DE2808229A1 - Electrophoresis cell to measure zeta potential - having two transition pieces with hemispherical couplings and electrodes in contact with the liquid holding electrophoresis cell between the - Google Patents
Electrophoresis cell to measure zeta potential - having two transition pieces with hemispherical couplings and electrodes in contact with the liquid holding electrophoresis cell between theInfo
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Abstract
Description
ELEKTROpHORESESYSTEM ELECTROPHORESIS SYSTEM
Für das Verständnis der elektrokinetischen Vorgänge in Suspensionen, z.B. von Leuchtstoffen in wässrigen Lösungen wie sie in der Farbbildröhrentechnologie verwendet werden, ist das ((Zeta-)-Potential der supendierten Teilchen eine maßgebliche Größe.To understand the electrokinetic processes in suspensions, e.g. of phosphors in aqueous solutions such as those in color picture tube technology are used, the ((zeta) - potential of the suspended particles is a decisive one Size.
Das r-Potential gibt eine direkte Information über die elektrische Doppelschicht und ermöglicht das Verhalten kolloidaler Systeme zu beschreiben, in denen Koagulation, Flockulation, Filtration und Flotation eine Rolle spielen. Somit gibt es eine Vielfal-t von Anwendungsfällen für die Meßmethode des r-Potentials wie z.B. elektrophoretische Lackierungen, Emulsionen, industrielle Abwässerreinigung, pharmazeutische Suspensionen, medizinische Zellforschung insbesondere Krebsdiagnose.The r-potential gives direct information about the electrical Double layer and enables the behavior of colloidal systems to be described in where coagulation, flocculation, filtration and flotation play a role. Consequently there are a variety of applications for the measurement method of the r-potential such as electrophoretic paintwork, emulsions, industrial wastewater treatment, pharmaceutical suspensions, medical cell research, in particular cancer diagnosis.
Für die Messung des Zeta-Potentials sind mehrere Geräte im Handel, beispielsweise das "Zytopherometer" von Zeiss.There are several devices on the market for measuring the zeta potential, for example the "cytopherometer" from Zeiss.
Ein wesentlicher Nachteil des Gerätes ist der komplizierte Aufbau der Elektrodengefäße im Elektrophoresesystem des Gerätes. In Abb. 1 ist ein solcher nachteiliger Aufbau skizziert. Darin bedeuten 1 die Meßkammer womit die eigentliche Messung stattfindet und 2 ein Elektrodengefäß mit der Elektrode 3. Durch Zellmembranen 4 ist die zu messende Suspension 5 chemisch von den Elektroden getrennt. Die Elektroden tauchen dabei in einer physiologischen Kochsalzlösung 6. Vor der Ausführung einer Messung ist der Bereich zwischen Elektrode und Meßkammer von Luftblasen zu befreien; dieser Vorgang ist sehr langwierig, oft sogar erfolglos. Es sammeln sich vorwiegend Luftblasen in den Schläuchen 7 oder unterhalb der Zellmembran 4.A major disadvantage of the device is its complicated structure of the electrode vessels in the electrophoresis system of the device. In Fig. 1 there is one disadvantageous structure outlined. 1 means the measuring chamber with which the actual one Measurement takes place and 2 an electrode vessel with the electrode 3. Through cell membranes 4, the suspension 5 to be measured is chemically separated from the electrodes. The electrodes dive in a physiological saline solution 6. Before performing a For the measurement, the area between the electrode and the measuring chamber must be free of air bubbles; this process is very tedious and often unsuccessful. It predominantly accumulates Air bubbles in the tubes 7 or below the cell membrane 4.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein vereinfachtes Elektrodensystem anzugeben, das die Nachteile aufhebt. In Abb. 2 ist die verbesserte Vorrichtung dargestellt. Darin zeigt 8 die Elektrodengefäße. Zwischenstücke 9 dienen zum Ausgleich mechanischer Verspannungen und schützen die Meßkammer vor Bruch.The object of the invention is to provide a simplified electrode system, that overcomes the disadvantages. In Fig. 2 the improved device is shown. 8 shows the electrode vessels. Intermediate pieces 9 are used to compensate for mechanical Tension and protect the measuring chamber from breakage.
Die Meßkammer ist dabei mit zwei Normschliffen zu versehen. Die Zwischenstücke weisen entsprechend kammerseitig zwei Normschliffe und elektrodenseitig zwei Kugelschliffe 10 auf, auf die die Elektrodengefäße passen.The measuring chamber is to be provided with two standard ground joints. The intermediate pieces accordingly have two standard ground joints on the chamber side and two spherical ground joints on the electrode side 10 onto which the electrode vessels fit.
Da die Elektroden unmittelbar mit der zu messenden Lösung Verbindung haben, können durch elektrolytische Vorgänge Störungen des elektrischen Feldes in den Zuleitungen auftreten, wodurch innerhalb der Meßzelle 1 ein anderes elektrisches Feld auftritt als das an den Speiseelektroden 3 angelegte. Das würde eine falsche Bestimmung des Zetapotentials zur Folge haben. Daher werden erfindungsgemäß zwei Meßelektroden 11 in die Zwischenstücke eingebaut, so daß die Spannung, die für die Bestimmung des Zetapotentials maßgeblich ist, richtig ermittelt wird.Because the electrodes are directly connected to the solution to be measured electrolytic processes can disturb the electrical field in the leads occur, whereby within the measuring cell 1 another electrical Field appears as that applied to the feeding electrodes 3. That would be a wrong one Determination of the zeta potential result. Therefore, according to the present invention, there are two Measuring electrodes 11 built into the spacers, so that the voltage required for the Determination of the zeta potential is decisive, is determined correctly.
Die Speiseelektroden 3 werden an einen Spannungskonstanter angeschlossen, der ein Umpolen zuläßt. Wenn mit Um die Spannung zwischen den Meßelektroden und mit L deren Abstand bezeichnet wird, so bestimmt sich das Zetapotential kolloidaler Teilchen in einer Suspension, gemessen in einer Vorrichtung nach dem Erfindungsgedanken, gemäß der Formel: Darin bedeuten n und e die Viskosität bzw. Dielektrizitätskonstante der untersuchten Lösung und v die elektrophoretische Geschwindigkeit der Teilchen, wie sie mit Hilfe eines Mikroskops und der Meßkammer gemessen wird.The feed electrodes 3 are connected to a voltage constant that allows polarity reversal. If Um denotes the voltage between the measuring electrodes and L denotes their distance, then the zeta potential of colloidal particles in a suspension, measured in a device according to the concept of the invention, is determined according to the formula: In this, n and e denote the viscosity or dielectric constant of the solution under investigation and v the electrophoretic velocity of the particles, as measured with the aid of a microscope and the measuring chamber.
Bei Versuchen an verschiedenen elektrophoretischen Systemen wurde ausnahmslos gefunden, daß innerhalb der Meßzelle unerwünschte Strömungen auftreten, die das Meßresultat erheblich verfälschen.During experiments on different electrophoretic systems it was without exception found that undesirable currents occur within the measuring cell, which significantly falsify the measurement result.
Im störungsfreien Falle würde die Bewegungsrichtung der Teilchen in der stationären Ebene der Meßzelle von dem Vorzeichen des Zetapotentials und der Richtung des angelegten Feldes abhängen.In the undisturbed case, the direction of movement of the particles would be in the stationary plane of the measuring cell from the sign of the zeta potential and the Depend on the direction of the applied field.
Im praktischen Falle überlagert sich - wie festgestellt wurde -der Teilchenbewegung eine Strömung des Lösungsmittels, die dazu führt, daß nach dem Vertauschen der Polung an den Elektroden (Feldumkehr), die Teilchen nicht die gleiche Geschwindigkeit in der entgegengesetzten Richtung haben. Bei starken Strömungen findet u.U. keine Richtungsumkehr statt.In the practical case - as has been determined - the superimposed Particle movement is a flow of the solvent that leads to the Reversing the polarity on the electrodes (field reversal), the particles are not the same Have speed in the opposite direction. With strong currents there may be no direction reversal.
Die Gründe für unerwünschte Strömungen können beispielsweise sein: a) Keine exakte Einstellung des Meßmikroskops auf die stationäre Ebene der Meßzelle; b) Elektrochemische Prozesse innerhalb des Meßsystemes <Gasbildung); c) Unvollkommener Druckausgleich im Meßsystem; d) Konvektion infolge von Temperaturgradienten durch Joule'sche Wärme; e) Verschmutzung an den Zellwänden und dadurch Störung der Elektroosmose.The reasons for undesirable currents can be, for example: a) No exact adjustment of the measuring microscope to the stationary plane of the measuring cell; b) Electrochemical processes within the measuring system <gas formation); c) imperfect Pressure equalization in the measuring system; d) Convection due to temperature gradients Joule heat; e) Soiling on the cell walls and thereby disturbance of the electroosmosis.
Aufgrund der obengenannten Störungen kommt es zu fehlerhaften Meßergebnissen.The above-mentioned disturbances lead to incorrect measurement results.
Derartige Fehler im Meßergebnis wurden bei Reihenuntersuchungen mit dem beschriebenen Meßsystem auf folgende Weise ausgeschaltet: Während einer Messung wird die Spannung mehrmals umgepolt. Dadurch treten in der Meßzelle unterschiedliche Geschwindigkeiten vm+ und vm der Kolloidteile auf, sowohl im Betrag als auch in der Richtung. Durch Ermittlung der unterschiedlichen Laufzeiten der Teilchen läßt sich die unerwünschte Strömung eliminieren.Such errors in the measurement result were found in series examinations the described measuring system switched off in the following way: During a measurement the voltage is reversed several times. This means that different values occur in the measuring cell Velocities vm + and vm of the colloidal parts, both in magnitude and in the direction. By determining the different transit times of the particles lets eliminate the unwanted flow.
Die Bestimmung der elektrophoretischen Beweglichkeit der suspendierten Teilchen erfolgt mit Hilfe der folgenden Überlegung.Determination of the electrophoretic mobility of the suspended Particle takes place with the help of the following consideration.
Bezüglich einer nach rechts zeigenden positiven Richtungsachse s sind folgende Geschwindigkeiten zu berücksichtigen: vs : Geschwindigkeit der Strömung v+ : : Geschwindigkeit eines Teilchens, wenn der positive Pol links ist infolge des Zeta-Potentials v~ : wie v+, jedoch nach Umpolen stm+ | gemessene Geschwindigkeit eines Teilchens bei Plus-Polung Vm- : entsprechend bei Umpolung Der Zusammenhang zwischen den Geschwindigkeiten wird durch die Gleichungen (a) bis (c) beschrieben.With respect to a positive directional axis pointing to the right, s are the following speeds must be taken into account: vs: speed of the flow v +:: Velocity of a particle when the positive pole is on the left as a result of the zeta potential v ~: like v +, but after reversing stm + | measured speed of a particle with positive polarity Vm-: corresponding with polarity reversal The relationship between the speeds is described by equations (a) to (c).
- = - v (a) Vm+ = v+ + vs (b) vm- = v~ + vs (c) Um das Gleichungssystem (a)-(c) nach der Laufzeit t+, die nur noch von # und der Feldrichtung abhängt, aufzulösen, sind mehrere mögliche Fälle zu untersuchen. - = - v (a) Vm + = v + + vs (b) vm- = v ~ + vs (c) To the system of equations (a) - (c) to solve for the running time t +, which only depends on # and the field direction, several possible cases are to be investigated.
Nach dem Umpolen können die Teilchen sowohl entgegengesetzte Laufrichtung (Strömung kleiner als elektrophoretische Geschwindigkeit, also t5> t+) als auch gleiche Laufrichtung haben (t5 < t+).After reversing the polarity, the particles can run in opposite directions (Flow less than electrophoretic speed, i.e. t5> t +) as well have the same direction of travel (t5 <t +).
Eine Meßgeschwindigkeit kann Null sein, oder die Bewegungen sind entgegengesetzt gleich. Aus der Betrachtung dieser Fälle wurde die Tabelle 1 mit den zugehörigen Bestimmungsgleichungen (1) bis (6) abgeleitet.A measuring speed can be zero or the movements are opposite same. The consideration of these cases resulted in Table 1 with the associated Determination equations (1) to (6) are derived.
Gleichungen zur Bestimmung der Laufzeiten t+ und der Strömungszeit ts: Die Reproduzierbarkeit der Meßwerte wurde an vielen Systemen überprüft; die Abweichungen lagen im Bereich des Meßfehlers.Equations for determining the transit times t + and the flow time ts: The reproducibility of the measured values was checked on many systems; the deviations were in the range of the measurement error.
Die Möglichkeit subjektiver Meßfehler ist bei diesem mikroelektrophoretischen Verfahren nicht auszuschließen.The possibility of subjective measurement errors is microelectrophoretic with this one Proceedings cannot be ruled out.
Die lineare Fehleranalyse zeigt, daß für den Fehler im 5-Potential folgende Beziehung gilt: Die Erfahrung zeigt, daß dieser Fehler ca. 5% beträgt.The linear error analysis shows that the following relationship applies to the error in the 5-potential: Experience shows that this error is approx. 5%.
Ein weiterer Gedanke der Erfindung besteht darin, die Kühlkammer für die Meßzelle aus zwei Teilen zu gestalten, in die die Meßzelle eingeklebt wird. Der Vorteil der vorgeschlagenen Kammer ist, daß die Meßzelle unmittelbar der Beobachtung zugänglich ist und die Kühlflüssigkeit nicht zwischen der Meßzelle und dem Mikroskopobjektiv tritt, so daß keine störenden optischen Effekte auftreten.Another idea of the invention is the cooling chamber for to design the measuring cell from two parts into which the measuring cell is glued. The advantage of the proposed chamber is that the measuring cell can be directly observed is accessible and the cooling liquid is not between the measuring cell and the microscope objective occurs so that no disruptive optical effects occur.
Abb. 3 zeigt den Aufbau der zweiteiligen Kühlkammer. Ein Nut 12 dient zum Einsetzen der Kammer in eine Trägerplatte, die nicht angeführt ist. Die Kühlsciiläuche werden an die Stützen 13 angeschlossen. Laschen 14 und Einkerbungen 15 dienen zum Halten der Meßküvette, ferner ist der konische Ausschnitt 16 für das Mikroskopobjektiv eingezeichnet, der einen Blickkreis von 10 mm Durchmesser offenläßt.Fig. 3 shows the structure of the two-part cooling chamber. A groove 12 is used for inserting the chamber into a carrier plate that is not listed. The cooling tubes are connected to the supports 13. Tabs 14 and notches 15 are used for Hold the measuring cuvette, and there is also the conical cutout 16 for the microscope objective drawn in, which leaves a circle of vision of 10 mm in diameter open.
Die in der Kammer befestigte Meßzelle ist vor Bruch geschützt und für die Reinigung zusammen mit der Kühlvorrichtung entfernbar.The measuring cell fastened in the chamber is protected against breakage and can be removed for cleaning together with the cooling device.
Das Austauschen der Zelle erfolgt somit sehr bequem und schnell, was
insbesondere bei Reihenuntersuchungen von Vorteil ist.
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