專利名稱：表面聲波型非接觸式電導(dǎo)檢測器及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面聲波型非接觸式電導(dǎo)檢測技術(shù)，可用于毛細(xì)管型離子色譜、毛細(xì)管 電泳、微流控芯片中的表面聲波型非接觸式電導(dǎo)檢測器及其檢測方法。
背景技術(shù)：
電導(dǎo)檢測器已經(jīng)廣泛用作離子色譜檢測器，目前商用的離子色譜電導(dǎo)檢測器為接觸式傳 感檢測，它對離子化合物的檢測具有優(yōu)勢，特別是對安培檢測電活性不高和光學(xué)吸收比較弱 的一些小無機(jī)陽離子和陰離子的檢測非常有效，是常規(guī)離子色譜的標(biāo)準(zhǔn)配置的檢測器。近年 來離子色譜在微型化色譜柱制備技術(shù)方面取得了很大的進(jìn)展，但隨著色譜柱內(nèi)徑的減小，流 動相體積大幅度下降，目前的離子色譜電導(dǎo)檢測器因?yàn)樗荔w積太大不能使用。在內(nèi)徑很小的 毛細(xì)管柱中雖然可以使用微電極進(jìn)行檢測，但檢測池的使用操作困難，使檢測器實(shí)際使用很 不方便，此外，由于檢測電極同溶液直接接觸，在所加電壓的作用下，可能發(fā)生電極反應(yīng)及 一些物質(zhì)在電極上物理或化學(xué)的吸附作用，使得電極表面狀態(tài)發(fā)生變化，影響電極的響應(yīng)性 能。
而非接觸式電導(dǎo)檢測則具有無電極污染的優(yōu)點(diǎn)。1998年Zelnan等人提出了電容藕合非 接觸電導(dǎo)檢測的方法，該技術(shù)中的電極同溶液不直接接觸，完全避免了傳統(tǒng)電導(dǎo)檢測器中電 極易于污染的缺點(diǎn)，而且檢測池設(shè)計(jì)非常簡便，使用操作方便，己經(jīng)在毛細(xì)管電泳、微流控 芯片的檢測中獲成功應(yīng)用。這種方法的基本原理是使用高頻交流信號，通過色譜分離柱的管 壁電容的耦合作用，將激勵(lì)電壓施加到待測的溶液流上，傳感溶液的電阻變化。目前國內(nèi)有 兩個(gè)專利涉及非接觸式電導(dǎo)檢測，分別為"一種非接觸電導(dǎo)檢測器及檢測方法"(公開號 CN1570624)和"芯片式電容耦合非接觸型電導(dǎo)檢測器"(公開號CN1804607A),這兩個(gè)專利 均采用電容耦合非接觸式電導(dǎo)檢測技術(shù)。
在電容耦合非接觸式電導(dǎo)檢測技術(shù)中，因管壁電容(Cw)的值很小,而管壁的容抗(XJ與 管壁電容和測量頻率("成反比，由此可見管壁的容抗很高，而它與溶液電阻(Rs)處于串聯(lián) 的連接方式，此時(shí)檢測回路的總阻抗(IZI)可以用式(1)表示
I Z |= ^Xw2 + &2 = Vl/(2<CW)2 (1)
隨著分離通道內(nèi)徑的減小或管壁的厚度增加，Cw的值減小，由此導(dǎo)致Xw的值增加，當(dāng) IXwl》Rs時(shí)則有IZHXwl，此時(shí)有用信號Rs的變化所引起總阻抗IZI的變化很小，因此大大地 限制了非接觸式電導(dǎo)檢測的靈敏度。顯然，減小管壁的阻抗影響就成為提高電容耦合非接觸 型電導(dǎo)檢測技術(shù)靈敏度的關(guān)鍵所在，而管壁電容Qv主要由分離管道的幾何尺寸和管壁材料的 介電常數(shù)決定，在某個(gè)確定的檢測池中是一個(gè)定值，難以通過增加Cw的方法降低IXwl的值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決目前非接觸型電導(dǎo)檢測技術(shù)靈敏度不高，影響其檢測結(jié)果準(zhǔn) 確性等問題，提供一種具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，能有效提高非接觸式電導(dǎo)檢測的靈敏度， 從而達(dá)到與接觸式電導(dǎo)檢測相近的靈敏度等優(yōu)點(diǎn)的表面聲波型非接觸式電導(dǎo)檢測器及其檢測 方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種表面聲波型非接觸式電導(dǎo)檢測器，它由函數(shù)信號發(fā)生器、表面聲波器件、至少一對 非接觸式電極、檢測電路組成電導(dǎo)傳感測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)與分離通道連接，所述的一對非接 觸式電極設(shè)置在分離通道上，其中一個(gè)非接觸檢測電極通過表面聲波器件與函數(shù)信號發(fā)生器相連，另一個(gè)非接觸檢測電極通過采樣電阻與檢測電路連接。
所述表面聲波器件與非接觸式電極串聯(lián)構(gòu)成檢測回路，表面聲波器件的位置可隱含在信 號源的輸出回路、測量電路的輸入回路中；或串接在信號源與非接觸電極之間或串接在非接 觸電極與檢測回路之間。
所述表面聲波器件包括壓電石英晶體諧振器或壓電陶瓷諧振器，或壓電石英晶體諧振器 與壓電石英晶體諧振器或壓電陶瓷諧振器與壓電陶瓷諧振器或壓電石英晶體諧振器與壓電陶 瓷諧振器之間的組合結(jié)構(gòu)，諧振頻率在0.2—20MHz范圍內(nèi)。
所述函數(shù)信號發(fā)生器，提供不同頻率和振幅的正弦、方波和三角波交流信號源，直接作 用在非接觸式電極上；交流電的頻率在0.2—20MHz之間，交流電源的峰一峰電壓Vp-p在 3-5V之間。
所述非接觸檢測電極為金屬電極，緊密地固定在分離通道上。 一種表面聲波型非接觸式電導(dǎo)檢測器的檢測方法，它的步驟為，
1) 以壓電石英晶體諧振器或壓電陶瓷諧振器等表面聲波器件作為消除管壁電容的電感元 件接入分離通道，當(dāng)測量頻率高于它們的諧振頻率時(shí)，它們的工作點(diǎn)進(jìn)入感抗區(qū)，相當(dāng)于一
個(gè)人電感；
2) 將高頻交流信號經(jīng)過表面聲波諧振器作用在兩個(gè)檢測電極上，此時(shí)兩非接觸檢測電極 和H-內(nèi)部的導(dǎo)電溶液等效為一個(gè)圓柱狀電容Cw,兩個(gè)電極之間的分離通道內(nèi)的導(dǎo)電溶液等效 為一個(gè)電阻Rs，將表面聲波諧振器等效為電感L,將表面聲波諧振器的損耗等效為電阻Rp 取樣電阻為R2，測量頻率為/，則檢測回路的阻抗為
IZI"[2; /L-l/(20]2+及s2 (1)
3) 在一定的范圍內(nèi)增加測定頻率，阻抗則先下降到一個(gè)最低點(diǎn)而后上升至最大值點(diǎn)，然 后再下降，其中最小阻抗點(diǎn)對應(yīng)于檢測系統(tǒng)的諧振頻率；
4) 在該最小阻抗點(diǎn)檢測電極系統(tǒng)阻抗的虛部為零，此時(shí)的總阻抗為IZI-Rs+R—R2;在
該頻率下，檢測系統(tǒng)中的電流^卞=Vp-p/ (RS + R!+R2);設(shè)由溶液電導(dǎo)的變化產(chǎn)生的電流
變化量為Alp-p，在取樣電阻上產(chǎn)生的電壓變化為AVp-p-AlpR2 ，厶Vp-p經(jīng)運(yùn)算放大器放 大，再經(jīng)檢波成為可以讀出的直流電壓信號；
5) 然后將信號源的頻率調(diào)整到f = l/2;rVI^ ，此時(shí)IZ卜Rs，即可實(shí)現(xiàn)消除Xw的影響，
提高非接觸式電導(dǎo)檢測的靈敏度的目的。
所述交流電的頻率在0.2—20MHz,交流電源的峰一峰電壓Vp-p在3-5V之間。 本發(fā)明提出了一種減小IX一值的方法，可提高非接觸式電導(dǎo)檢測技術(shù)的靈敏度，其基本思
路如下根據(jù)式(l),當(dāng)Rs》IXwl，則有IZ Rs，如果IXwH)，則IZ卜Rs，此時(shí)檢測回路的總阻
抗IZI的變化與有用信號Rs的變化相當(dāng)，從而大大地提高了非接觸式電導(dǎo)檢測的靈敏度，從而
達(dá)到與接觸式電導(dǎo)檢測相近的靈敏度。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是在檢測回路中串聯(lián)一個(gè)高品質(zhì)因子的大電感
L,它與Cw和Rs在電學(xué)上處于串聯(lián)關(guān)系，因此串接電感后，檢測回路的阻抗可由下式計(jì)算
I Z|= V(X1 + %w)2 + &2 = V[2; /L -1 /(20]2 +及;y2 (2)由式(2)可見，如果電感的取值滿足27i/L-l/27i/C、、，或者測量信號的頻率滿足
f二l/2;rVZ^時(shí)，管壁容抗則被串聯(lián)的電感的感抗完全抵消，即有IZ卜Rs，即可實(shí)現(xiàn)消除Xa,
的影響，提高非接觸式電導(dǎo)檢測的靈敏度的目的。
本發(fā)明的有益效果是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，檢測的靈敏度高。


圖1為本發(fā)明表面聲波型非接觸電導(dǎo)檢測器的整體示意圖2為檢測電極系統(tǒng)在高頻交流電作用下同分離毛細(xì)管和溶液形成的等效電路圖； 圖3為本發(fā)明檢測系統(tǒng)的頻譜曲線。
其中，l.分離通道，2.非接觸檢測電極，3.函數(shù)信號發(fā)生器，4.表面聲波器件，5.采 樣電阻，6.檢測電路。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1為發(fā)明的非接觸電導(dǎo)檢測器整體示意圖，l為分離通道，如毛細(xì)管、芯片通道等； 2為非接觸檢測電極；3為函數(shù)信號發(fā)生器，可以提供不同頻率和振幅的正弦、方波和三角波 等交流信號源，直接作用在檢測電極系統(tǒng)上；4為表面聲波器件，它由壓電石英晶體諧振器 或壓電陶瓷諧振器或它們的組合構(gòu)成，5為采樣電阻，其電阻值占總阻抗的2~5%; 6是檢測
電路，其作用是將檢測電極上的交流電流信號變?yōu)橹绷麟妷盒盘?，以便?shù)據(jù)采集器進(jìn)行信號 讀出。
本發(fā)明的方法為
1) 以壓電石英晶體諧振器或壓電陶瓷諧振器等表面聲波器件作為消除管壁電容的電感元 件接入分離通道，當(dāng)測量頻率高于它們的諧振頻率時(shí)，它們的工作點(diǎn)進(jìn)入感抗區(qū)，相當(dāng)于一
個(gè)大電感；
2) 將高頻交流信號經(jīng)過表面聲波諧振器作用在兩個(gè)檢測電極上，此時(shí)兩個(gè)非接觸檢測電 極和其內(nèi)部的導(dǎo)電溶液等效為一個(gè)圓柱狀電容Cw，兩個(gè)電極之間的分離通道內(nèi)的導(dǎo)電溶液等 效為一個(gè)電阻Rs，將表面聲波諧振器等效為電感L，將表面聲波諧振器的損耗等效為電阻f^， 取樣電阻為R2，測量頻率為/，則檢測回路的阻抗為-
IZ |=》4 -1 /(2( )]2 +
3) 在一定范圍內(nèi)增加測定頻率，阻抗則先下降到一個(gè)最低點(diǎn)而后上升至最大值點(diǎn)，然后 再下降，其中最小阻抗點(diǎn)對應(yīng)于檢測系統(tǒng)的諧振頻率；
4) 在該最小阻抗點(diǎn)檢測電極系統(tǒng)阻抗的虛部為零，此時(shí)的總阻抗為IZ卜Rs+R!+R2;在 該頻率下，檢測系統(tǒng)中的電流Ip-p-Vp-p/ (Rs十+R,+R2);設(shè)由溶液電導(dǎo)的變化產(chǎn)生的電流 變化量為AIp-p，在取樣電阻上產(chǎn)生的電壓變化為厶Vp-p-AlpR2 ， AVp-p經(jīng)運(yùn)算放大器放 大，再經(jīng)檢波成為可以讀出的直流電壓信號；
5) 然后將信號源的頻率調(diào)整到f = l/2;rVI^ ，此時(shí)IZ卜Rs，即可實(shí)現(xiàn)消除Xw的影響，
提高非接觸式電導(dǎo)檢測的靈敏度的目的。
所述交流電的頻率在0. 2—20MHz,交流電源的峰一峰電壓Vp-p在3-5V之間。 因?yàn)镼v的值很小，即使將測量頻率提高到數(shù)MHz，仍然需要很大的電感L才能完成上
述任務(wù)，而普通的電感在高頻下的損耗非常嚴(yán)重，由此引入的損耗電阻將成為提高靈敏度的新的限制因素，因此其提高非接觸電導(dǎo)檢測靈敏度的作用效果很有限。本發(fā)明選用壓電石英 晶體諧振器或壓電陶瓷諧振器作為消除管壁電容的電感元件，當(dāng)測量頻率高于它們的諧振頻 率時(shí)，它們的工作點(diǎn)進(jìn)入感抗區(qū)，相當(dāng)于一個(gè)大電感，但損耗電阻非常小，特別是壓電石英 晶體諧振器。
本發(fā)明的非接觸電導(dǎo)檢測器的工作原理為高頻交流信號經(jīng)過表面聲波諧振器作用在兩 個(gè)檢測電極上，由于分離通道l內(nèi)的溶液是導(dǎo)電的，單個(gè)電極同內(nèi)部的溶液就構(gòu)成一個(gè)圓柱 狀電容，在兩個(gè)電極之間的分離通道內(nèi)的溶液相當(dāng)于一個(gè)電阻，由此構(gòu)成如圖2所示的等效 電路圖。其中，L為表面聲波諧振器的等效電感，R,為表面聲波諧振器的損耗電阻，112為 取樣電阻。
由圖3可見，本發(fā)明的檢測電極系統(tǒng)的總阻抗受測定頻率的影響顯著，隨著測定頻率的 增加，阻抗先下降到一個(gè)最低點(diǎn)而后上升至最大值點(diǎn)，然后再下降。其中最小阻抗點(diǎn)A對應(yīng)
于檢測電極系統(tǒng)的諧振頻率，在該點(diǎn)檢測電極系統(tǒng)阻抗的虛部為零，此時(shí)的總阻抗為
IZ—Rs+R—R2。在該頻率下，根據(jù)歐姆定律檢測系統(tǒng)中的電流Ip-p-Vp-p/(Rs+R!+R2)，因 為Rs〉:KRi+R2),回路電流主要由溶液電阻決定，即可以傳感溶液中離子導(dǎo)電性的變化。設(shè)由 溶液電導(dǎo)的變化產(chǎn)生的電流變化量為AIp-p，在取樣電阻上產(chǎn)生的電壓變化為 △Vp-p=AlpR2， AVp-p經(jīng)運(yùn)算放大器放大，再經(jīng)檢波成為可以讀出的直流電壓信號。
因此，只要使信號源的頻率調(diào)整到f = l/2;rVZ^時(shí)(圖3中A點(diǎn))，就能完全消除管壁電
容的阻抗，使非接觸式電導(dǎo)檢測達(dá)到與接觸式檢測相近的靈敏度。
本發(fā)明所用的函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率可調(diào)的高精度交流信號，交流電的頻率在 0.2-20MHz之間，交流電源的峰-峰電壓Vp-p在3-5V之間。檢測電極系統(tǒng)中包括表面聲波諧 振器(壓電石英晶體諧振器或壓電陶瓷諧振器或二者的組合)，它們的諧振頻率在0.2-20MHz 范圍內(nèi)，非接觸式電極為金屬電極，緊密地固定在分離通道(包括離子色譜、毛細(xì)管電泳、 芯片)上。
本發(fā)明電導(dǎo)檢測器是一種通用性的檢測器，對離子化合物的檢測靈敏度比較高，電導(dǎo)檢 測的靈敏度與接觸式電導(dǎo)檢測的靈敏度相當(dāng)，但是檢測池的設(shè)計(jì)大為簡化，并可以用于微小 空間的電導(dǎo)檢測并避免電極污染。采用一些特殊的分離方法和技術(shù)，可以用于非離子性化合 物的檢測，因此，發(fā)明的檢測器可以用于無機(jī)離子，藥物，氨基酸、蛋白質(zhì)，肽，核酸，農(nóng) 藥等生化和環(huán)境樣品的分離檢測，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，檢測準(zhǔn)確，使用非常方便。
權(quán)利要求
1、一種表面聲波型非接觸式電導(dǎo)檢測器，它由函數(shù)信號發(fā)生器、表面聲波器件、至少一對非接觸式電極、檢測電路組成電導(dǎo)傳感測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)與分離通道連接，其特征是所述的一對非接觸式電極設(shè)置在分離通道上，其中一個(gè)非接觸檢測電極通過表面聲波器件與函數(shù)信號發(fā)生器相連，另一個(gè)非接觸檢測電極通過采樣電阻與檢測電路連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面聲波型非接觸式電導(dǎo)檢測器，其特征是所述表面聲波器 件與非接觸式電極串聯(lián)構(gòu)成檢測回路，表面聲波器件的位置可隱含在信號源的輸出回路、測 量電路的輸入回路中；或串接在信號源與非接觸電極之間或串接在非接觸電極與檢測回路之 間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表面聲波型非接觸式電導(dǎo)檢測器，其特征是所述表面聲 波器件包括壓電石英晶體諧振器或壓電陶瓷諧振器，或壓電石英晶體諧振器與壓電石英晶體 諧振器或壓電陶瓷諧振器與壓電陶瓷諧振器或壓電石英晶體諧振器與壓電陶瓷諧振器之間的 組合結(jié)構(gòu)，諧振頻率在0.2—20MHz范圍內(nèi)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的表面聲波型非接觸式電導(dǎo)檢測器，其特征是所述函數(shù)信號發(fā) 生器，提供不同頻率和振幅的正弦、方波和三角波交流信號源，直接作用在非接觸式電極上；交流電的頻率在0.2—20MHz之間，交流電源的峰一峰電壓Vp-p在3-5V之間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的表面聲波型非接觸式電導(dǎo)檢測器，其特征是所述非接觸檢測 電極為金屬電極，緊密地固定在分離通道上。
6、 一種采用權(quán)利要求1所述的表面聲波型非接觸式電導(dǎo)檢測器的檢測方法，其特征是 它的步驟為1) 以壓電石英晶體諧振器和壓電陶瓷諧振器等表面聲波器件作為消除管壁電容的電感元 件接入分離通道，當(dāng)測量頻率高于它們的諧振頻率時(shí)，它們的工作點(diǎn)進(jìn)入感抗區(qū)，相當(dāng)于一 個(gè)大電感；2) 將高頻交流信號經(jīng)過表面聲波諧振器作用在兩個(gè)檢測電極上，此時(shí)兩個(gè)非接觸檢測電 極和其內(nèi)部的導(dǎo)電溶液等效為一個(gè)圓柱狀電容Cw，兩個(gè)電極之間的分離通道內(nèi)的導(dǎo)電溶液等 效為一個(gè)電阻Rs,將表面聲波諧振器等效為電感L，將表面聲波諧振器的損耗等效為電阻Ri， 取樣電阻為R2，測量頻率為/，則檢測回路的阻抗為<formula>formula see original document page 2</formula>將信號源的頻率調(diào)整到f = l/2;rV^ ，此時(shí)IZ—Rs，即可實(shí)現(xiàn)消除管壁容抗對電導(dǎo)檢測 的限制作用，達(dá)到提高非接觸式電導(dǎo)檢測的靈敏度的目的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種表面聲波型非接觸式電導(dǎo)檢測器。它解決了目前非接觸型電導(dǎo)檢測技術(shù)中管壁高阻抗影響其檢測靈敏度的問題，具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，能有效提高非接觸式電導(dǎo)檢測的靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，可用于毛細(xì)管型離子色譜、毛細(xì)管電泳、微流控芯片中的電導(dǎo)檢測。其結(jié)構(gòu)為它由函數(shù)信號發(fā)生器、表面聲波器件、至少一對非接觸式電極、檢測電路組成的電導(dǎo)傳感測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)與分離通道連接，所述的一對非接觸式電極設(shè)置在分離通道上，其中一個(gè)非接觸檢測電極通過表面聲波器件與函數(shù)信號發(fā)生器相連，另一個(gè)非接觸檢測電極通過采樣電阻與檢測電路連接。
文檔編號G01N30/64GK101441186SQ200710114458
公開日2009年5月27日 申請日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月21日
發(fā)明者琪 康, 楊修文, 申大忠, 強(qiáng) 胡 申請人:山東師范大學(xué)