CN100437106C - 一种可应用于毛细管电泳的电化学电流测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可应用于毛细管电泳的电化学电流测量装置，包括毛细管及其两端的溶液池，两端溶液池间加有电泳电压，毛细管内末端靠近溶液池处放置两紧密靠近的工作电极和电位测量电极，工作电极和电位测量电极与一恒电位仪电路连接；恒电位仪电路由依次串连的电压跟随器、反相器、加法器、恒电位仪、可编程放大器配合若干电阻组成，反相器和加法器之间设有带输入端的电压输入支路，可编程放大器带有输出端；电位测量电极接入电压跟随器的正极；工作电极接入恒电位仪的反相输入端。本发明结构简单，不需另外设置专用的全隔离的恒电位仪就能直接在毛细管内进行电化学测量，很大地提高了检测的灵敏度和分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及一种电化学电流测量装置，尤其是涉及一种应用于毛细管电泳的电化学电流测量装置。
背景技术
毛细管电泳是一种有效的分析化学检测手段。在毛细管电泳的过程中，一高压电场施加在毛细管两端的溶液池中，溶液中的各种带电粒子在此电场的作用下运动。各种不同的离子有不同体积/电荷比，它们在电场中的运动速率也不同，从而达到分离的目的。被测样品中的各种组分被分离之后，还需要有合适的检测手段对其加以检测。目前在毛细管电泳中最常用的检测方法是光学法，其包括激光诱导荧光检测法，紫外光吸收法等。光学法检测的最大优点是检测灵敏度高，但是光学法一般都要求有复杂的光学系统，成本较高。
近年来随着毛细管电泳技术的发展，尤其是基于芯片的毛细管电泳技术的发展，电化学法作为一种毛细管电泳的检测方法越来越引起人们的重视。电化学检测法的优点是制作简单，成本低。电化学测量法包括电流法，电位法，阻抗法等。在这之中电流法的检测灵敏度比较好，因此研究也比较充分。电流法一般由一三电极电化学电池和相应的恒电位仪组成，其基本结构如图1所示，由对电极2、参比电极3和工作电极4组成三电极。恒电位功能主要通过运算放大器1的负反馈来实现，电位仪6和参比电极3用来设置溶液的电位；流经工作电极的电流由电流测量仪5来测量。若溶液中有电化学活性物质，则它会在工作电极上被氧化或还原，从而有电流发生。电流的大小对应于溶液中活性物质的浓度。
电流法测量需要通过一恒电位仪控制溶液的电位；但是在毛细管电泳中，在毛细管的两端施加有一高压电泳电场，这一高压电场也影响着毛细管内溶液中的电位分布。因此当应用电流检测法于毛细管电泳的检测时，必须解决电泳电场和电化学电场相容性的问题。目前比较常用的解决方法有两种。一是通过光电耦合等方法搭建完全电隔离的恒电位仪。在此条件下，由于恒电位仪和外界没有直接的电耦合，也就不存在相互干扰的问题。但是，完全隔离的恒电位仪成本较高。还有一种解决方法是将电化学测量装置放置在溶液池中和毛细管末端直接相接的地方。溶液池的体积比毛细管要大得多，因此相比于毛细管内溶液的阻抗，溶液池中溶液的阻抗要小的多，可以认为在溶液池中的电压降几乎为零，因此电泳电压不会影响电化学测量。但是，当被测样本从毛细管末端进入到溶液池中时，被测样本多少已经有了些扩散，这样和在毛细管内部进行测量相比，测量的灵敏度自然会有所减少。
发明内容
本发明提供了一种结构简单、不需另外设置专用的全隔离的恒电位仪就能直接在毛细管内进行电化学测量的电化学电流测量装置。该装置通过设置一溶液电位测量电极可对溶液的电位进行实时测量，然后以此为基础对工作电极的电压进行控制。
常用的毛细管电泳装置主要由毛细管和两端的溶液池组成。毛细管的直径一般在一百微米之内。传统上毛细管可以由陶瓷或高分子材料制作。现在随着科技的发展，毛细管和两端的溶液池也可以采用微加工工艺在玻璃上刻蚀而成。这样的毛细管电泳被称作基于芯片的毛细管电泳。本发明尤其适合基于芯片的毛细管电泳，当然其也可以在传统的毛细管电泳中应用。
一种可应用于毛细管电泳的电化学电流测量装置，包括毛细管及其两端的溶液池，两端溶液池间加有电泳电压，所述的毛细管内末端靠近溶液池处放置两紧密靠近的工作电极和电位测量电极，工作电极和电位测量电极与一恒电位仪电路连接；所述的恒电位仪电路由依次串连的电压跟随器、反相器、加法器、恒电位仪、可编程放大器配合若干电阻组成，反相器和加法器之间设有带输入端的电压输入支路，可编程放大器带有输出端；所述的电位测量电极接入电压跟随器的正极；所述的工作电极接入恒电位仪的反相输入端。
所述的电压跟随器、反相器、加法器、恒电位仪均采用运算放大器。
所述的工作电极和电位测量电极之间的距离为500纳米-100微米。
所述的恒电位仪与提供电泳电压的电泳电源共享接地端。
本发明的理论原理如下：在实际中若所希望施加于工作电极和溶液之间的电压为V施加，那么-V施加就被施加到输入端。
假设毛细管的总长度为L，工作电极到毛细管末端的距离为11，所施加的电泳电压为V电泳，则工作电极附近的溶液的电位为：
由于工作电极和电位测量电极非常靠近，可以认为电位测量电极附近的溶液的电位和工作电极附近的溶液的电位相等。
因此，通过电位测量电极，溶液中的电位已经被在线测得。测得的电位依次经过反相器和反相加法器，最后施加到工作电极上的电压为：
V工作电极＝V溶液+V施加 (2)
这样工作电极和附近溶液之间的电位差就为：
V工作电极-V溶液＝V施加 (3)
公式(3)显示，不管所施加的电泳电压多大，本发明所采用的设计都能保证工作电极和其附近溶液之间的电位差都等于所希望施加的电位差V施加。
本发明的优点在于通过采用紧密靠近的工作电极和电位测量电极以及相应的电路，巧妙地解决了电泳电场和电化学电场相容性的问题，不需要采用专用的全隔离恒电位仪，就可以在毛细管内进行电化学测量，这样对提高检测的灵敏度和分辨率有很大的帮助。
附图说明
图1为一种常用的用于电流法测量的三电极恒电位仪的电路原理图；
图2为本发明所设计的毛细管电泳及恒电位仪的结构电路原理图。
具体实施方式
如图2所示，一种可应用于毛细管电泳的电化学电流测量装置，包括毛细管12及其两端的溶液池11、15，两端溶液池11、15间加有电泳电压，毛细管12内末端靠近溶液池15处放置两个距离为500纳米-100微米的工作电极13和电位测量电极14，工作电极13和电位测量电极14与一恒电位仪电路10连接；恒电位仪电路10由依次串连的电压跟随器17、反相器19、加法器22、恒电位仪16以及可编程放大器18配合若干电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、组成，反相器19和加法器22之间设有带输入端21的电压输入支路，可编程放大器18带有输出端20；电位测量电极14接入电压跟随器17的正极；工作电极13接入恒电位仪16的负极。恒电位仪16与提供电泳电压的电泳电源共享接地端。
其中，电压跟随器17、反相器19、加法器22和恒电位仪16均采用运算放大器组成，电压跟随器17主要起到阻抗变换作用，用于防止电流流经电位测量电极14。本发明中组成恒电位仪16的运算放大器采用Burr-Brown公司的运放PPA129，组成电压跟随器17、反相器19和加法器22的运算放大器采用Linear Technology公司的LT1114，可编程放大器采用Burr-Brown公司的可编程放大器PGA202。电阻R1、R2、R3、R4的阻值为10K欧姆，R5、R6的阻值为1M欧姆。
本发明制作过程如下：首先在一长为10厘米，宽为2厘米的玻璃片上采用集成电路光刻工艺，用氢氟酸刻蚀出毛细管12和两端的溶液池11、15，毛细管12的深度为20微米，宽度为40微米，长度为6.5厘米；两端的溶液池11、15为圆形，直径为2毫米；然后，采用集成电路的薄膜淀积工艺，在毛细管12一端距离毛细管末端100微米的地方，用溅射或电子束蒸镀工艺制作两电极，即工作电极13和电位测量电极14；电极的宽度为20微米，两电极间的间距设为20微米；然后，采用键合工艺，用另一玻璃片把毛细管12顶部封住。
在使用过程中，把恒电位仪16的接地端和电泳高压电源的接地端相连，然后在恒电位仪电路10的输入端21输入所需的电压，在毛细管12两端的溶液池11、15中施加合适的电泳电压。若被测样本中有电化学活性物质，则当其经过工作电极13时，可以在工作电极13上被氧化或还原，从而导致流经工作电极13上的电流的变化。
在电位测量电极14上实时测量到的溶液的电位经电压跟随器17和反相器19后与通过电压输入端21输入的实际所需施加到工作电极13上的电位通过加法器22相加；之后所得的电压通过恒电位仪16施加到工作电极13上。由运算放大器组成的恒电位仪16本身也是一个电流放大器，它的输出反应了流经工作电极13的电流的大小。可编程放大器18主要用来除去恒电位仪16的输出端中由于施加到工作电极13上的电压所引起的输出偏移，并对恒电位仪16的输出进一步进行放大。最后在输出端20所得到的就是一个和流经工作电极13的电流成比例的电压信号，通过连续记录电泳过程中恒电位仪电路10输出端20的信号，即可得到完整的分析结果。
Claims (4)
1、一种可应用于毛细管电泳的电化学电流测量装置，包括毛细管(12)及其两端的溶液池(11，15)，两端溶液池(11，15)间加有电泳电压，其特征在于：所述的毛细管(12)内末端靠近溶液池(15)处放置两紧密靠近的工作电极(13)和电位测量电极(14)，工作电极(13)和电位测量电极(14)与一恒电位仪电路(10)连接；所述的恒电位仪电路(10)由依次串连的电压跟随器(17)、反相器(19)、加法器(22)、恒电位仪(16)、可编程放大器(18)配合若干电阻组成，反相器(19)和加法器(22)之间设有带输入端(21)的电压输入支路，可编程放大器(18)带有输出端(20)；所述的电位测量电极(14)接入电压跟随器(17)的正极；所述的工作电极(13)接入恒电位仪(16)的反相输入端。
2、如权利要求1所述的可应用于毛细管电泳的电化学电流测量装置，其特征在于：所述的电压跟随器(17)、反相器(19)、加法器(22)、恒电位仪(16)均采用运算放大器。
3、如权利要求1所述的可应用于毛细管电泳的电化学电流测量装置，其特征在于：所述的工作电极(13)和电位测量电极(14)之间的距离为500纳米-100微米。
4、如权利要求1所述的可应用于毛细管电泳的电化学电流测量装置，其特征在于：所述的恒电位仪(16)与提供电泳电压的电泳电源共享接地端。
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