專利名稱：溶液中帶電粒子的交流電場囚禁方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種帶電粒子的富集，尤其是涉及一種溶液中帶電粒子的交流電場囚禁方法。
背景技術：
帶電粒子在電場作用下的運動是非常重要的。俄國物理學家Pe H ce([l]Reuss, F. FMem. Soc. Imperiale Naturalistes de Moscow, 2, 327 1809)研究直流電場下溶液中帶電粒子的運動，首先發(fā)現(xiàn)了電泳現(xiàn)象；Stephen ([2]ff. Ε. Stephens, Bull. Am. phys. Soc.， 21,22(1946))研究直流電場下真空中帶電粒子的運動現(xiàn)象，提出飛行時間質譜計；Paul和 Steinwedel ([3]ff. Paul, H Steinwedel, Ger. Pat. 944 900(1956))研究交流電場下真空中帶電粒子的運動，創(chuàng)新性地開發(fā)了離子阱質譜，并獲得1989年諾貝爾物理學獎。而交流電場囚禁溶液中帶電粒子的實驗方法至今未見相關報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種溶液中帶電粒子的交流電場囚禁方法。本發(fā)明包括以下步驟1)使用2片絕緣板，控制2片絕緣板的間距為0. 5 3mm ；2)在圓周等夾角間距位置放置至少η個電極，所述η是至少為4的偶數(shù)，相間隔的電極連接成一組電極，同組電極在同一圓周半徑，兩組電極分布圓周半徑相等或成0. 707 倍關系；3)在2片絕緣板間注入支持電解溶液；4)在電極對稱中心注入被囚禁帶電粒子溶液；5)在兩組電極上施加交流電；6)在交流電場的作用下，帶電粒子被囚禁在電極連線以內(nèi)的區(qū)域無法擴散開；并且部分帶電粒子被推離電極，往電場中心運動，實現(xiàn)帶電粒子的富集。在步驟1)中，所述絕緣極的可采用有機玻璃板或玻璃板等。在步驟2)中，η 最好為 4，6，8，10，12。在步驟3)中，所述支持電解溶液可選自NaCl或硫酸等，以不與被囚禁帶電粒子反應為準。在步驟幻中，所述交流電的頻率可為幾十赫茲到1兆赫茲，交流電的幅度可為幾伏特到幾百伏特。帶電粒子在水溶液中，由于熱運動的作用，將不斷擴散并均勻分散在整個溶液體系中。現(xiàn)行的手段，在不發(fā)生化學反應的條件下，除蒸發(fā)溶劑使溶質富集外。都無法對抗溶質在溶液中的擴散過程。本發(fā)明采用了四極或八極交流電場G及以上的偶數(shù)電極都可以， 以不超過12個為宜)，阻止了帶電粒子在溶液中的擴散過程，使帶電粒子囚禁在電極連線以內(nèi)的區(qū)域；并且大部分帶電粒子在更強交流電場作用下，出現(xiàn)了逆擴散過程，向電場中心區(qū)域運動，實現(xiàn)帶電粒子的富集。物質的分離純化是一個非常重要的方法和步驟，大多數(shù)物質的純化過程都是在溶液相進行的。高效液相色譜和電泳等都是在溶液相分離分析物質的重要手段，但受熱擴散作用，被分離分析物質在整個分析過程都是呈不斷擴散的狀況，譜峰不斷加寬、濃度不斷降低。使用Ocean Optics USB2000+光纖光譜儀對菲咯啉鐵離子(Fe(Phen)32+)的八極電場的囚禁過程濃度進行跟蹤，說明施加交流電場后，中心區(qū)域離子濃度升高，電極附近離子濃度下降，濃度變化比值達M倍多。利用電極附近離子濃度下降的特點，本發(fā)明方法可應用于溶液離子的去除，如去除水溶液中重金屬離子等；利用電場中心離子濃度上升的特點，本發(fā)明方法可應用于溶液離子富集，如蛋白質等。實驗表明，本發(fā)明方法對陰陽離子、帶電膠體、納米顆粒、蛋白質、重金屬等離子等都有效，即溶液的帶電粒子在多極雙曲面交流電場作用，都能克服熱擴散，束縛在一特定區(qū)域，并進一步向電場中心運動富集。使用交流電場使溶液中帶電離子束縛在一定的區(qū)域，并向電場中心富集的實驗方法。該方法對陰陽離子、帶電膠體、納米顆粒、蛋白質等溶液中的帶電粒子均實用，可應用于溶液中帶電粒子的區(qū)域囚禁反應或帶電粒子的濃度富集。


圖1為四極交流電場囚禁Μη04_離子，使Μη04_離子束縛在圖示菱形區(qū)域，實驗條件 Vp_p = 60V, f = 520kHz ο圖2為八極交流電場囚禁Μη04_離子，使Μη04_離子束縛在圖示八邊形區(qū)域，并向中心富集，實驗條件Vp_p = 30V, f = 520kHz。圖3為八極交流電場囚禁!^e(Phen)32+離子，使用Ocean Optics USB2000+光纖光譜儀對電場中心區(qū)域進行光譜跟蹤記錄的吸光度變化圖。在圖3中，橫坐標是光譜波長 Wavelength (nm)，縱坐標是吸光度Absorbance (OD)；箭頭從下到上，指示施加交流電場后， 電極中心區(qū)域吸光度隨時間逐步增大。圖4為八極交流電場囚禁!^e (Phen)32+離子，使用Ocean Optics USB2000+光纖光譜儀對兩相鄰電極連線中心區(qū)域進行光譜跟蹤記錄的吸光度變化圖。在圖4中，橫坐標是光譜波長Wavelength (nm)，縱坐標是吸光度Absorbance (OD)；箭頭從上到下，指示施加交流電場后，兩相鄰電極連線中心區(qū)域吸光度隨時間逐步降低。
具體實施例方式設計兩片絕緣平板，使兩板間的間距控制在1 3mm(太大溶液容易對流，影響結果)；將兩平板放置水平，并對稱的放置惰性電極(如石墨、不銹鋼、鉬電極等)，電極數(shù)為偶數(shù)且至少大于4，間隔的電極連接成一組，組成兩組電極；在兩絕緣平板間充入支持電解質溶液，保證溶液一定的導電能力，雙曲面電場能在電極間有效建立起來；在電極中心點注入適量的帶電粒子溶液；在兩組電極上施加頻率從幾百赫茲到一兆赫茲的交流電，幅度為幾伏特到幾百伏特；帶電粒子在電場作用下克服熱運動，束縛在電極所圍成的區(qū)域，并部分向電場中心區(qū)域運動富集，實現(xiàn)溶液中帶電粒子的囚禁與富集。本方法實施的一般過程
A.使用兩絕緣平板，控制板間距0. 5 3mm，并放置水平位置；B.在等夾角圓周上放置偶數(shù)個惰性電極，電極個數(shù)大于等于4，間隔的電極相連為一組，兩組電極分布的圓周半徑可相等或不等，一般取相等或0. 707倍關系；C.在兩平板間隙注入支持電解質溶液，如硫酸溶液或氯化鈉溶液；D.在電極中心位置注入被囚禁的帶電粒子，可以是陰陽離子、帶電膠體、納米顆粒、蛋白質、重金屬離子等；也可使用別的方法，使帶電粒子預先在兩平板間做一定的分布；E.在兩組電極間施加頻率幾百赫茲到一兆赫茲、幅度幾伏特到幾百伏特的交流電；F.注入帶電粒子熱擴散被限定在電極連線區(qū)域內(nèi)，在較強電場作用下，部分帶電粒子推離電極附近區(qū)域，向電場中心富集。不飽和帶電粒子在溶液中熱運動擴散是自發(fā)進行的，冷凍和凝膠是降低熱擴散的常用方法。而在未飽和的正常溶液，能夠克服熱擴散使帶電粒子束縛在一定區(qū)域的方法從未有報導。本發(fā)明方法通過在對稱電極施加交流電場的方法，克服了帶電粒子的擴散過程， 使帶電粒子束縛在一定區(qū)域內(nèi)，并實現(xiàn)了擴散的反過程，使帶電粒子向電場中心運動，達到帶電粒子富集功能。該方法對帶電粒子溶液中的分離分析都十分具有應用價值，如利用帶電粒子推離電極附近特點，可應用于水中環(huán)境污染重金屬離子的消除；利用帶電粒子在電場中心區(qū)域富集的特點，實現(xiàn)水溶液中稀有蛋白的富集等。實施例1 四極電場囚禁水溶液中的Μη04_離子裁取2片直徑110mm、厚度3mm的有機玻璃片，控制兩有機玻璃片間距為2mm，并在離中心點電20mm和33mm位置放置兩組直徑6mm石墨電極，兩組電極相互垂直；在有機玻璃板間充入0.05M 溶液，并放置于表面皿內(nèi)保持水平；在上層有機玻璃板中心注入適量的MnO4-離子；兩組電極間施加Vp_p = 60V, f = 520kHz的交流電場，可觀察到Μη04_離子被囚禁在如圖1的菱形區(qū)域，并保持十多分鐘。說明四極交流電場阻止了離子熱擴散運動，達到囚禁離子目的。實施例2 八極電場囚禁水溶液中的Μη04_離子裁取2片直徑110mm、厚度3mm的有機玻璃片，控制兩有機玻璃片間距為2mm，并在離中心點電25mm位置放置八個直徑5mm不銹鋼電極，電極間夾角為45°，間隔的電極相連為一組；在有機玻璃板間充入0. 05M H2SO4溶液，并放置于表面皿內(nèi)保持水平；在上層有機玻璃板中心注入適量的Μη04_離子；兩組電極間施加Vp_p = 30V，f = 520kHz的交流電場，可觀察到Μη04_離子被囚禁在如圖2的八邊形區(qū)域，且大部分離子被推離電極，向電場中心區(qū)域運動，實現(xiàn)Μη04_離子富集功能。說明八極交流電場不僅可囚禁離子，還能進行離子富集。實施例3 八極電場囚禁水溶液中的菲咯啉鐵離子O^e(Phen)32+)光譜濃度跟蹤裁取2片直徑110mm、厚度3mm的有機玻璃片，控制兩有機玻璃片間距為2mm，并在離中心點電25mm位置放置八個直徑5mm不銹鋼電極，電極間夾角為45°，間隔的電極相連為一組；在有機玻璃板間充入0.4M NaCl溶液，離子使用Ocean Optics USB2000+光纖光譜儀對!^e(Phen) 32+離子囚禁過程濃度進行跟蹤。圖3顯示，交流電場施加后，依箭頭方向，電場中心區(qū)域佝(phen) 32+離子吸光度從0. 207逐步上升到0. 628, Fe (phen) 32+離子濃度上升為初始值的3倍。圖4則顯示，兩相鄰電極連線中心區(qū)域狗(phen) 32+離子依箭頭方向，吸光
5度從0. 198下降至0.011，濃度下降到初始的1/18。說明在交流電場的作用下狗(phen) 32+ 離子被逐漸推離電極，向電場中心運動?？衫秒妶鲋行碾x子濃度上升的特點，富集離子， 或利用電極附近離子濃度下降特點，消除離子。 此外本方法用于金納米顆粒、牛血紅蛋白、Fe (OH)3膠體溶液、Cr2O72-環(huán)境污染重金屬離子也獲得了很好的效果。該方法可廣泛應用于溶液帶電粒子的分離分析等。
權利要求
1.溶液中帶電粒子的交流電場囚禁方法，其特征在于包括以下步驟1)使用2片絕緣板，控制2片絕緣板的間距為0.5 3mm ；2)在圓周等夾角間距位置放置至少η個電極，所述η是至少為4的偶數(shù)，相間隔的電極連接成一組電極，同組電極在同一圓周半徑，兩組電極分布圓周半徑相等或成0. 707倍關系；3)在2片絕緣板間注入支持電解溶液；4)在電極對稱中心注入被囚禁帶電粒子溶液；5)在兩組電極上施加交流電；6)在交流電場的作用下，帶電粒子被囚禁在電極連線以內(nèi)的區(qū)域無法擴散開；并且部分帶電粒子被推離電極，往電場中心運動，實現(xiàn)帶電粒子的富集。
2.如權利要求1所述的溶液中帶電粒子的交流電場囚禁方法，其特征在于在步驟1) 中，所述絕緣極的采用有機玻璃板或玻璃板。
3.如權利要求1所述的溶液中帶電粒子的交流電場囚禁方法，其特征在于在步驟2) 中，η 為 4，6，8，10，12。
4.如權利要求1所述的溶液中帶電粒子的交流電場囚禁方法，其特征在于在步驟3) 中，所述支持電解溶液選自NaCl或硫酸。
5.如權利要求1所述的溶液中帶電粒子的交流電場囚禁方法，其特征在于在步驟5) 中，所述交流電的頻率為幾十赫茲到1兆赫茲。
6.如權利要求1所述的溶液中帶電粒子的交流電場囚禁方法，其特征在于在步驟5) 中，所述交流電的幅度為幾伏特到幾百伏特。
全文摘要
溶液中帶電粒子的交流電場囚禁方法，涉及一種帶電粒子的富集。提供一種溶液中帶電粒子的交流電場囚禁方法。使用2片絕緣板，控制2片絕緣板的間距為0.5～3mm；在圓周等夾角間距位置放置至少n個電極，所述n是至少為4的偶數(shù)，相間隔的電極連接成一組電極，同組電極在同一圓周半徑，兩組電極分布圓周半徑相等或成0.707倍關系；在2片絕緣板間注入支持電解溶液；在電極對稱中心注入被囚禁帶電粒子溶液；在兩組電極上施加交流電；實驗表明，對陰陽離子、帶電膠體、納米顆粒、蛋白質、重金屬等離子等都有效，即溶液的帶電粒子在多極雙曲面交流電場作用，都能克服熱擴散，束縛在一特定區(qū)域，并進一步向電場中心運動富集。
文檔編號B01J19/08GK102166506SQ20111005025
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月2日 優(yōu)先權日2011年3月2日
發(fā)明者周志有, 林水潮, 鄭蘭蓀, 鄭南峰, 黃榮彬 申請人:廈門大學