SU206140A1

SU206140A1 -

Info

Publication number: SU206140A1
Application number: SU1056630A
Authority: SU
Original assignee: А. Я. Гохштейн

Description

УСТРОЙСТВО дл ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОФОРЕЗАDEVICE FOR ELECTROPHORESIS RESEARCH

Данное устройство относитс к области физической химии и предназначаетс дл исследовани электрофореза на границе твердое тело - жидкость в нестационарных услови х .This device belongs to the field of physical chemistry and is intended for the study of electrophoresis at the solid-liquid interface under unsteady conditions.

Известны устройства дл исследовани электрофореза, снабженные электродами дл создани в жидкости электрического пол , в которых измер етс установившеес движение взвешенных в растворе частиц либо измер етс с помощью микроскопа стационарное отклонение погруженной в электролит тонкой проволоки.Electrophoresis testing devices are known that are equipped with electrodes for creating an electric field in a liquid, in which the steady-state movement of particles suspended in the solution is measured or measured by a microscope for the steady-state deviation of the fine wire immersed in the electrolyte.

Предлагаемое устройство отличаетс от известных тем, что оно снабжено пьезоэлементом , один конец которого жестко св зан с погруженным в раствор твердым телом в виде пластины, ориентированной вдоль внешнего электрического пол , а другой конец пьезоэлемента закреплен в корпусе кюветы и подключен к избирательному усилителю, соединенному с выпр мителем и регистратором напр жени , снимаемого с пьезоэлемента и пропорционального электрофоретической силе.The proposed device differs from the known ones in that it is equipped with a piezoelectric element, one end of which is rigidly connected to a solid body immersed in the solution in a plate oriented along the external electric field, and the other end of the piezoelectric element is fixed in the cell body and connected to a selective amplifier connected to the rectifier and the voltage recorder taken from the piezoelectric element and proportional to the electrophoretic force.

В зависимости от природы исследуемого твердого тела данное устройство содержит: генератор переменного электрического пол , если исследуетс диэлектрик либо полупроводник с низкой электропроводностью; генератор переменного скачка потенциала на границе Depending on the nature of the solid under study, this device contains: an alternating electric field generator, if a dielectric or semiconductor with a low electrical conductivity is tested; alternating potential jump generator at the boundary

пластина - раствор, если исследуетс металл или полупроводник с высокой электропроводностью . В обоих случа х генераторы настроены на частоту, равную резонансной частоте механической системы пьезоэлемент - пластина .A plate is a solution if a metal or semiconductor with a high electrical conductivity is examined. In both cases, the generators are tuned to a frequency equal to the resonant frequency of the mechanical piezoelectric element – plate system.

Така конструкци устройства предусматривает значительное повышение его чувствительности , а также обеспечивает измерение зависимости электрофоретических сил от времени в услови х, когда состо ние межфазной границы жидкость - твердое тело быстро мен етс в процессе измерени . Например, при резонансной частоте 1000 гц может быть зарегистрировано изменение амплитуды электрофоретической силы, совершающеес за 0,01 сек. Резонансную частоту системы пьезоэлемент - пластина можно варьировать в щироких пределах, мен жесткость пьезоэлемента и массу пластины за счет их размеров.Such a device design provides for a significant increase in its sensitivity, and also provides a measurement of the dependence of electrophoretic forces on time under conditions when the interface of the liquid-solid interface changes rapidly during the measurement process. For example, at a resonant frequency of 1000 Hz, a change in the amplitude of the electrophoretic force can be detected, occurring in 0.01 sec. The resonant frequency of the piezoelectric plate system can be varied within wide limits, the stiffness of the piezoelectric element and the mass of the plate vary due to their size.

На чертеже дана схема предлагаемого устройства .The drawing is a diagram of the proposed device.

Нсследуемое твердое тело в виде тонкой пластины 1 посредством стержн 2 жестко соединено с одним концом пьезоэлемента 3, другой конец которого зажат во втулке 4, скрепленной с экраном 5. Экран укреплен на крышке 6 пр моугольной кюветы 7. В кювете расположены электроды S и 5, служащие дл создани электрического пол в растворе, иThe inspected solid body in the form of a thin plate 1 is rigidly connected by means of a rod 2 to one end of piezoelectric element 3, the other end of which is clamped in sleeve 4 attached to screen 5. The screen is fixed on cover 6 of a rectangular cell 7. In a cell, electrodes S and 5 are located, employees create an electric field in the solution, and

пористые перегородки 10 и 11, предотвращающие св занное с конвекцией попадание продуктов электролиза с электродов 8 и 9 на пластину /.porous partitions 10 and 11, preventing electrolysis products from the electrodes 8 and 9 on the plate, which are associated with convection.

Электроды 8 1 9 соединены последовательно с переменным нагрузочным сопротивлением 12 и вторичной обмоткой трансформатора 13, первична обмотка которого питаетс от генератора 14 периодического напр жени регулируемой частоты и амплитуды. Электрод 9 заземлен по переменному току с помощью емкости 15.The electrodes 8 1 9 are connected in series with the variable load resistance 12 and the secondary winding of the transformer 13, the primary winding of which is powered by a generator 14 of a periodic voltage of adjustable frequency and amplitude. Electrode 9 is grounded by alternating current with the help of capacitor 15.

Сопротивление 12 соединено со входом усилител 16, куда поступает разность потенциалов , пропорциональна току в цепи электродов 8-9, и, следовательно, напр женности электрического пол между электродами.Resistance 12 is connected to the input of the amplifier 16, where the potential difference enters, is proportional to the current in the circuit of the electrodes 8-9, and, consequently, the intensity of the electric field between the electrodes.

В тех случа х, когда сопротивление раствора между электродами 8-9 мало, включение в схему достаточно больщого сопротивлени 12 обеспечивает в цепи электродов 5-9 режим заданного тока. Обкладки пьезоэлемента соединены со входом избирательного усилител 17, к выходам которого подключены выпр митель 18 и пара пластин электроннолучевой трубки 19 (последн служит дл определени разности фаз между сигналами, поступающими с выходов усилителей 16 и 17).In cases where the resistance of the solution between the electrodes 8-9 is low, the inclusion in the circuit of a sufficiently large resistance 12 provides in the circuit of the electrodes 5-9 a given current mode. The piezoelectric plates are connected to the input of the selective amplifier 17, the outputs of which are connected to the rectifier 18 and a pair of plates of the cathode ray tube 19 (the latter is used to determine the phase difference between the signals from the outputs of the amplifiers 16 and 17).

Усилитель 20, генератор развертки 21 и электроннолучева трубка 22 предназначены дл регистрации сигнала, поступающего с выхода выпр мител 18, во времени. Генератор 14 используетс в случае, когда пластина /- диэлектрик. Если пластина 1 - металл, то дл создани пол в растворе используетс генератор 23 посто нного напр жени , вводимый в цепь электродов 8-9 переключателем 24. Вспомогательный электрод 25 и генератор 26 суммы линейно измен ющегос и периодического напр жени служат дл задани скачка потенциала на границе пластины 1 с раствором в том случае, когда пластина / - металл либо полупроводник с высокой проводимостью. Пластина в этом случае заземлена . Электрод 25 состоит из двух металлических пластин, расположенных по обе стороны пластины 1, параллельно ей. Толщина пластины /-0,,0 мм.The amplifier 20, the sweep generator 21 and the electron beam tube 22 are designed to register the signal from the output of the rectifier 18 in time. The generator 14 is used in the case where the plate / is a dielectric. If plate 1 is metal, then a constant voltage generator 23 is used to create the floor in the solution, which is introduced into the circuit of electrodes 8-9 by switch 24. Auxiliary electrode 25 and generator 26 of the sum of linearly varying and periodic voltage serve to set the potential jump on The boundary of the plate 1 with the solution in the case when the plate / is a metal or semiconductor with high conductivity. The plate is grounded in this case. The electrode 25 consists of two metal plates located on both sides of the plate 1, parallel to it. Plate thickness / -0, 0 mm.

При проведении измерений кювета 7 заполн етс до определенного уровн раствором так, чтобы в раствор была погружена часть пластины, одна и та же в серии последовательных опытов.When measuring, the cuvette 7 is filled to a certain level with a solution so that a part of the plate is immersed in the solution, the same in a series of consecutive experiments.

Если пластина 1 - диэлектрик или полупроводник с низкой электропроводностью, с помощью электродов 8-9 и генератора 14 в растворе создаетс переменное электрическое поле, которое приводит к возникновению переменных электрофоретических сил, действующих на плоскости пластины и направленных параллельно полю. Эти силы привод т к весьма малым колебани м системы ньезоэлемент - пластина, что сопровождаетс по влением на обкладках пьезоэлемента переменного напр жени , которое усиливаетс избирательным усилителем 17 и поступает на пару пластин электроннолучевой трубки 19. На другую пару пластин этой трубки с усилител 16 подаетс напр жение, пропорциональное электрическому полю в растворе. Трубка 19 используетс дл сопоставлени фаз обоих напр жений. Частота колебаний электрического пол в растворе устанавливаетс равной резонансной частоте механических колебаний системы пьезоэлемент - пластина , происход щих за счет изгиба пьезоэлемента . При равенстве частот напр жение, снимаемое с пьезоэлемента, достигает максимума . С выпр мител 18 через усилитель 20If plate 1 is a dielectric or semiconductor with low electrical conductivity, using electrodes 8-9 and a generator 14, an alternating electric field is created in the solution, which leads to the appearance of variable electrophoretic forces acting on the plane of the plate and directed parallel to the field. These forces lead to very small oscillations of the negative-element-plate system, which is accompanied by the appearance of alternating voltage on the plates of the piezoelectric element, which is amplified by the selective amplifier 17 and is applied to a pair of plates of the cathode ray tube 19. proportional to the electric field in the solution. Tube 19 is used to match the phases of both voltages. The oscillation frequency of the electric field in the solution is set equal to the resonant frequency of the mechanical oscillations of the piezoelectric element – plate system, which occurs due to the bending of the piezoelectric element. With equal frequencies, the voltage removed from the piezoelectric element reaches its maximum. With rectifier 18 through amplifier 20

на вертикально-отклон ющие пластины трубки 22 иодаете напр жение, пропорциональное амплитуде электрофоретических сил, действующих на пластину 1. Трубка 22 используетс дл регистрации этой амплитуды в зависимости от времени.On the vertical deflection plates of the tube 22, the voltage is proportional to the amplitude of the electrophoretic forces acting on the plate 1. The tube 22 is used to record this amplitude versus time.

Если пластина 1 - металл или полупроводник с высокой электропроводностью, генератором 26 с помощью вспомогательного электрода 25 периодически, с частотой, равной резонансной частоте системы пьезоэлемент - пластина, измен етс скачок потенциала на границе пластины / с раствором. С помощью генератора 26 может быть осуществлено также одновременное линейное изменение среднего значени скачка потенциала со временем . Это, а также синхронизаци генератора 26 с генератором развертки 21 позвол ет измерить зависимость амплитуды электрофоретических сил от скачка потенциала на границе исследуемого твердого тела с раствором.If plate 1 is a metal or semiconductor with a high electrical conductivity, the generator 26, using an auxiliary electrode 25, periodically, at a frequency equal to the resonant frequency of the piezoelectric element – plate system, changes the potential jump at the plate / s interface. By means of the generator 26, a simultaneous linear change in the mean value of the potential jump with time can also be realized. This, as well as synchronization of the generator 26 with the generator of the sweep 21, makes it possible to measure the dependence of the amplitude of the electrophoretic forces on the potential jump at the boundary of the solid under study with the solution.

То, что в предлагаемом устройстве услови измерений должны быть различны дл двух групп твердых тел - металлов и диэлектриков - непосредственно св зано с нестационарностью измерений, дл которых предназначено предлагаемое устройство, и с необходимостью обеспечить периодическое изменение электрофоретических сил с тем, чтобы можно было применить избирательное усиление, аThe fact that, in the proposed device, the measurement conditions must be different for two groups of solids - metals and dielectrics - directly related to the nonstationarity of the measurements for which the proposed device is intended, and the need to ensure a periodic change in electrophoretic forces so that selective gain as well

также с тем, чтобы устройство могло работать в режиме механического резонанса. Избирательное усиление и режим механического резонанса в сочетании с применением пьезоэлемента гарантируют высокую чувствительность устройства. Однако требуемое периодическое изменение электрофоретических сил не может быть достигнуто одним и тем же способом и в случае диэлектриков и в случае металлов . Этим рассматриваемый здесь нестационарный случай принципиально отличаетс от стационарного, в котором посто нные электрофоретические силы, действующие на диэлектрики и металлы (в отсутствие электрохимических реакций), одинаковы в одном иalso so that the device can operate in the mode of mechanical resonance. Selective amplification and mechanical resonance mode in combination with the use of a piezoelectric element guarantee high sensitivity of the device. However, the required periodic change in electrophoretic forces cannot be achieved in the same way in the case of dielectrics and in the case of metals. By this, the nonstationary case considered here is fundamentally different from the stationary one, in which the constant electrophoretic forces acting on dielectrics and metals (in the absence of electrochemical reactions) are the same in one and the same

том же посто нном внещнем электрическом поле при одном и том же зар де подвижной части двойного сло . Переменное электрическое поле вблизи диэлектрика сохран ет то же направление, что и посто нное электричеэлектрика; в случае 1металла посто нное поле также направлено касательно к поверхности металла. Однако переменное электрическое поле вблизи металла имеет существенно другое направление, так как в услови х переменного пол переменный ток проходит через границу металл - раствор, вл ющуюс з трическим конденсатором. Уже при неб л ших частотах (пор дка 10 гц дл растворов электролитов с концентрацией ниже 0,001/1/1) сопротивление этого конденсатора настолько мало, что основна часть переменного тока проходит через металл, обладающий низким сопротивлением, вмест этого, чтобы проходить через наход щийс р дом раствор с высоким сопротивлением. В этих услови х вление электрофореза практически отсутствует.the same constant external electric field with the same charge of the moving part of the double layer. The alternating electric field near the dielectric retains the same direction as the constant electric; In the case of 1 metal, the constant field is also directed tangentially to the metal surface. However, the alternating electric field near the metal has a significantly different direction, since in the alternating field conditions the alternating current passes through the metal-solution boundary, which is a three-dimensional capacitor. Already at small frequencies (on the order of 10 Hz for electrolyte solutions with a concentration below 0.001 / 1/1) the resistance of this capacitor is so small that the main part of the alternating current passes through a low-resistance metal, instead of this, to pass through the existing near a solution with high resistance. Under these conditions, electrophoresis is practically absent.

По этой причине в случае диэлектрика или полупроводника с низкой проводимостью дл периодического изменени электрофоретической силы целесообразно периодически мен ть внешнее электрическое поле, а в случае металла или полупроводника с высокой проводимостью целесообразно при посто нном электрическом поле периодически мен ть скачок потенциала на границе твердое тело - раствор , измен таким путем зар д на этой границе , что возможно именно благодар высокой электропроводности.For this reason, in the case of a dielectric or semiconductor with a low conductivity, it is advisable to periodically change the external electric field to periodically change the electrophoretic force, and in the case of a metal or semiconductor with a high conductivity, it is advisable to periodically change the potential jump at a solid-solution interface , changing in this way the charge on this boundary, which is possible precisely because of the high electrical conductivity.

В обоих случа х достигаетс периодическое изменение электрофоретической силы, вл ющейс результатом взаимодействи электрического нол и зар да. Интерпретаци результатов измерений в обоих случа х различна: в случае переменного пол амплитуда напр жени , снимаемого с пьезоэлемента, пропорциональна зар ду подвижной части двойного электрического сло , а в случае переменного скачка потенциала - производной этого зар да по потенциалу.In both cases, a periodic change in the electrophoretic force is obtained, which is the result of the interaction of an electrical zero and a charge. The interpretation of the measurement results in both cases is different: in the case of an alternating field, the amplitude of the voltage taken from the piezoelectric element is proportional to the charge of the moving part of the electric double layer, and in the case of a variable potential jump, this potential derivative.

Измерение зависимости амплитуды электрофоретических сил от времени позвол ет исследовать различные быстропротекающие процессы па межфазной гранпце: адсобцпю, физико-химические процессы, иннциированные облучением, и другие. В случае повтор емости процессов, вызванных облучением, полезно следующее видоизменение предлагаемого устройства: создаваемое электродами 8-.9 элекр 1ческое поле в растворе посто нно, облуче ,..; пластины / с помощью прерывател преобразуетс в импульсы с частотой, равной резонансной частоте системы пьезоэлемент - пластина.Measuring the dependence of the amplitude of electrophoretic forces on time allows us to investigate various high-speed processes on interphase granpets: adsobutpu, physico-chemical processes injected by irradiation, and others. In the case of the repeatability of the processes caused by irradiation, the following modification of the proposed device is useful: the electric field created by the electrodes 8-.9 in the solution is constant, irradiated,; plate / using a chopper is converted into pulses with a frequency equal to the resonant frequency of the piezoelectric plate-plate system.

Иредмет изобретени Iredmet invention

Claims

1. An electrophoresis test device containing a cuvette with a submerged

a solid solution, electrodes to create an electric field in a solution, connected to a source of electrical voltage, characterized in that, in order to increase the sensitivity and

measuring in unsteady conditions, it is equipped with a piezoelectric element, one end of which is rigidly connected to a solid body immersed in the solution, made in the form of a plate, the other end of the piezoelectric element is fixed in the cell body and connected to a selective amplifier connected to a rectifier and voltage recorder.

2. The device according to claim 1, characterized in that, in order to measure electrophoretic forces at the metal boundary of the lnb of a semiconductor with a solution under stationary conditions, it is provided with an auxiliary electrode connected to a generator with a periodically and linearly varying potential, and the solid under study the body is oriented in the direction of a constant external electric field.

3. The device according to claim 1, characterized in that, in order to carry out measurements at the boundary of a dielectric or high-resistance wiring with a solution, the test solid is opi-oriented in the direction of the external alternating field.

13 22