电泳光散射zeta电位检测系统研究及其关键模块设计

来源 :华南师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huangzhijian2006
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电泳光散射法是目前颗粒zeta电位分析的主要方法。它是基于胶体颗粒在外加电场的作用下作定向电泳运动引起散射光强变化,通过对接收的散射光信号进行相关分析,得出散射光强变化的周期,进而得出颗粒电泳迁移率及zeta电位信息的方法。  随着现代技术的发展,越来越多的研究领域要求快速、自动、准确测量颗粒的电位信息,传统的微电泳法测量电位技术已难以满足需求。然而,电泳光散射电位分析仪一直为国外企业所垄断,国内尚无相关产品研制成功的报道,因此,开展电泳光散射电位分析仪的实验研究对研制具有自主知识产权的颗粒电位测量仪器将有重要的意义。  本文主要组建了电泳光散射zeta电位测量系统,并对该系统中的样品池、光信号探测模块的温控系统和样品池模块进行软硬件设计、实现。研究工作建立在对电泳光散射电位测量技术、光电倍增管的工作原理、LabVIEW软件编程、硬件电路设计等熟悉的基础上,开展了以下几个方面的工作:  针对溶液中颗粒的带电特性,讨论了颗粒的表面电位层。分析电泳迁移率与颗粒表面zeta电位之间的关系。给出电泳运动引起散射光多普勒频移、散射光强变化与探测光子数的自相关函数的关系,确定自相关函数的周期变化与颗粒zeta电位的关系。  电泳光散射实验中使用光电倍增管来接收散射光,由于光电倍增管灵敏度极高,在实验过程中环境温度的变化会影响光电倍增管的灵敏度和信噪比。针对上述现象,设计了用于该仪器的光信号探测模块的温度控制系统。该温控系统基于PID控制原理,通过AVR单片机ATMEGA16对半导体制冷片(Thermo-ElectricCooling,TEC)的闭环控制来实现温度的精密控制。实验结果表明,该系统可以使光信号探测模块的温度控制在5℃±0.1℃,光电倍增管的暗噪声从25℃时的每秒363个光子数下降到5℃时的每秒8个光子数,噪声波动标准差也从22降到3,能够很好地满足系统对信号探测稳定性的要求。  样品池是电泳光散射系统的关键部件,样品池的结构设计和所提供的电场直接关系到电泳光散射信号的获取。本文经过对两种常用的样品池进行对比分析后,设计了用于交叉光路测量的方形平行电极结构样品池,同时为了解决直流电场引起的焦耳热对测量结果的影响,设计了交变间歇电场。  基于电泳光散射的相关理论,搭建了电泳光散射zeta电位测量系统平台,获得了电泳光散射的相关曲线。分析了硬件相关器的在实验测量过程中的局限性,设计基于FPGA的光子计数器和基于LabViEW的软件相关器,并提出把原始光子数序列进行跟段处理的改进方法,提高了相关曲线周期的分辨率。对90nm、200nm、400nm、1030nm颗粒分别进行了多次测量实验,实验结果与理论的相关曲线具有较好的一致性。
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