CN113933607B - 一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量系统及方法，应用于光学与电化学测量技术领域，包括：光源、光束整形器件、二向色镜、物镜、样本检测盒、液体泵、可编程电源、荧光探测器、控制盒和终端。本发明基于激光照射溶液中的荧光染料产生漂白的原理，通过测量激光焦点上的荧光信号与周期性波动电场驱动下的线性振荡电渗流速度的关系，测量固—液界面上的局部ζ势；可通过移动样本检测盒的位置来改变激光照射区域，获得目标(例如材料、结构)在固—液界面上任意一点处的ζ势。
Description
技术领域
本发明涉及光学与电化学测量技术领域，尤其涉及一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量系统及方法。
背景技术
电双层(electric double layer,EDL)广泛存在于两相(或三相)界面，是一种基本的物理和电化学现象。ζ势是描述EDL中电场分布的关键参数，其数值和分布在制药、化学、化工及微纳流控系统中具有重要意义。
现有的ζ势测量技术主要包括电泳法、电渗法、电声法以及流势(流电流)法，这些方法无论在对固体或颗粒进行测量时，均仅能对目标的整体ζ势进行测量，而无法测量目标的局部ζ势。近期相关研究表明，多种因素(例如液体流动)均可在化学均匀的平板近壁面处诱导出非均匀ζ势。此外，近年来随着技术发展，大量具有非均匀ζ势和特殊设计的ζ势分布的新材料被逐渐应用于电化学、微纳流控技术等多种领域。然而，目前仍缺乏能够对这些材料的局部ζ势进行测量的技术。
因此，提供一种能够精密测量界面上的ζ势分布的技术，来解决上述技术问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量系统及方法，不仅可以实现对目标(例如材料、结构)与流动液体的局部界面ζ势的精密测量，也可以实现对目标(例如材料、结构)与静止液体的局部界面ζ势的精密测量。可以较好应用于固—液界面化学、电化学、微纳流控技术等领域。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量系统，包括：
光源、光束整形器件、二向色镜、物镜、样本检测盒、液体泵、可编程电源、荧光探测器、控制盒和终端；
所述光源用于射出光束，并入射至所述光束整形器件；
所述光束整形器件用于对所述光束进行整形，并将整形后的光束经所述二向色镜后入射至所述物镜；
所述物镜将所述整形后的光束入射至所述样本检测盒，激发出荧光，所述荧光经所述二向色镜后被所述荧光探测器进行测量；
所述控制盒接收所述荧光探测器的测量数据，对所述测量数据进行处理，并将处理结果发送至所述终端进行记录和存储；
所述液体泵用于将荧光溶液注入所述样本检测盒，所述荧光溶液用于被所述整形后的光束激发，发出荧光；
所述可编程电源用于对所述样本检测盒内施加电场；
可选的，还包括平移台，用于控制所述样本检测盒的移动。
可选的，所述光源为激光器，射出特定波长的激光束。
可选的，所述可编程电源产生周期性波动电场，用于产生线性振荡电渗流，进而测量ζ势。
可选的，所述样本检测盒包括：样本检测盒外壳，以及由下至上设置于所述样本检测外壳内的底层、中间层、顶层、压片层；
所述底层和所述顶层均可放置待测样本。
可选的，所述中间层设置有微通道、第一电极、第二电极、进液口和出液口；
所述微通道，用于所述荧光溶液的流通；
所述进液口和所述出液口设置于所述微通道的两侧，所述进液口用于将所述荧光溶液通入所述微通道，所述出液口用于将废液排出；
所述第一电极和所述第二电极对应设置于所述微通道的两侧，与所述可编程电源的电极连接，用于产生周期性波动电场。
可选的，所述样本检测盒外壳设置有与所述第一电极、所述第二电极、所述进液口和所述出液口相对应的通孔。
可选的，所述光束整形器件包括依次排列的声光调制器、第一光阑、空间光滤波器、第二光阑和凸透镜。
一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量方法，具体内容为：通过测量激光焦点上的荧光信号与周期性波动电场驱动下的线性振荡电渗流速度的关系，测量固—液界面上的局部ζ势。
可选的，通过移动样本检测盒的位置来改变激光照射区域，获得目标在固—液界面上任意一点处的ζ势。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量系统及方法：基于激光照射溶液中的荧光染料产生漂白的原理，通过测量激光焦点上的荧光信号与周期性波动电场驱动下的线性振荡电渗流速度的关系，测量固—液界面上的局部ζ势；可通过移动样本检测盒的位置来改变激光照射区域，获得目标(例如材料、结构)在固—液界面上任意一点处的ζ势。可实现对不同液体在静止和流动条件下的固—液界面局部ζ势的精密测量，应用于固-液界面化学、电化学、微纳流控技术等领域，对于发展新材料、新工艺和新装备具有重要实际价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量系统结构示意图；
图2为本发明样本检测盒结构示意图；
图3为本发明待测样本位于微通道下底面的一种实施方式示意图；
图4为本发明待测样本位于微通道上底面的一种实施方式示意图；
图5为本发明一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量方法的具体实施流程图；
图6为本发明的速度标定曲线；
图7为本发明的沿流向位置变化的局部界面ζ势测量结果；
图8为本发明的目标与静止液体的局部界面ζ势测量结果；
其中，光源-1、光束整形器件-2、声光调制器-21、第一光阑-22、空间光滤波器-23、第二光阑-24、凸透镜-25、二向色镜-3、物镜-4、样本检测盒-5、液体泵-6、可编程电源-7、信号发生器-71、电压放大器72、平移台-8、纳米平移台-81、微米平移台-82、荧光探测器-9、控制盒-10、终端-11。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。
参照图1所示，本实发明公开了一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量系统，包括：
光源1、光束整形器件2、二向色镜3、物镜4、样本检测盒5、液体泵6、可编程电源7、荧光探测器9、控制盒10和终端11；
光源1用于射出光束，并入射至光束整形器件2；
光束整形器件2用于对光束进行整形，并将整形后的光束经二向色镜3后入射至物镜4；
物镜4将整形后的光束入射至样本检测盒5，激发出荧光，荧光经二向色镜3后被荧光探测器9进行测量；
控制盒10接收荧光探测器9的测量数据，对测量数据进行处理，并将处理结果发送至终端11进行记录和存储；
液体泵6用于将荧光溶液注入样本检测盒5，荧光溶液用于被整形后的光束激发，发出荧光；
可编程电源7用于对样本检测盒5内施加电场。
在一个具体实施例中，还包括平移台8，用于控制样本检测盒5的移动。
在一个具体实施例中，终端11可选计算机。
在一个具体实施例中，光源1为激光器，射出特定波长的激光束，可选405nm/500mW单模激光器。二向色镜3可以反射405nm激光，透射荧光；物镜4为100X NA1.4油浸物镜，其工作距离为130μm。
在一个具体实施例中，可编程电源7产生周期性波动电场，用于驱动流场，进而测量ζ势，可编程电源7可提供的交流电场为：E＝3V/mm，f＝100Hz。
在一个具体实施例中，可编程电源7可由依次连接的信号发生器71和电压放大器72组成，可实现可编程电源7功能的任何器件均可选择。
参照图2所示，本发明公开了样本检测盒5的结构包括：样本检测盒外壳51，以及由下至上设置于样本检测外壳51内的底层52、中间层53、顶层54、压片层55；底层52和顶层54均可放置待测样本。
在一个具体实施例中，中间层53设置有微通道531、第一电极532、第二电极533、进液口534和出液口535；
微通道531，用于荧光溶液的流通；
进液口534和出液口535设置于微通道531的两侧，进液口534用于将荧光溶液通入微通道531，出液口535用于将废液排出；
第一电极532和第二电极533对应设置于微通道531的两侧，与可编程电源7的电极连接，用于产生周期性波动电场。
在一个具体实施例中，样本检测盒外壳51设置有与第一电极532、第二电极533、进液口534和出液口535相对应的通孔。
在一个具体实施例中，样本厚度不超过150μm，且必须对激发光和荧光透明；微通道531规格为：长*宽*高＝5mm*500μm*90μm。
在一个具体实施例中，光束整形器件2包括但不限于：依次排列的声光调制器21、第一光阑22、空间光滤波器23、第二光阑24和凸透镜25；任何可以实现本发明中光束整形要求的部件结构都可应用。
在一个具体实施例中，样本检测盒5为微芯片样本检测盒。
在一个具体实施例中，荧光探测器9为高灵敏荧光探测器，可选单光子计数器。
在一个具体实施例中，液体泵6的流速设置为：Q＝20μL/min。
在一个具体实施例中，所用荧光染料为Coumarin 102，其激发峰值为390nm，发射峰值为479nm。微米平移台82及纳米平移台81均为Physik Instrumente产品，可实现大范围高精度的移动，微米平移台最大移动范围为300mm，纳米平移台最高定位精度为1nm。
参照图3和图4，本发明公开了待测样本位于微通道下底面的一种实施方式和待测样本位于微通道上底面的一种实施方式；包括：光源1(激光器)、声光调制器21、第一光阑22、空间光滤波器23、第二光阑24、凸透镜25、二向色镜3、物镜4(8100X显微油镜)、样本检测盒5(微芯片样本检测盒)、液体泵6(注射泵、注射器)、电压放大器72、信号发生器71、纳米平移台81、微米平移台82、荧光探测器9(单光子计数器)、控制盒10、终端11(计算机)。
参照图3所示，待测样本位于微芯片样本检测盒中微通道的下底面，参照图4所示，待测样本位于微芯片样本检测和中微通道的上底面。
本发明还公开了一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量方法，具体内容为：通过测量激光焦点上的荧光信号与周期性波动电场驱动下的线性振荡电渗流速度的关系，测量固—液界面上的局部ζ势。通过移动样本检测盒的位置来改变激光照射区域，获得目标在固—液界面上任意一点处的ζ势。
具体包括以下步骤：
S1、光源1出射特定激光光束，并入射至光束整形器件2，得到准直光束；
S2、准直光束经二向色镜3进入物镜4，并经物镜4聚焦到样本检测盒5中待测样本的待测区域；
S3、液体泵6将荧光溶液注入样本检测盒5；
S4、通过平移台8对样本检测盒5进行移动，使激光焦点位于标定位置；
S5、标定位置处的荧光溶液受激光照射发射荧光，经二向色镜3后，被荧光探测器9接收，传输至控制盒10进行处理，再传输至终端11进行数据存储；
S6、对不同流速下的荧光强度依次进行测量，得到速度标定曲线；
S7、通过平移台8移动样本检测盒5，使激光焦点位于待测位置；
S8、可编程电源7对样本检测盒5施加周期性电场，重复S5，测量待测位置处的荧光强度的时间序列，结合速度标定曲线，测量待测位置处的速度波动时间序列；
S9、结合速度波动时间序列和所施加的周期性电场的时间序列，计算待测位置处的ζ势；
S10、通过平移台8移动样本检测盒5来改变待测位置，重复S7～S9，对不同界面位置处ζ势的测量。
进一步的，该方法还包括步骤S11，其具体内容为：重复S7～S9，改变液体泵6的流速，获得不同流速下的局部界面ζ势，进行数值拟合，对目标与静止溶液界面ζ势的测量。
在一个具体实施例中，参照图5所示，本发明具体公开了基于荧光的固—液界面局部ζ势测量方法，包括以下步骤：
步骤1、将光源1、光束整形器件2、荧光探测器9、控制盒10、注射泵及计算机的电源打开，通过计算机控制微米平移台82及纳米平移台81移动，将微芯片样本检测盒5的微通道531中心移动至物镜4正上方；
步骤2、注射器中充满Coumarin 102水溶液，将注射器置于注射泵上方并与样本检测盒5(微芯片样本检测盒)的进液口连接，设置注射泵流速为:Q＝20μL/min，运行注射泵一段时间使样本检测盒5(微芯片样本检测盒)的微通道531中的溶液达到稳定状态；
步骤3、通过纳米平移台81调节样本检测盒5(微芯片样本检测盒)的垂直位置，使荧光光子数达到最大值，此位置即为样本检测盒5(微芯片样本检测盒)内微通道531的中心，在该处测量速度标定曲线，按照流速从小到大依次进行标定；
步骤4：再次进行步骤2，并通过纳米平移台81微调样本检测盒5(微芯片样本检测盒)的垂直位置，使荧光光子数达到最大值，然后向上移动45μm，即微芯片样本检测盒5内微通道531的下底面(即样本)附近；
步骤5、将信号发生器71的两个电极与样本检测盒5(微芯片样本检测盒)的电极相连接，打开信号发生器71及电压放大器72的电源，并生成E＝3V/mm的正弦波形交流电场，频率为f＝100Hz。
步骤6、施加交流电场，将荧光探测器9收集到的荧光信号通过控制盒10和计算机以数据文本形式进行存储，测量该位置处交流电渗流的速度波动，并分析速度功率谱对应频率处的峰值大小；
步骤7、不断微调样本检测盒5(微芯片样本检测盒)的垂直位置，直至速度功率谱对应频率处的峰值达到最大，此处即为实际测量ζ势的位置，也就是电双层的扩散层；
步骤8、将此处交流电渗流速度波动值代入方程(1)，即可计算得到该位置处的ζ势：
式中，ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数，η为溶液粘度，vrms为交流电渗流速度波动，Erms为电场波动，sign[RvE(0)]为符号函数，其数值为+1或-1，RvE(τ)为速度波动v(i)与电场波动E(i)的标准化(或归一化)的互相关函数，Δi为时间间隔；
步骤9、通过微米平移台82及纳米平移台81移动微芯片样本检测盒5来改变测量点的位置重复步骤4至步骤8，即可得到不同位置处的局部界面ζ势；
步骤10、进一步的改变液体泵6的流速Q，重复步骤4至步骤9，即可得到不同流速和位置处的局部界面ζ势；
步骤11、将步骤10测得的不同流速下的ζ势数值进行数据拟合，代入如下拟合公式，即可得到测量目标与静止液体的局部界面ζ势：
ζfit(Q)＝aQb+ζsta (3)
式中ζfit为对实验ζ势的拟合函数，Q为流速，a和b分别为拟合参数。当Q＝0μL/min时，ζsta＝ζfit(0)即为测量目标与静止液体的局部界面ζ势。
参照图6所示，为本发明的速度标定曲线示意图，其中横轴为荧光强度If，纵轴为流体速度U(m/s)。
参照图7所示，通过该技术，我们实现对具有化学均匀表面的盖玻片在水溶液中，由流体诱导的界面ζ势沿流场方向的变化进行了测量，测量结果与报道的数值模拟结果(数值模拟条件与实验条件有差异)规律一致。
参照图8所示，通过该技术，我们实现对具有化学均匀表面的盖玻片在不同流速下的局部界面ζ势，并通过数据拟合的方式，得到目标与静止液体的局部界面ζsta值。例如，该具体实施例中待测位置处与静止流体的ζ势约为-39.5mV。
近期相关研究表明，多种因素(例如液体流动)均可在化学均匀的平板近壁面处诱导出非均匀ζ势。此外，随着技术发展，大量具有非均匀ζ势和特殊设计的ζ势分布的新材料被逐渐应用于电化学、微纳流控技术等多种领域。然而，目前仍缺乏能够对这些材料的局部ζ势进行测量的技术。本发明提出一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量系统，在非侵入式、高时空分辨率的情况下，不仅可以实现对目标(例如材料、结构)与流动液体的局部界面ζ势的精密测量，也可以实现对目标(例如材料、结构)与静止液体的局部界面ζ势的精密测量。本发明提出的方法和系统可以较好应用于固—液界面化学、电化学、微纳流控技术等领域，对于发展新材料、新工艺和新装备具有重要实际价值。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量系统，其特征在于，包括：
光源(1)、光束整形器件(2)、二向色镜(3)、物镜(4)、样本检测盒(5)、液体泵(6)、可编程电源(7)、荧光探测器(9)、控制盒(10)和终端(11)；
所述光源(1)用于射出光束，并入射至所述光束整形器件(2)；
所述光束整形器件(2)用于对所述光束进行整形，并将整形后的光束经所述二向色镜(3)后入射至所述物镜(4)；
所述物镜(4)将所述整形后的光束入射至所述样本检测盒(5)，激发出荧光，所述荧光经所述二向色镜(3)后被所述荧光探测器(9)进行测量；
所述控制盒(10)接收所述荧光探测器(9)的测量数据，对所述测量数据进行处理，并将处理结果发送至所述终端(11)进行记录和存储；
所述液体泵(6)用于将荧光溶液注入所述样本检测盒(5)，所述荧光溶液用于被所述整形后的光束激发，发出荧光；
所述可编程电源(7)用于对所述样本检测盒(5)内施加电场；
所述可编程电源(7)产生周期性波动电场，用于驱动流场，进而测量ζ势；
所述样本检测盒(5)包括：样本检测盒外壳(51)，以及由下至上设置于所述样本检测外壳(51)内的底层(52)、中间层(53)、顶层(54)、压片层(55)；
所述底层(52)和所述顶层(54)均可放置待测样本；
所述中间层(53)设置有微通道(531)、第一电极(532)、第二电极(533)、进液口(534)和出液口(535)；
所述微通道(531)，用于所述荧光溶液的流通；
所述进液口(534)和所述出液口(535)设置于所述微通道(531)的两侧，所述进液口(534)用于将所述荧光溶液通入所述微通道(531)，所述出液口(535)用于将废液排出；
所述第一电极(532)和所述第二电极(533)对应设置于所述微通道(531)的两侧，与所述可编程电源(7)的电极连接，用于产生周期性波动电场；
所述样本检测盒外壳(51)设置有与所述第一电极(532)、所述第二电极(533)、所述进液口(534)和所述出液口(535)相对应的通孔。
2.根据权利要求1所述的一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量系统，其特征在于，
还包括平移台(8)，用于控制所述样本检测盒(5)的移动。
3.根据权利要求1所述的一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量系统，其特征在于，
所述光源(1)为激光器，射出特定波长的激光束。
4.根据权利要求1所述的一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量系统，其特征在于，
所述光束整形器件(2)包括依次排列的声光调制器(21)、第一光阑(22)、空间光滤波器(23)、第二光阑(24)和凸透镜(25)。
5.一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量方法，其特征在于，应用权利要求1～4任一项所述的一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量系统，具体内容为：通过测量激光焦点上的荧光信号与周期性波动电场驱动下的线性振荡电渗流速度的关系，测量固—液界面上的局部ζ势。
6.根据权利要求5所述的一种基于荧光的固—液界面局部ζ势测量方法，其特征在于，
通过移动样本检测盒的位置来改变激光照射区域，获得目标在固—液界面上任意一点处的ζ势。
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| "Effect of Ion Motion on Zeta-Potential Distribution at Microchannel Wall Obtained from Nanoscale Laser-Induced Fluorescence";Yutaka Kazoe等;《Analytical Chemistry》;20070901;第79卷(第17期);第6727-6733页 * |
| Yutaka Kazoe等."Effect of Ion Motion on Zeta-Potential Distribution at Microchannel Wall Obtained from Nanoscale Laser-Induced Fluorescence".《Analytical Chemistry》.2007,第79卷(第17期),第6727-6733页. * |
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| Publication number | Publication date |
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| CN113933607A (zh) | 2022-01-14 |
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