CN111965050B - 一种胶体颗粒微流体剪切力的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种胶体颗粒微流体剪切力的测试方法，将胶体颗粒悬液接入流动池中的通道中，将需要检测的背景流体接入另一通道中；利用光镊捕获胶体微球，并使其保持静止状态；控制高精度电动位移台在最大功率下平动，使流动池中的流体流动，得出功率与流体流速的关系；将捕获的胶体微球切换至流动池中所需实验流体环境的通道中，控制电动位移台的实验所需移动速度，进行不同流体流速下胶体颗粒剪切力的测试；采集数据，仪器的力学检测系统将所得光阱信号转换成胶体颗粒所受的微流体剪切力。本发明可以测试不同的流体环境下胶体污染物的所受到的剪切力，满足环境污染等领域对胶体颗粒微流体剪切力的测试需求。

Description

一种胶体颗粒微流体剪切力的测试方法

技术领域

本发明属于胶体化学技术领域，更具体涉及一种胶体颗粒微流体剪切力的测试方法。

背景技术

流体剪切力加载的方式有很多种，如流动小室加载技术、微流控技术等。这些技术通过进水口和出水口之间产生的压差为流体剪切速率提供动力，使样品池中的微粒受到均匀或周期性的剪切力作用；在环境微界面过程的研究中，水环境中的胶体颗粒由于受到各类引力和斥力作用而在多孔介质中迁移或滞留，而尚有许多胶体迁移现象无法用现有理论解释。剪切力是胶体颗粒在流体环境中的重要作用力之一，胶体颗粒微流体剪切力的测试可以帮助我们更好的了解污染物在多孔介质中的迁移转化过程，尤其是在复杂流体环境中的迁移转化情况。因而，了解胶体的受力情况至关重要。然而，水环境中胶体所受到的各类作用力大小难以测量，例如，原子力显微镜技术只能进行垂直方向上相互作用力的测量。现有技术中急需一种胶体颗粒微流体剪切力的测试方法。

在微观领域常用的测量分子间相互作用力的仪器有原子力显微镜、光镊、声镊、磁镊等，这些单分子研究技术通常用于生命科学、物理学等领域，而在环境领域的应用甚少。光镊利用光与物质间动量传递的力学效应形成三维势阱，从而捕获和操纵微米和纳米尺寸的粒子。光镊技术具有无标记、非接触、无损伤、实时监测等特点，不仅可以操纵微粒，有着精确的定位能力，还可测量微粒之间、微粒与环境物质的微小相互作用力。经过多年的发展，光镊技术已成功应用于细胞生物学、单分子生物学、软物质胶体科学和物理学等领域。然而在胶体颗粒微流体剪切力的测试的方面，确未有涉及。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，针对测量胶体颗粒在微流体中受到作用力的技术现状，提出一种胶体颗粒微流体剪切力的测试方法，本发明通过控制高精度电动位移台的平动，使样品池中的流体流动，从而使微粒受到均匀剪切力的作用，此方法简单可控、精确度高、结果可靠，并将其用于环境领域胶体污染物微流体剪切力的测试需求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种胶体颗粒微流体剪切力的测试方法，包括以下步骤：

第一步：将胶体颗粒悬液(溶剂为超纯水)接入微液流控制系统流动池中的通道中，将需要检测的背景流体接入另一通道中；

第二步：利用光镊捕获胶体微球，并使其保持静止状态；

第三步：流速校准：控制电动位移台在最大功率下平动，使流动池中的流体(任一背景流体)流动，得出移动速度、功率与流体流速的关系；

第四步：将捕获的胶体微球切换至流动池中需要检测的流体环境的通道中，控制电动位移台的移动速度，进行不同流体流速下胶体颗粒剪切力的测试；

第五步：采集数据，仪器的力学检测系统将所得光阱信号转换成胶体颗粒所受的微流体剪切力。

进一步地，所述第一步中，所述胶体颗粒选择微塑料、工程纳米颗粒、细菌、病毒、黏土中的一种或多种。

进一步地，所述第一步中，所述背景流体为超纯水或盐溶液。在不同的流体环境中，胶体颗粒受到的剪切力各不相同。

进一步地，所述第一步中，所述微液流控制系统前端置有多个分通道注射器，以避免各体系交叉污染，其中的液体都可接至流动池的通道中。

进一步地，所述第三步流速校准具体包括以下步骤：

第1步：设置电动位移台的功率为100％，使流动池中的流体流动，得到最大功率、最大平动速度下胶体颗粒所受的剪切力与时间的关系变化图；

第2步：当胶体颗粒所受的剪切力与时间的关系变化图中胶体颗粒的受力稳定时，流体达到稳定流速；根据一定时间内电动位移台移动的距离，得到移动速度，从而得知流体流速；

第3步：根据电动位移台功率与移动速度的线性关系，得到所需流体流速下电动位移台的功率。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明提供了一种环境领域流体中胶体污染物颗粒受力的测试方法和思路，与目前有限应用的原子力显微镜技术相比，光镊技术可以操纵胶体污染物微粒，快速切换多种背景流体，实现不同流体环境下胶体颗粒微流体剪切力的测试，高效方便。本发明核心在于将光镊技术应用于胶体化学、环境领域的研究，实现胶体颗粒的微流体剪切力的测量。

(2)与传统剪切力加载方式相比，本发明通过控制高精度电动位移台的平动，使样品池中的流体流动，从而使微粒受到均匀剪切力的作用。并且，流速校准的过程可以进行不同流速下剪切力的加载。此方法简单可控、精确度高、结果可靠。

(3)本发明胶体颗粒微流体剪切力的测试方法用于环境污染等领域的科学研究，对了解胶体颗粒在流体环境中的受力情况，认识胶体污染物在环境中的迁移转化具有重要意义。

附图说明

图1是实施例1中流速校准过程胶体受到的剪切力-时间变化关系图；

图2是实施例2中胶体颗粒受到的x方向剪切力-时间变化关系图；

图3是实施例2中胶体颗粒受到的y方向剪切力-时间变化关系图；

图4是实施例3中胶体颗粒受到的x方向剪切力-时间变化关系图；

图5是实施例3中胶体颗粒受到的y方向剪切力-时间变化关系图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

聚苯乙烯微球为环境领域公认的模型胶体污染物，理论上可作为所有胶体的替代物进行研究，因此，本发明实施例采用聚苯乙烯微球作为实验胶体颗粒。

实施例1

一种在流体环境中加载胶体颗粒微流体剪切力的流体流速校准方法，具体步骤如下：

1.将准备好的胶体颗粒悬液接入流动池中的通道1中，将背景流体接入通道2中。其中，胶体颗粒为直径4.38μm的聚苯乙烯微球，背景流体为超纯水。仪器型号：Lumicks超分辨单分子动力分析仪-C-Trap。

2.利用光镊捕获胶体微球，并使其保持静止状态。

3.流速校准。(1)设置电动位移台的功率为100％，得到最大功率、最大平动速度下胶体颗粒所受的剪切力与时间的关系变化图(图1)；(2)当胶体颗粒所受的剪切力与时间的关系变化图中胶体颗粒的受力稳定时，流体达到稳定流速。(3)根据电动位移台功率与移动速度的线性关系，得到所需流体流速下电动位移台的功率。

胶体颗粒所受的剪切力与时间的关系变化图如图1所示，流体达到稳定流速后，电动位移台在4s 568ms内移动了4.16mm。因此，在100％功率的情况下，电动位移台的移动速度为9.1×10^-4m/s。所以，在目标流体流速为4.16×10^-4m/s、2.08×10^-4m/s、8.3×10^-5m/s时，相应的电动位移台的功率设置为45％、23％、10％。

实施例2

一种在超纯水环境中胶体颗粒微流体剪切力的测试方法，具体步骤如下：

1.将准备好的胶体颗粒悬液接入流动池中的通道1中，将需要检测的背景流体接入通道2中。其中，胶体颗粒为直径4.38μm的聚苯乙烯微球，背景流体为超纯水。仪器型号：Lumicks超分辨单分子动力分析仪-C-Trap。

2.利用光镊捕获胶体微球，并使其保持静止状态。

3.流速校准。(1)设置电动位移台的功率为100％，得到最大功率、最大平动速度下胶体颗粒所受的剪切力与时间的关系变化图；(2)当胶体颗粒所受的剪切力与时间的关系变化图中胶体颗粒的受力稳定时，流体达到稳定流速。(3)根据电动位移台功率与移动速度的线性关系，得到所需流体流速下电动位移台的功率。

4.将捕获的胶体微球切换至流动池中通道2中，分别控制电动位移台的功率应设置为45％、23％、10％，目标流体流速为4.16×10^-4m/s、2.08×10^-4m/s、8.3×10^-5m/s，进行不同流体流速下胶体颗粒剪切力的测试。

5.采集数据，仪器的力学检测系统将实验所得光阱信号转换成胶体颗粒所受的微流体剪切力。

超纯水环境中胶体颗粒微流体剪切力如图2-3所示，在水平面上，当流体流速为2.08×10^-4m/s时，微球X方向受力为13.11±0.45pN，Y方向受力为-0.09±0.09pN；当流体流速为4.16×10^-4m/s时，微球X方向受力为6.34±0.28pN，Y方向受力为0.12±0.07pN；当流体流速为8.3×10^-5m/s时，微球X方向受力为3.16±0.09pN，Y方向受力为-0.43±0.07pN。

实施例3

一种在盐溶液环境中胶体颗粒微流体剪切力的测试方法，具体步骤如下：

1.将准备好的胶体颗粒悬液接入流动池中的通道1中，将需要检测的背景流体接入通道3中。其中，胶体颗粒为直径4.38μm的聚苯乙烯微球，背景流体为100mM KCl溶液。仪器型号：Lumicks超分辨单分子动力分析仪-C-Trap。

2.利用光镊捕获胶体微球，并使其保持静止状态。

3.流速校准。(1)设置电动位移台的功率为100％，得到最大功率、最大平动速度下胶体颗粒所受的剪切力与时间的关系变化图；(2)当胶体颗粒所受的剪切力与时间的关系变化图中胶体颗粒的受力稳定时，流体达到稳定流速。(3)根据电动位移台功率与移动速度的线性关系，得到所需流体流速下电动位移台的功率。

4.将捕获的胶体微球切换至流动池中通道3中，分别控制电动位移台的功率应设置为45％、23％、10％，目标流体流速为4.16×10^-4m/s、2.08×10^-4m/s、8.3×10^-5m/s，进行不同流体流速下胶体颗粒剪切力的测试。

5.采集数据，仪器的力学检测系统将实验所得光阱信号转换成胶体颗粒所受的微流体剪切力。

盐溶液环境中胶体颗粒微流体剪切力如图4-5所示，在水平面上，当流体流速为2.08×10^-4m/s时，微球X方向受力为13.10±0.45pN，Y方向受力为-0.16±0.09pN；当流体流速为4.16×10^-4m/s时，微球X方向受力为6.22±0.28pN，Y方向受力为0.14±0.08pN；当流体流速为8.3×10^-5m/s时，微球X方向受力为3.11±0.11pN，Y方向受力为-0.10±0.17pN。

由结果可知，聚苯乙烯微球在盐溶液中受到的微流体剪切力略小于超纯水中受到的微流体剪切力，这可能是与离子存在时导致的静电斥力有关。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种水环境中胶体颗粒微流体剪切力的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：将胶体颗粒悬液接入微液流控制系统流动池中的通道中，将需要检测的背景流体接入另一通道中；

第二步：利用光镊捕获胶体微球，并使其保持静止状态；

第三步：流速校准：控制电动位移台在最大功率下平动，使流动池中的流体流动，得出移动速度、功率与流体流速的关系；

第四步：将捕获的胶体微球切换至流动池中需要检测的流体环境的通道中，控制电动位移台的移动速度，进行不同流体流速下胶体颗粒剪切力的测试；

第五步：采集数据，仪器的力学检测系统将所得光阱信号转换成胶体颗粒所受的微流体剪切力；

所述第一步中，所述胶体颗粒为直径4.38μm的聚苯乙烯微球；

所述第一步中，所述背景流体为超纯水或盐溶液；

所述第一步中，所述微液流控制系统前端置有多个分通道注射器，以避免各体系交叉污染，其中的液体都可接至流动池的通道中；

所述第三步流速校准具体包括以下步骤：

第1步：设置电动位移台的功率为100％，使流动池中的流体流动，得到最大功率、最大平动速度下胶体颗粒所受的剪切力与时间的关系变化图；

第2步：当胶体颗粒所受的剪切力与时间的关系变化图中胶体颗粒的受力稳定时，流体达到稳定流速；根据一定时间内电动位移台移动的距离，得到移动速度，从而得知流体流速；

第3步：根据电动位移台功率与移动速度的线性关系，得到所需流体流速下电动位移台的功率。

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