin, P.I., Cherkasov, V.R., Nikitin, M.P. Magnetic hybrid magnetite/metal organic framework nanoparticles: facile preparation, post-synthetic biofunctionalization and tracking in vivo with magnetic methods // Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 449. 2018. P. 590-596.
3. Kokufuta E. Ohshima H. Light Scattering and Electrophoretic Light Scattering of Biopolymers // Encyclopedia of Biocolloid and Biointerface Science 2V Set. - 2016. - P. 619-627.
4. ГОСТ Р 8.887-2015. Потенциал электрокинетический (дзета-потенциал) частиц в коллоидных системах. - Введ. 2016-06-01. - М.: ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2015. - 19 с
5. Сердюк И. Методы в молекулярной физике: структура функция, динамика: учеб.пособие: в 2т. Т. 1/ И. Сердюк, Н. Заккаи, Дж. Заккаи; [научн. ред. И. Сердюк]. - М.: КДУ,2009. - 568 с.
6. Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения. Москва: Издательство «Мир», 1967. С. 21-26.