DD156846A5

DD156846A5 - Verfahren und vorrichtung zum messen von elektrkinetischen erscheinungen an grenzflaechen

Info

Publication number: DD156846A5
Application number: DD81228148A
Authority: DD
Inventors: Yoshio Kawai; Kiyoshi Kitagawa
Original assignee: Kureha Chemical Ind Co Ltd
Priority date: 1980-03-07
Filing date: 1981-03-09
Publication date: 1982-09-22
Also published as: EP0035878A2; EP0035878A3; US4433299A; DE3171972D1; EP0035878B1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Messen elektrokinetischer Erscheinungen und beispielsweise Elektrolyse an Grenzflaechen durch Erzeugen eines stationaeren elektrischen Felds in einer Probe. Dabei wird die Spannung zwischen zwei Punkten innerhalb der Probe, die nicht den Elektroden fuer die Einleitung des elektrischen Stroms entsprechen, gemessen und der der Probe zugeleitete elektrische Strom derart gesteuert, dass die gemessene Spannung konstant bleibt. Weiter wird die Probe durch Einheiten eines Wechselstroms vor dem Einleiten des Gleichstroms vorgeheizt,waehrend die Teilchen in einem praktisch stationaeren Zustand verbleiben,so dass die Beweglichkeit der geladenen Teilchen in der Probe mit grosser Genauigkeit bestimmt werden kann.

Description

Berlin, den Ι6_β10₀1981 58 9W16

Verfahren und Vorrichtung zum Messen von elektokinetischen Erscheinungen an Grenzflächen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren unä eine Vorrichtung zum Messen von elektrokinetischen Erscheinungen, ν?ie Elektrophorese und Elektroosmose an Grenzflächen und insbesondere die Messung von elektroosmotischen Erscheinungen, d* h_e das Messen der Fließfähigkeit von Flüssigkeiten, die aus der durch diQ Migration der Ionen in der Diffusions™ doppelschicht bewirkten Bewegung des Lösungsmittels resultier^ im Falle, wo ein elektrisches Feld längs einer Fest-Flüssig-Grenzschicht oder einer Fluss ig-Flussig-Grenzschicht zur Einwirkung gebracht wird, oder zur Messung der Bewegungsgeschwindigkeit elektrisch geladener Teilchen in einem elektrischen Feld_e

Charakteristikder bekannten technischen Lösungen

Zum Messen elektrokinetischer Erscheinungen an Grenzflächen ist für den Bereich der Technik, der Mikroteilchen mit Oberflächenladungen betrifft, bereits eine elektrophoretische Vorrichtung zum Beobachten der Bewegung geladener Teilchen bekannt.

Bei dieser bekannten elektrophoretischen Vorrichtung wird in einer Migrationskammer (elektrophoretischen Zelle) durch Anlegen einer konstanten Spannung zwischen einem Paar in der Migrationskammer angeordneten Elektroden ein stationäres

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elektrisches Feld erzeugt und die geladenen (Teilchen in der Kammer entsprechend diesem elektrischen Feld bewegt« Die Belegung der Teilchen wird dann beispielsweise mit einem an eine Lichtquelle angeschlossenen Mikroskop beobachtet und gemessen* Die durch die Messung in einer elektrophoretischen Vorrichtung erhaltene elektrophoretische Beweglichkeit oder Mobilität entspricht der Geschwindigkeit jedes der Teilchen pro elektrische Feldstärke, gemessen in ™r / —-r- » Für die

DUO V/iil

Messung elektrophoretischer Erscheinungen ist es darum nichtig, in der zu messenden Probe ein im wesentlichen konstantes elektrisches Feld zu erzeugen und die Probe auf einer konstanten Temperatur zu halten, wenn sehr genaue Meßwerte erreicht werden sollen« Für die Genauigkeit der Meßwerte sind die beiden genannten Probleme außerordentlich wichtig.

Y/eil zwischen den beiden Elektroden^ auch wenn kein äußeres elektrisches Feld angelegt wird_s oft eine Potentialdifferenz besteht j ist der gemessene Stromfluß in der Probe oft in Abhängigkeit von der Richtung des elektrischen Feldes unterschiedliche

Das hat zur Folge, daß beispielsweise für den Fall, daß eine Konstantspännungsquelle zum Erzeugen des elektrischen Feldes verwendet wird und obwohl die Spannung zwischen dem Elektrodenpaar in der elektrophoretischen Vorrichtung konstant gehalten werden kann, der Potentialgradient (der Gradient der elektrischen Feldstärke) in derMigrationskammer und beispielsweise der Spannungsabfall zwischen der Elektrode und der zu messenden Probe nicht immer konstant ist* Weil darum auch.die an der Probe selbst wirksame Spannung nicht immer konstant 'ist, können mit der beschriebenen bekannten Vorrichtung keine genauen Meßwerts erreicht werden_e

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Fur die Messung der elektrophoretisch hen Mobilität, bei der die elektrische Feldstärke durch Berechnung als das Produkt des Stroms und des elektrischen Widerstands der Probe pro Abstandseinheit bestimmt wird, wird darum im allgemeinen anstelle der Verwendung einer Konstantspannungsquelle die Verwendung einer Konstantstromquelle bevorzugt«, Auch für diesen Fall ist die Messung unter konstanten Temperaturbedingungen unerläßliche

Ura die temperatur in der Migrationskammer konstant zu halten, werden im allgemeinen Einrichtungen zum Umwälzen eines Heizmediums an die Außenseite der die Migrationskammer bildenden Meßzelle verwendet, wobei die Temperatur des Heizmediums konstant gehalten wird« Auch diese Maßnahme weist Nachteile auf, beispielsweise ist kein rasches Ansprechen auf die durch den Gleichstrom zum Erzeugen des elektrischen Feldes bewirkten Erzeugung von Joule'scher Wärme in der zu messenden Probe möglich» Das bedeutet, daß die aufgezeigten Probleme auch mit der beschriebenen Maßnahme noch nicht gelöst werden könnten«

Die grundlegende Arbeitsweise beim Messen der elektrophoretischen Bewegung von teilchen umfaßt die folgenden Arbeitsgänge :

1_e Die zu messende¹ Probe wird in eine Meßzelle eingegeben;

2. Wenn sich die Schwankungen der Teilchen der in der Meßzelle befindlichen Probe beruhigt haben, wird die Probe mikroskopisch beobachtet, um ein zu messendes Teilchen zu bestimmen;

3, Der Gleichstrom wird eingeschaltet, um das Fließen der Teilchen einzuleiten;

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4_e Sobald nach dem Einschalten des Gleichstroms der Teilchen« fluß einen stationären Zustand erreicht hat, wird die Beweglichkeit des TeilcbenSj d.. h* die Bewegungsdistanz pro Zeiteinheit gemessen?

5« Nach dem Beenden dar Messung wird die Polarität des Gleichstroms umgekehrt, und es werden die gleichen Arbeitsgänge wie oben unter den Punkten 3 und Λ beschrieben ausgeführt_$ um die Beweglichkeit des Ϊ©lichens in der entgegengesetzten Richtung zu messen?

6_e Der Mittelwert aller mittels der Arbeitsgänge 4 und 5 gemessenen Beweglichkeiten wird als die elektrophoretische Beweglichkeit der Teilchen bestimmte

Das unter den Punkten 2 bis 6 beschriebene Verfahren wird für einige 10 bis einige 100 Teilchen wiederholt und der dabei erhaltene Mittelwert als die mittlere Beweglichkeit der Teilchen in der Probe definierte

Die Zeitspanne zum Einstellen des stationären Zustande im Arbeitsgang 4 des beschriebenen Verfahrens beträgt etwa 0,1 bis 0,2 Sekunden_o Dagegen wird die Temperatur der Probe in der Meßzelle durch die von dem zugeführten Meßstrom erzeugte Joule^ssche Wärme erhöht, und es braucht in Abhängigkeit vom Zellenaufbau zwischen 10 und einigen 100 Sekunden, bis die Temperatur der Probe stabilisiert ist. Obwohl die eigentliche Meßzeit, für die Beweglichkeit innerhalb 1 bis 3 Sekunden für einen Schritt liegt, beträgt darum die für einen Meßschritt erforderliche Zeit zwischen 10 bis mehreren 100 Sekunden, wenn die Messung erst nach der Einstellung der Temperatur,.welche so viel Zeit benötigt, begonnen wird« Außerdem bewegen sich die zu messenden Tsliehen während des Wartens auf die Temperaturstabilisierung unter dem Einfluß des Meßgleichstroms weiter in einer Richtung, wobei die

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meisten Teile das Gesichtsfeld für die Beobachtung verlassen, wenn für das elektrophoretisch^ Meßverfahren ein Mikroskop verwendet vtix'd* Darum ist es bisher unmöglich gewesen, Messungen mit großer Genauigkeit bei konstanter Temperatur durchzuführen«,

Ziel der Erfindung

Bs ist darum ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Meßwerte mit großer Genauigkeit bei konstanten Temperaturbedingungen zu erhalten und die Messung mit großer Genauigkeit innert einer kurzen Zeitspanne auszuführen«,

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch die Kompensation der durch die Temperaturänderung der zu messenden Probe bedingten Änderung des elektrischen Widerstands und dadurch ermöglichten Anwendung einer im wesentlichen konstanten Spannung an der Probe Messungen mit großer Genauigkeit durchzuführen.

Um dieses Ziel zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Messen von elektrokinetischen Erscheinungen an Grenzflächen durch die Verwendung eines stationären elektrischen Feldes an der zu messenden Probe, welches Verfahren eins Steuerung der Meßbedingungen innerhalb der Migrationskammer umfaßt, und eine Meßvorrichtung, deren Stromquelle für das Erzeugen des elektrischen Feldes in einer Kammer mit der zu messenden Probe Mittel zum Steuern der Meßbedingungen enthält♦

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Die vorliegende Erfindung schafft; ein Verfahren zum Messen von elektrokinetischen Grenzflächenerscheinungen, wobei vor dem Anlegen des stationären elektrischen Feldes an die Probe der zu. messenden Probe ein Wechselstrom zugeführt wird, so daß vorgängig der Messung in der Probe elektrische Leistung verbraucht wird, deren Menge praktisch gleich derjenigen elektrischen Leistung ist, die beim Anlegen des stationären elektrischen Feldes verbraucht wird, sowie eine Vorrichtung zum Messen von elektrokinetischen Grenzflächenerscheinungen, deren Stromquelle zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die zu messende Probe einen Ausgangsauswahlkreis enthält, um die Ausgangsklemmen wahlweise mit einex* Gleichstrom- oder· einer Wechselstromquelle zu verbinden,,

Die vorliegende Erfindung ermöglicht insbesondere_} die iemperatur einer zu messenden Probe während des gesamten Meßvorgangs auf dem gleichen konstanten Wert zu halten_s was durch die Zuleitung eines Wechselstroms zur Probe während der Unterbrechung der Zuleitung des zum Messen der Elektrophorese erforderlichen Gleichstrom_s d_e h* in der Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Meßschritten, erreicht wird, wobei in der Probe abwechselnd die gleiche Menge an Wechsel« strom- bzw, Gleichstromleistung verbraucht wird«

Es ist anzustreben, daß die beim erfindungsgemäßen Messen der .Elektrophorese verwendete ?/echselstromleistung eine . Frequenz aufweist, bei der die Bewegung der Teilchen in bezug auf die leichte Bestimmung des zu messenden Teilchens als in einem stationären Zustand angesehen werden kann, weshalb eine geeignete Frequenz ,gewöhnlich größer ist als 10Hz. .' .

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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Messen elektrokinetischer Erscheinungen an Grenzflächen durch die Einwirkung eines elektrischen Felds auf eine zu messende Probe, wobei die Spannung zwischen zwei Punkten, deren Positionen nicht mit denen der Elektroden zum Anlegen der Spannung an die Probe übereinstimmen und die Spannung durch Steuern des Stroms derart zur Einwirkung gebracht wird, daß die nachgewiesene Spannung immer konstant ist, sowie eine Vorrichtung zum Messen der Elektrophorese, enthaltend ein Paar in der Migrationskaminer der elektrophore tischen Vorrichtung beabstandet voneinander angeordnete und zum Nach«= we.Is der Spannung vorgesehene Sonden, wobei die Spannung zwischen den Meßsonden durch die an den Meßsonden angeordneten Anschlüsse an die Stromquelle zurückgeleitet wird, welche Vorrichtung weiter eine Gleichstromquelle enthält zum Steuern des Stromflusses zwischen den mit einem Paar entgegengerichteten Elektroden der elektrophoretischen Vorrichtung verbundenen Stromanschlüssen, um die Spannung zwischen den Sonden auf einem konstanten Wert zu halten. Auf diese Weise kann die elektrische Feldstärke in Abhängigkeit vom elektrischen Widerstand der zu messenden Probe konstant gehalten und dadurch die Genauigkeit der Messung ganz wesentlich verbessert werden.

Die Erfindung kann nicht nur zum Messen der Elektrophorese mit Hilfe eines Mikroskops verwendet werden, sondern auch zum Messen elektrophoretischer Phänomene oder zum Messen von Elektroosmose mittels Doppler-Detektor-Verfahren» Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zum Messen elektrokinetischer Grenzflächenerscheinungen ermöglichen durch die Einwirkung einer praktisch konstanten Spannung auf

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die zu messende Probe Meßwerte mit großer Genauigkeit zu erhalten_s ohne Nebenwirkungen durch die vom zugeführten Strom erzeugte Joule^ssche Wärme₀

AusfuhrungsbeispieI

Nachfolgend-wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an einer bevorzugten Ausführungsform erläutert, um die vorstehend beschriebenen Ziele und Merkmale soviie weitere Ziele und Merkmale der Erfindung zu verdeutlichen» Es zeigen?

Figo 1i die schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erf indungsgemäßen Elektrophoresemeßvorrichtung \

und 3ί Blockschemata für unterschiedliche Stromquellen zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung;

Fig* 4ί ein Schaltschema für die in dex* Vorrichtung gemäß der Figo 1 verwendete Stromquelle;

Fig* 5' eine grafische Darstellung der Temperaturänderung in einem ü-förmigen Glasrohr in einer konventionellen Meßeinrichtung;

Fig« 6s die schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrophoresemeßvorrichtung;

Fig«, 7» ein S_Ghaltschema für die in .der Vorrichtung gemäß der Fi.g_B 6 verwendete Stromquelle;

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Fig, 8: eine grafische Darstellung der Temperaturänderung in einer Meßzelle in einer konventionellen Meßvorrichtung;

Fig» 9ϊ ein Blockschema mit einer anderen zur Verwendung für die vorliegende Erfindung geeigneten Stromquelle;

Fig* 10ϊ die schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer elektrophoretischen Meßvorrichtung mit der Stromquelle gemäß der Figo 9»

Fige. 11 ί eine charakteristische grafische Darstellung der Spannungsverteilung in jeder der Sektionen in einer zur Verwendung der vorliegenden Erfindung geeigneten Stromquelle und

Fig« 12: die schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrophoretischen Meßvorrichtung,,

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrophoretischen Meßvorrichtung in einem Bad 1 mit konstanter Temperatur angeordnet und enthält ein U~förmiges Glasrohr 2, das die Migrationskammer bildet, ein Paar Elektroden 30, 31, die mit einem Abstand "von 50 mm voneinander im Bodenteil des U-förmigen Glasrohrs angeordnet sind, und eine Stromquelle 7 für die Zuleitung von elektrischem Strom an die Elektroden 30, 31»

Das U-förmige Glasrohr 2 hat einen Innendurchmesser von 2 mm und ist mit der zu messenden Probe 21 gefüllt. Ein mit einem. Polyäthylenrohr umhülltes abgeschirmtes Theiropaar 32 mit

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einem Außendurchmesser, von. 0,25 mm ist etwa in der Mitte der Innenseite des Glasrohrs angeordnet und mit einem Tempera«- turanzeigegerät(Thermometer) 33 verbunden, um die Temperatur in dem U-förniigen Glasrohr 2 zu überwachen

Wie in Fig» 2 gezeigt ist, enthält die Stromquelle 7 einen Rechteckwellengeneratur (Oszillator) A, einen Leistungsregler Β, einen Ausgangswählkreis C und einen Gleichrichterkreis D_e Die Stromquelle ist derart aufgebaut, daß die von ' dem Rechteckwellengenerator erzeugte Rechteckwellenspannung von dem Leistungsregler B geregelt und in Abhängigkeit vom Signal des Ausgangswählkreises C.in einen Gleichstrom ge-· wandelt oder in der ursprünglichen Form als Wechselstrom an die Elektroden 3O₅ 31 geleitet wird*

Nach dem Einbringen der Probe 21 in die Meßvorrichtung wird die Stromquelle 7 eingeschaltet, um ein elektrisches Feld zu erzeugen_e Der AusgangeWahlkreis C ist derart aufgebaut, daß der Probe 21 zuerst während einer vorgegebenen Zeitspanne Wechselstrom und danach Gleichstrom zugeleitet wird* Die Beweglichkeit der Teilchen in der Probe wird während der Zuleitung des Gleichstrom gemessene

Wie es in Pig« 3 gezeigt ist, kann die Stromquelle anstelle des in Fig_e 2 gezeigten Rechteckwellengenerators· A eine Wechselstromquelle A. und Gleichstromquelle Ap enthalten, und-jede dieser Stromquellen kann mittels Ausgangsregelkreis en (Leistungsreglern) B^-, B₂ mit einem A us gangs Wahlkreis C verbunden sein»

Weil bei der Verwendung.des erfinduhgsgemäßen Verfahrens und der dazugehörigen Vorrichtung die Beweglichkeit bei einer konstanten Temperatur gemessen werden kann, wird das

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Entstehen von durch Temperaturänderungen erzeugten Fehlern verhindert, und die Genauigkeit der Messung kann ganz wesentlich verbessert werden»

Weiter ist, weil die normalerweise erforderlichen wiederholten Messungen durch Wiederholen der Bestimmung eines zu messenden Teilchens während der Einwirkung des Wechselstroms und der Messung der Beweglichkeit dieses Teilchens nach dem Umschalten vorn Wechsel- auf den Gleichstrom ausgeführt werden können, eine Wartezeit für die Stabilisierung der Temperatur nicht mehr erforderlich, weshalb die Meßzeit ganz wesentlich verkürzt werden kann_s Es versteht sich_s daß der Rechteckvüellengenerator durch eine handelsübliche Wechselstromquelle ersetzt werden kann,.

Die Fig_e 4- zeigt eine elektrophoretisch^ Meßvorrichtung mit einer anderen Ausführungsform der Stromquelle 7» Diese Stromquelle enthält eine Gleichstromquelle 71_} die für die Abgabe von 10 mA konstantem Gleichstrom an die Probe dimensioniert ist, um ein.eine Elektrolyse bewirkendes elektrisches Feld zu erzeugen, sowie einen an eine Wechselstromquelle 72 mit üblicher Frequenz angeschlossenen, veränderbaren Transformator 73 &it einem Wechselspannungsvoltmeter 74 zum Messen der Ausgangsspannung, welche Gleich- und welche Wechselstromquelle parallel an einen Ausgangs- oder Umschalter 17 angeschlossen sind» Der Strom von der Stromquelle" 7 wird über die Ausgangsklemmen an die Elektroden 30, 31 geleitet. Der Ausgangsschalter 17 enthält einen Kontaktsatz 18, der im geschlossenen Zustand eine positive Gleichspannung an die Elektroden 30, 31 leitet, sowie einen Eontaktsatz 19, der im geschlossenen Zustand eine negative Spannung an die Elektroden 30, 31 leitete Der Ausgangsschalter 17 ist weiter so aufgebaut, daß die Elektroden 30,

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31 über den veränderbaren Transformator 73 mit der Wechselstromquelle 72 verbunden sind, wenn die beiden Kontaktsätze 18, 19 geöffnet sind« Bei den in Fig. 1' gezeigten Vorrichtung wird die Temperatur im temperaturkonstanten Bad 1 mit Hilfe einer Temperatursteuerung oder Kontrolleinrichtung 4- und einer Heizeinrichtung 15 auf 20 ⁰C + 0,1 ⁰C eingestellte

Nachfolgend wird eine experimentelle Messung Nr₀ 1, für die die Elektrophorese- oder Temperaturkontrollmeßvorrichtung mit der Stromquelle gemäß der Fig« 4- verwendet wurde, beschriebene .

Das U-förmige Glasrohr 2 wurde mit physiologischem Salzwasser als Probe gefüllt und in das temperaturkonstante Bad eingebracht. Danach wurde die Wechselstromquelle 72 eingeschaltet und für etwa 10 Minuten ein Wechselstrom an die Elektroden 30? 31 ge leitet«, Dabei wurde die Aus gangs spannung des veränderbaren Transformators 73 derart eingestellt, daß das Voltmeter 74 eine Spannung von 108 V anzeigte (die Kontaktsätze 18, 19 für den positiven bzw« negativen Gleichstrom waren geöffnet)_s

Nachdem der von dem Temperaturanzeigegerät angezeigte Wert stabilisiert war, vmrde der Kontaktsatz 18 für die positive Spannung geschlossen und dadurch die Stromzuleitung zu den Elektroden von der Wechselstromquelle auf die Gleichstromquelle umgeschaltete

Als Ergebnis dieses Vorgehens wurden die im folgenden beschriebenen guten Bedingungen erreicht,,

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Beim Umschalten von Wechselstrom auf Gleichstrom veränderte sich die von der Temperaturanzeigeeinrichtung 33 angezeigte Temperatur im U-förmigen Glasrohr 2 nur in einem Bereich von 0}1 ⁰Cj welcher Wert nach dem Umschalten konstant blieb.

Zum Vergleich ist in Fig., 5 die Temperaturänderung in Abhängigkeit von der Zeit für das U-förmige Glasrohr einer konventionellen Vorrichtung, bei der nur während der Messung ein Gleichstrom an die Elektroden geleitet wird, aufgetragen, wobei auf der Ordinate die Temperatur T in ⁰C und auf der Abszisse die Zeit t in Sekunden aufgezeichnet sind©

Auch aus der Fig«, 5 ist zu erkennen, daß bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens die Messung unter konstanten Temperaturbedingungen ausgeführt und dadurch die Meßgenauigkeit ganz wesentlich verbessert werden kann.

Bei der neuen Messung der Teilchenbeweglichkeit wird folgendermaßen Vorgegangen? Während der Zuleitung des Wechselstroms und solange die Teilchen sich in einem stationären Zustand befinden, wird ein zu messendes Teilchen ausgewählt· und, wenn die Temperatur in der zu messenden Probe gut stabilisiert ist, der Relaiskontaktsatz 18 für den positiven Gleichstrom geschlossen, um die Bewegungsgeschwindigkeit des ausgewählten Teilchens zu messen. Danach wird der Relaiskontaktsatz 19 für den negativen Gleichstrom geschlossen, um die Bewegungsgeschwindigkeit des gleichen Teilchens in der entgegengesetzten Richtung zu messen. Die Beweglichkeit eines Teilchens wird dann als der Mittelwert der Bewegungsgeschwindigkeiten in den beiden Richtungen bestimmt* Danach werden andere zu messende Teilchen ausgewählt und die Messungen sowohl mit positiver als auch mit negativer

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Spannung für einige 10 bis einige 100 Teilchen wiederholt und aus dem Mittelwert" aller Messungen die Beweglichkeit bestimmte

Nachfolgend vjird das erfindungsgeraäße Verfahren zum Messen der Elektrophorese mit Hilfe der in den Fig_e 6 und 7 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung beschriebene

Die elektrophoretisch^ Meßvorrichtung enthält eine vierkantige oder küvettenförmige Meßzelle 20 mit einer nutzbaren Tiefe von 0,7 mm und einer Höhe von 7 mü, deren Außenfläche in ein Bad. 10, in dem Kühlwasser umgewälzt wird, eingetaucht ist, sowie an entsprechenden Enden angeordnete, für die Stromzuleitung vorgesehene Elektroden 30, 31 und eine Stromquelle 80, die den Strom für die Elektroden lieferte

Das Bad 10 mit dem umgewälzten Kühlviasser wird mit Hilfe einer Wasserumwälzleitung 24, einer motorgetriebenen Umwälzpumpe 23f einer Temperaturmeßeinrichtung 4 und einer Heizeinrichtung 15 auf eine.Temperatur von 20 ⁰C ^ 0^1 ⁰C eingestellte

Die Zelle wird mit einer als die zu messende Probe verwendeten Kulturlösung "BAGIS-" (eingetragener Markenname) gefüllt, die schwebende rote Schafsblutzellen enthalte Zwischen den für die Stromzuleitung vorgesehenen Elektroden 30, 31 sind weitere zum Spannungsnachweis vorgesehene Elektroden oder " Sonden 50. 51 angeordnet und zur Spannungsmessung mit einem Gleichstromvoltmeter 40'verbunden« Die Stromquelle 80 enthält, wie.es in Fig* 7 gezeigt ist, einen Rechteckwellenge— nerator 81, einen Verstärker 82"zum Verstärken der rechteckigen Ausgangssignale des Generators 81, einen Impuls«

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transformator 83 zum Aufwärtstransformiereη der vom Verstärker 82 gelieferten Eechteckspannung, eine Gleichrichtergruppe 84- mit den Dioden 86 bis 89 zum Gleichrichten des Wechselstroms mit der rechteckigen Wellenform vom Trans·^ formator 83 und einen Steuerkreis 85o Der Steuerkreis 85 enthält ein Relais 90 für die Verwendung von positivem Gleichstrom, ein Relais 91 für die Verwendung von negativem Gleichstrom_s ein Relais 93 mit normalerweise geschlossenem Kontakt 92, ein Relais 96 mit normalerweise offenen Kontakten 94·? 95 wad ein Relais 100 mit normalerweise geschlossenen Kontakten 97» 98 und einem normalerweise offenen Kontakt 99, in welchem Steuerkreis die Spannung von einer Wechselstromquelle 101 an die Relais 93, 96 und 100 geleitet vjirde Die Relais 90, 91 weisen normalerweise offene Kontakte 102, 103 bzw« 104, 105 auf, mit denen der von der Wechselstromquelle 101 an die Relais 93, 96 und 100 geleitete Strom gesteuert wird.

Bei der Stromquelle 80 sind die Ausgangsklemmen 107, 108 mit den stromführenden Elektroden 30? 31 verbunden* wobei die Ausgangsklemme 108 direkt mit dem Mittelabgriff der Sekundärwicklung des Transformators 83 und die Ausgangsklemme mit dem Ausgang des Steuerkreises verbunden ist© Der Verstärker' 82 ist derart aufgebaut, daß der Verstärkungsfaktor wahlweise von außen eingestellt werden kann.

Wenn keines der Relais 90 und 91 betätigt wird, vjeil keines der Relais 93, 96, 100 erregt ist, fließt kein Strom durch die Dioden 88, 89, aber es fließt Wechselstrom alternierend durch die Dioden 86, 87, wodurch eine Wechselspannung entsprechend der vorn Generator 81 erzeugten Rechteckwellen-» spannung an die Ausgangsklemmen 307, 108 geleitet und an die zur Stromzuleitung vorgesehenen Elektroden 30» 31 w.eiterge-

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Wenn das Relais 90 für den positiven Gleichstrom von einem nichtgezeigten Folgekreis betätigt -wird, werden die Kontakte 102 und 103 geschlossen und die Relais 93 _? 96 erregt, die dann den Kontakt 92 öffnen und die Kontakte 94-₅ 95 schließen, so daß Strom gleicher Polarität alternierend durch die Dioden 87, 89 fließt'und an die Ausgangsklemmen 10?, 108 ein Gleichstrom geleitet und den stromeinleitenden Elektroden 31 ein positiver Gleichstrom zugeführt v?ird_o

Im entgegengesetzten Fall, vaenn von dem nichtgezeigten Folgekreis das Relais 91 für den negativen Gleichstrom betätigt wird j werden die Kontakte 104-, 105 geschlossen und die Eelais 96, 100 erregt, die dann die Kontakte 9?, 98 öffnen und die Kontakte $$-, 95? 99 schließen, so daß ein Strom gleicher Polarität alternierend, aber in entgegengesetzter Richtung zum vorgängig beschriebenen Fall, durch die Dioden 86s 88 fließt_e Auf diese Weise v?ird an die Ausgangsklemmen 107, 108 und an die stromzuleitenden Elektroden 3Q_S 31 ein negativer Gleichstrom geleitet«

Das Verfahren bei der elektrophoretischen Messung mit der beschriebenen Meßvorrichtung vjird in der gleichen Weise ausgeführt wie es bereits reiter oben für die erste Aus» führungsform der Vorrichtung beschrieben ist, bei der der nichtgezeigte Folgekreis die Betriebsspannung für das positive Relais 90 und das negative Relais 91 liefert, um die Zuleitung des Wechselstromes und des Gleichstromes (mit positiver und negativer Polarität) zu steuern*

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Bei der Verwendung der oben beschriebenen Stromquelle kann die Temperaturänderung auf einen Bereich von 0,1 C begrenzt werden, und die Spannungsänderungen beim Umschalten von Wechsel- auf Gleichstrom betragen weniger als 0,5 V, wobei die Temperatur und die Spannung auch keine nachträgliche Änderung erfahren« Zum Vergleich sei angenommen, daß bei einer konventionellen Stromquelle und wenn nur während der Messung 10 mA Gleichstrom zugeführt werden, die Spannung, die zu Beginn der Stromeinleitung 71»5 V beträgt, auf 70 V zurückgeht und die Temperatüränderung den in Fig«, 8 gezeigten Verlauf aufweist, worin auf der Ordinate die Temperatur T in ⁰C und auf der Abszisse die Zeit t in Sekunden aufgetragen sind. Aus den Ergebnissen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführten Messungen ist klar zu erkennen, daß die Messungen mit einer ausgezeichnet hohen Genauigkeit in kurzer Zeit und bei einer stabilisierten Temperatur ausgeführt werden können«,

Nachfolgend wird eine weitere für die vorliegende Erfindung geeignete Ausführungsform der Stromquelle 7 unter Bezugnähme auf die Fig_e 9 beschrieben«, Diese Stromquelle ist derart aufgebaut, daß die von einer Wechselspannungsquelle 41 gelieferte ^ingangswechselspannung in einem Gleichrichterkiets 42 zu einer Gleichspannung gleichgerichtet und von einer nachfolgenden Treiberstufe 44- in einen Ausgangsstrom „gewandelt wird» Die Treiberstufe wird von den einem Spannungsgenerator 43 zugeleiteten Informationen gesteuert« Der Ausgangsstrom wird an die als Last wirkenden Elektroden 30, 31 der elektrophoretischen Vorrichtung geleitet,. Zugleich wird die Spannung zwischen den für den Spannungsnachweis verwendeten Sonden 50, 51 mittels mit diesen Sonden verbundenen

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Anschlüssen an die Stromquelle zurückgeführt?« Die zurück« geführte Spannung wird.in einem Verstärker 45 mit hohem Eingangswiderstand verstärkt,, Die verstärkte Spannung Va wird dann in einem Komparator 46 mit einer Spannung Vb verglichen, die von einem Spannungseinstellkreis 47, beispielsweise einem Potentiometer, an einem Spannungsgenerator 43 geleitet wird_e Das Ausgangssignal des. Komparators 46 wird an die Treiberstufe 44 geleitet, tu as -ermöglicht, den von der Treiberstufe gelieferten Ausgangsstrom so zu -steuern, daß der Strom abnimmt, wenn Va größer ist als Vb und der Strom zunimmt, wenn Va kleiner ist als Vb,-Damit wird erreicht, daß die Spannung zwischen den beiden Sonden konstant gehalten wird«, Auf diese Weise kann die elektrische Feldstärke auch nach einer Änderung des elektrischen Yiiderstands in der Flüssigkeit konstant gehalten werden» Weiter ist auch eine direkte Steuerung der Feldstärke in der Migrationskammer möglich und dadurch eine Verbesserung der Genauigkeit uer Messung der elektrophoretischen Beweglichkeit»

Erfindungsgemäß ist auch nicht immer notwendig, zum Verringern der Impedanz zwischen der Elektrode und der flüssigen Phase die Elektrodenoberfläche zu vergrößern«, Das ist ein Vorteil bezüglich der größeren Freiheit bei der Konstruktion der elektrophoretischen Vorrichtung, indem beispielsweise Trenneinrichtungen, wie-Separationsmembranen, zwischen der Migrations kammer-.und jeder der Elektroden verwendet werden können, so daß die Wirkung der Gase, die durch die Elektrolyse an. den Elektroden gebildet werden, auf die Elektrophorese ausgeschlossen werden kann«

Weiterhin ist es auch möglich, eine Probe unabhängig von der wirksamen Impedanz zu messen, insbesondere, wenn diese sehr

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hoch ist, und zwar unabhängig davon_? ob die hohe Impedanz im Übergangsbereich zwischen der Elektrode und der Probe oder durch eine Probe mit extrem hohem Widerstand bewirkt wird, wenn Spannungsnachweissonden 50_f 51 &it kleinen Abmessungen und beispielsweise aus Platin in der Migrationskammer der elektrophoretischen Vorrichtung verwendet werden und die Eingangsimpedanz des mit den Spannungsnachweissonden verbundenen Verstärkerkreises sehr hoch und beispielsweise auf mehr als 10' Ohm eingestellt wird«

Die in Fig_e 9 gezeigte dritte Ausführungsform der mit einem Mikroskop arbeitenden elektrophoretischen Meßvorrichtung wird nachfolgend mit Hilfe der Fig_e 10 beschrieben. Auch diese Vorrichtung enthält eine Migrationskammer 20, die in einem Bad 1 mit konstanter Temperatur angeordnet ist und an deren beiden Enden Elektroden 30, 31 für die Einleitung von Strom von der Stromquelle 7 in die Migrationskammer vorgesehen sindo

Das Bad 1 mit der konstanten Temperatur ist mit einer Temperatursteuerungseinrichtung 4 ausgerüstet und geeignet, die Temperatur in der Migrationskammer 20 konstant zu halten» Die Migrationskammer 20 ist als zylindrisches Quarzrohr ausgebildet mit einem Querschnitt von 7 nim · 0,5 mm und einer Länge von 80 mm, an dessen beiden Enden Glasrohre an~ geordnet sind., von denen jedes mit einer Einlaß- bzw, Auslaßöffnung 5, 6 für die Probe versehen ist. Jedes der offenen Enden der Glasrohre ist außerdem mittels einer Dichtung 14 und einer Trennmembran 13 mit einem Vorratsbehälter 12 für eine elektrolytische Lösung verbunden, die Elektroden 30» 31 enthält und mit einer Phosphorsäure-Pufferlösung gefüllt ist. Die Trennmambranen haben den Zweck, die Wirkung des durch Elektrolyse an den Elektroden 30, 31 entstehenden Gases

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auf die Elektrophorese zu verhindern« Die Stromquelle 7 enthält eine zum Erzeugen einer Spannung Vb geeignete Gleichstromquelle 71 sowie ein Paar im DurchfluBbereich der Migrationskammer 20 angeordnete Spannungsnachweissonden 50, 51 aus Platin und ein Thermometer 8_e Weiter enthält die Vorrichtung eine Einrichtung zum Steuern des von der Gleichstromquelle 71 an die Elektroden 30, 31 fließenden Stroms, welche Einrichtung bewirkt, daß der Strom abnimmt, wenn die Spannung Va größer ist als die Spannung Vb, und der Strom zunimmt, wenn die Spannung Va kleiner ist als die Spannung Vb, wofür die Spannung Va zwischen den Nachweissonden zum Spannungsstabilisierkreis zurückgeleitet wird, und schließlich ist ein Umschalter 16 für die Polarität vorgesehen, damit die Messung der Elektrophorese sowohl bei positiver als auch bei negativer Polarität ausgeführt werden kann,.

Nachfolgend wird noch das Vorgehen beim Messen der Beweglichkeit mit der elektrophoretischen Meßvorrichtung und nach dem neuen Verfahren beschriebene

Die Migrationskammer 20 wird in das.Bad 1 mit der konstanten Temperatur und der Temperatursteuereinrichtung 4 eingebracht und auf einer konstanten Temperatur gehalten« Dann wird durch Öffnen (und nachträgliches Schließen) der Probeneinlaßöffnung 5j> die vorzugsweise automatisch geöffnet und geschlossen wird j die -Probe in die Migrationskammer 20 eingefüllt und, sobald die Temperatur die Probe stabilisiert ist, von der Stromquelle 7 an die Elektroden 30, 31 ein Gleichstrom geleitet,, um eine konstante Spannung zwischen den Spannungsnachweissonden 5O5 51 zu erzeugen, Die verwendete Gleichstromquelle 71 wird mit 100 Volt Eingangswechselspan-

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nung betrieben und erzeugt einen maximalen Ausgangsstrom von 20 mn. bei 200 Volt.

Von den Spannungsnachweissonden·50, 51 werden-Signale an den Polaritätsumschalter 16 geleitet, um dessen Polarität einzustellen und in einen nichtgeze igten Vergleichssteuerkreis in der Le istungsstromquelle 7$ welcher Vergleichssteuerkreis den Strom aus der Gleichstromquelle 71, der über den Polaritätsumschalter an die Elektroden 30, 31 geleitet wird, zu steuern»

Die Probe in der Migrationskammer 20 wird von dem zwischen den Elektroden 30, 31 anliegenden elektrischen Feld bewegt, und die Beweglichkeit wird aus der bei einem positiven und einem negativen elektrischen ^eId mikroskopisch und unter Verwendung einer geeigneten Lichtquelle gemessenen Bewegungsgeschwindigkeit bestimmt„

Die Fig« 11 zeigt den elektrischen Gradienten in der Migrationskammer, ^eil der Strom in Abhängigkeit von der Spannung Va zwischen den Spannungsnachweissonden der Vorrichtung gesteuert wird, wird der Spannungsabfall V^ + V₂ zwischen den Elektroden 30, 31 und der zu messenden Probe kompensiert₄ Die Beweglichkeit jedes Teilchens wird aus dem Mittelwert der Beweglichkeit der Teilchen im positiven und im negativen elektrischen Feld bestimmt.

Nachfolgend werden einige praktische Arbeitsbedingungen angegeben, unter denen ein elektrophoretiscb.es Experiment ausgeführt wurde:

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Zu messende Probet rote Schafsblutzeilen Pufferflüssigkeitϊ Phosphorsäure-Pufferlösung

•(15 * 10"³ V/cm)

MigrationstemperatUTi 20 ⁰C

Spannung zwischen den Spannungsüberwachungssonäeni 70 V Anzahl der gemessenen Proben? 50

Meßzeiti 2 see

Als Ergebnis der elektrophoretischen Messungen wurde als Mittelwert der 50 Proben eine Mobilität von 0,93 /9fer A^~r J

""be G CIU

gefunden« Die Spannung Va zwischen den Spannungsübervsachungssonden konnte auf 70 V ^ 0,5 V stabilisiert und der durch Spannungsänderungen bewirkte Fehler konnte-während der oben beschriebenen Messungen auf + 0,7 % begrenzt werden» Bei der unter den gleichen Bedingungen, aber mit einer mit konstantem Strom arbeitenden elektrophoretischen Vorrichtung durchgeführten Messung schwankte die Spannung zwischen 67s5 und 70 V und der dadurch bewirkte Fehler betrug + 2 %j woran die vorteilhafte Wirkung der vorliegenden Erfindung deutlich zu erkennen ist»

Bezugnehmend auf die Fig. 12 wird nun eine vierte Ausfüh rungs form der vorliegenden Erfindung beschrieben«, Diese elektrophoretisch^ Meßvorrichtung-enthält zusätzlich einen Steuerkreis 200, der den Verstärkungsfaktor des in der zweiten Ausfuhrungsform gezeigten Verstärkers 82 nicht durch äußere Steuerung, sondern durch Messen der nachgewiesenen Spannung zwischen den Spannurigsnachweissonden 50, 51 bestimmte Der Steuerkreis 200 enthält einen Spannungsstabilisierkreis 36? dem eine äußere Eeferenzspannung zugeleitet

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werden kann, und einen Komparator 35» der die von dem Spannungsstabilisierkreis stabilisierte Spannung mit der nachgewiesenen Spannung vergleicht und die Verstärkung des Verstärkers 82 derart einstellt, daß die Differenz zwischen aen beiden genannten Spannungen Null ist«, Mit der beschriebenen Ausführungsform der neuen Vorrichtung wurde das gleiche Experiment wie mit der zweiten Ausführungsform durchgeführt _β Dabei konnte gezeigt werden, daß die Spannungs-Schwankungen auf einen Bereich von 0,3 V begrenzt werden konnten, womit gezeigt ist, daß die neue Vorrichtung Messungen mit hoher Genauigkeit bei konstanter Temperatur und einem praktisch konstanten elektrischen Feld ermöglichte

Claims

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1» Verfahren zum Messen elektrokinetischer Erscheinungen an Grenzschichten für eine Probe in einer Meßkammer durch die Einwirkung eines elektrischen Felds auf die Probe mit Hilfe von Elektroden, gekennzeichnet durch die Steuerung der Meßbedingungen innerhalb der Meßkammer«, · '

2_e Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zum Steuern der Meßbedingungen vor der Messung der-elektro-.' kinetischen Erscheinung an den Grenzschichten durch die Einwirkung eines für die Messung vorgesehenen stationären elektrischen Felds auf die Probe in die zu messende Probe ein Wechselstrom eingeleitet und in der Probe elektrische Leistung verbraucht wird, deren Betrag praktisch gleich der elektrischen Leistung ist, die bei der Einwirkung des zum Messen vorgesehenen stationären elektrischen Felds verbraucht wird*

3« Verfahren nach Punkt 2₅ gekennzeichnet dadurch, daß der Wechselstrom eine frequenz aufweist, bei der die zumessenden ^eilchen"in der Probe bezüglich ihrer elektrophoretischen Mobilität im stationären Zustand sind_e

4_e Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Steuerung der Meßbedingungen die Spannung zwischen zwei zwischen den in der zu messenden Probe angeordneten Elektroden gelegenen Punkten gemessen ?jird und der der Probe zugeleitete Strom derart eingestellt v^ird* daß die zwischen diesen Punkten gemessene Spannung konstant ist_o

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5, Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß in der Probe die elektrophoretische Beweglichkeit gemessen vi ird _β

6, Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Punkt 1, mit einer Stromquelle, um in der zu messenden Probe ein elektrisches Feld zu erzeugen, gekennzeichnet dadurch, daß die Stromquelle zum Steuern der Meßbedingungen verwendbar ist.

7, Vorrichtung nach Punkt 6, gekennzeichnet durch eine Gleichstromquelle zum Erzeugen des elektrischen Felds in der zu messenden Probe, eine Wechselstromquelle für die Zuleitung eines Wechselstroms zur Probe vor dem Erzeugen des zur Messung vorgesehenen elektrischen Felds und einen Auggangsstromumschalter, um wahlweise die Gleichstrom- oder die Wechselstromquelle mit den Ausgangsklemmen zu verbinden«

8«, Vorrichtung nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß zum Messen der elektrophoretischen Beweglichkeit der Teilchen in der Probe der von der ^echselstromquelle erzeugte Wechselstrom eine Frequenz aufweist, bei der die zu messenden Teilchen sich praktisch im stationären Zustand befinden,

9· Vorrichtung nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Stromquelle ein Paar für die Stromzuleitung vorgesehene Elektroden, ein Paar zwischen diesen Elektroden angeordnete Spannungsmeßsonden und eine Einrichtung auf-

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weist, die den Strom derart steuert, daß die zwischen den Spannungsmeßsonden gemessene Spannung konstant ist»

10_e Verwendung der Vorrichtung nach Punkt 6 zum Messen der elektrophoretischen Beweglichkeit von Teilchen in einer Probe*'/'.