專利名稱：帶電粒子運動引發(fā)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于利用電場引發(fā)帶電粒子的運動的設(shè)備和方法。本發(fā)明具體地但非排他地涉及用于利用電場引發(fā)液體流的設(shè)備和用于利用電場引發(fā)液體流的方法。本發(fā)明涉及例如用于在微流體學(xué)中使用的泵或混合器。
背景技術(shù)：
電動泵利用動電現(xiàn)象通過向流體施加電壓從而施加電場來提供電驅(qū)動的流體流。 動電現(xiàn)象的具體實例為電滲透。這是一種熟知的現(xiàn)象，并且被用于許多不同的領(lǐng)域中。該現(xiàn)象涉及極性液體在施加的電場的作用下穿過多孔結(jié)構(gòu)的運動。大多數(shù)表面由于表面電離作用而具有負(fù)電荷。當(dāng)將離子流體放置為與表面接觸時，表面附近積聚陽離子層以屏蔽該負(fù)電荷并保持電荷平衡。這形成雙電層(EDL)。當(dāng)在表面上施加電場時，EDL中的離子被朝向相反電荷的電極吸引，并由于粘性力而隨之拖拽周圍介質(zhì)。這導(dǎo)致流體朝帶負(fù)電的電極移動。因此，可以利用電滲透來控制流體的移動。這在微流體學(xué)領(lǐng)域具有特定的有益效果。微流體結(jié)構(gòu)或微系統(tǒng)由一系列微通道和容器組成，這些微通道和容器的至少一個尺寸是大體上微米級或納米級的，并且不大于l-2mm。流體可被引導(dǎo)穿過這些微通道并受到多種作用，例如混合、篩選、檢測、分離、反應(yīng)等。由于其允許在非常小的尺度上進(jìn)行測試和分析， 從而減少了每次操作中消耗的樣品和試劑的量，因此這些微結(jié)構(gòu)在化學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域具有越來越大的重要性。這意味著可以比以往更加快速而低成本地進(jìn)行工作，并且產(chǎn)生更少的廢料。此類微系統(tǒng)常常被稱為“芯片上的實驗室”或微全分析系統(tǒng)(P TAS)。利用電滲透的微流體泵的使用被視為一種用于許多微系統(tǒng)應(yīng)用的有前景的技術(shù)， 因為這些泵制造相對簡單，并且可以在較大范圍的離子濃度下獲得良好性能。電滲透泵的實例在WO 2004/007348中示出。電動設(shè)備在操作中出現(xiàn)的問題是氣泡可能由于電化學(xué)作用而產(chǎn)生并堵塞流體通道。存在由于在負(fù)電極產(chǎn)生氫而引起的特別問題。已經(jīng)提出通過使用吸收氫的某些電極金屬(例如鈀)來解決這一問題。然而，在運行一段時間之后，電極變得氫飽和，隨后開始形成氫氣。另外，由于保持過高濃度的氫，導(dǎo)致金屬晶格不可逆地膨脹，電極可能會被損壞。對于典型的電滲透泵，在若干小時之后就出現(xiàn)飽和并形成氣泡。

發(fā)明內(nèi)容
從第一方面來看，本發(fā)明提供了用于利用電場在液體或凝膠中引發(fā)帶電粒子的運動的設(shè)備，該設(shè)備包括將在其中引發(fā)運動的區(qū)域；第一和第二電極，所述第一和第二電極用于在所述區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電場，從而電流在電極之間流過，以引發(fā)帶電粒子運動并使離子在第二電極處被接收；測量裝置，該測量裝置被布置為測量在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間在第一和第二電極之間轉(zhuǎn)移的電荷量，該測量裝置能夠考慮在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間的任何電流或電壓變化；和控制裝置，該控制裝置被布置為控制再生操作，以通過以下方式對第二電極進(jìn)行再生經(jīng)由第二電極轉(zhuǎn)移與所測量的量大致相等的電荷量，以使得從第二電極移除離子，從而再生電極。本發(fā)明的第一方面還提供了一種利用電場在液體或凝膠中引發(fā)帶電粒子的運動的方法，該方法包括在第一和第二電極上施加電壓以產(chǎn)生電場，從而電流流過電極之間，以引發(fā)帶電粒子運動并使得離子被第二電極接收；測量在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間在第一和第二電極之間轉(zhuǎn)移的電荷量，同時考慮了在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間的任何電流或電壓變化；以及，控制再生操作，所述再生操作通過以下方式對第二電極進(jìn)行再生經(jīng)由第二電極轉(zhuǎn)移與所測量的量大致相等的電荷量，以使得從第二電極移除離子，從而再生電極。這種系統(tǒng)可避免或最小化氣泡在第二電極處的形成。通過再生第二電極，能避免第二電極與其處攜帶作為離子的材料(例如氫)變得飽和，進(jìn)而將材料釋放為氣泡。也可以最小化或避免由于保持過量的材料而對第二電極造成的損壞。在一個實例中，第一電極為正極，第二電極為負(fù)極。對于許多液體或凝膠來說，主要的電化學(xué)電極反應(yīng)將是在負(fù)極產(chǎn)生氫。因此，本發(fā)明可避免在負(fù)極形成氫氣泡，并且也避免在正極形成其他氣體，例如，在水溶液的情況下形成氧氣，并且在醇溶液的情況下形成二氧化碳。第二電極優(yōu)選地由能夠吸收作為離子到達(dá)該電極的材料的物質(zhì)制成。例如，鈀電極將吸收以氫離子形式到達(dá)的氫。Technical University of Denmark ^ Anders Brask 2005^8^ 31 H^Jiffi 論文中提出了一種微流體泵方案。該方案涉及使用具有由鈀制成的負(fù)極的電滲透泵，在該泵中，定期反轉(zhuǎn)施加的電壓的方向，以再生電極。通過布置止回閥來將液體流保持在同一方向，從而有效地整流。電壓保持恒定并在正向和反向階段相等，并且每個階段的持續(xù)時間相寸。在該系統(tǒng)中不測量在電極之間轉(zhuǎn)移的電荷量。電荷量將取決于電流。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，由于電極隨時間發(fā)生的變化，例如電極劣化，即使對于恒定的電壓和恒定的液體組成來說，電流也將隨時間變化。取決于泵的用途，流體組成也可能隨時間變化。此外，取決于泵的所需用途，也希望隨時間改變供應(yīng)的電壓，以改變泵送壓力和流量。本發(fā)明在其第一方面不依靠在引發(fā)的帶電粒子的運動操作(如液體泵送或混合操作)期間的穩(wěn)定條件。通過測量在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間電極之間轉(zhuǎn)移的電荷量，可以準(zhǔn)確而可靠的方式控制電極的再生。如本說明書中所用，術(shù)語“區(qū)域”旨在表示由電極產(chǎn)生電場的區(qū)域，即通常在第一和第二電極之間的區(qū)域。在某些優(yōu)選實施例中，該設(shè)備被布置成在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間可通過改變?yōu)楫a(chǎn)生電場而施加的電壓來進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，可以在變化的壓力和移動速率下操作設(shè)備。 這對于例如微流體泵來說是有用的，而不論其是作為芯片上的實驗室或微燃料電池的一部分而自動工作，還是作為手動操作的實驗室泵而使用。即使存在導(dǎo)致變化的電流的變化的場強(qiáng)，測量裝置也會考慮這種情況并測量轉(zhuǎn)移的電荷量，使得能夠以相同的電荷轉(zhuǎn)移量進(jìn)行電極再生。電荷轉(zhuǎn)移的測量可以例如通過用于在一時間段上對電流積分的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行。因此，該設(shè)備將被布置為測量一時間段上的電流，以確定所轉(zhuǎn)移的電荷量。測量裝置可被布置為自動地測量在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間第一和第二電極之間轉(zhuǎn)移的電荷量。該設(shè)備 (例如控制裝置)可以將該量存儲在存儲器內(nèi)。存儲的量可以在以后的再生操作中使用，或者在考慮了任何變化的情況下，該設(shè)備可以以與電荷到達(dá)該電極時相同的速率從第二電極轉(zhuǎn)移出電荷。在本發(fā)明的某些形式中，控制裝置被布置為通過在第一和第二電極之間進(jìn)行電流反向來控制再生操作。該系統(tǒng)能夠補(bǔ)償例如調(diào)節(jié)所引發(fā)的液體移動的速率所需的隨時間推移的任何電壓變化；并且能夠補(bǔ)償隨時間推移的任何電流/電壓關(guān)系的變化，這種變化是例如由于流體或流體性質(zhì)的變化或設(shè)備性質(zhì)的變化(例如電極或其他材料的劣化)導(dǎo)致的。引發(fā)的帶電粒子運動可用來引起液體移動。在定向引發(fā)的液體流系統(tǒng)的情況下， 優(yōu)選地提供了閥門裝置，以便在再生操作期間的液體流與所引發(fā)的液體流操作中的液體流在相同方向上。然而，這并非必需的，因為所引發(fā)的液體流操作也可以在延長的時間(例如幾小時)內(nèi)進(jìn)行，從而再生操作也可以在方便的時間(例如夜間)進(jìn)行?？梢杂煤唵蔚闹够亻y來防止再生操作過程中的逆流。替代地，可以將反向電壓選擇為低于將導(dǎo)致流動產(chǎn)生的最小值。在例如電滲透泵的情況下，通常存在將產(chǎn)生流動的最小電壓。當(dāng)要進(jìn)行電流反向時，可以將控制裝置布置為控制再生操作，從而再生操作在比所引發(fā)的液體移動操作更長的時間內(nèi)進(jìn)行。從而可以在再生操作期間在更長的時間內(nèi)使用更低的平均電壓和電流。控制裝置可以被布置為將設(shè)備自動地從引發(fā)的帶電粒子運動操作切換到再生操作。這可以避免系統(tǒng)進(jìn)入產(chǎn)生氣泡的階段?？梢杂欣氖羌尤胫甘酒鳎撝甘酒骺梢允强陕牶?或可視的，以指示系統(tǒng)的狀態(tài)，例如，所引發(fā)的液體移動能力在需要進(jìn)行再生操作之前剩余可用的量。因此，例如，可以在需要再生之前一定時間產(chǎn)生報警。在某些優(yōu)選實施例中，該設(shè)備包括第三電極，并且控制裝置被布置為通過使電流在第二電極和第三電極之間流過而控制再生操作。在此類系統(tǒng)中，不需要為了對第二電極進(jìn)行再生而反轉(zhuǎn)第一和第二電極之間的電流方向。因此，在具有定向液體流的系統(tǒng)的情況下，該設(shè)備可在沒有用于在電流反向期間對液體流整流的止回閥系統(tǒng)的情況下操作。該方法可包括使用測量的電荷數(shù)據(jù)，以通過以下方式來控制再生操作，其中所述數(shù)據(jù)涉及在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間在第一和第二電極之間轉(zhuǎn)移的電荷量的測量值在第一和第二電極之間進(jìn)行電流反向；或使電流在第二電極和第三電極之間流過。使用第三電極具有獨立的可取得專利權(quán)的重要性。從第二方面來看，本發(fā)明提供了用于利用電場在液體或凝膠中引發(fā)帶電粒子的運動的設(shè)備，該設(shè)備包括將在其中引發(fā)運動的區(qū)域；第一和第二電極，所述第一和第二電極被布置為在所述區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電場，從而電流在電極之間流過，以引發(fā)帶電粒子運動并使得離子在第二電極處被接收；和第三電極，該第三電極被布置為通過使電流在第二電極和第三電極之間流過以使得從第二電極移除離子，從而對第二電極進(jìn)行再生。本發(fā)明的第二方面還提供了一種利用電場在液體或凝膠中引發(fā)帶電粒子的運動
8的方法，該方法包括在第一和第二電極上施加電壓以產(chǎn)生電場，從而電流在電極之間流過， 以引發(fā)帶電粒子運動并使得離子在第二電極處被接收；以及通過使電流在第二電極和第三電極之間流過以使得從第二電極移除離子來對第二電極進(jìn)行再生。如上所述，使用第三電極具有避免需要為進(jìn)行電極再生而對電流反向的優(yōu)點。還存在另外的有益效果。在僅涉及兩個電極和用于再生的電流反向的全新系統(tǒng)中，例如，在包括沒有吸收氫的例如鈀電極的泵中，當(dāng)通過電流時，流體發(fā)生電解。這樣，在使電壓從而使電流的第一次反向中，電流通常(取決于流體)很大程度上是由于氫離子從一電極向另一電極的傳輸。然而，電解繼續(xù)發(fā)生，從而形成越來越多的氫。因此，在兩電極構(gòu)造中，通過使用電壓反向處理可以實現(xiàn)更大的設(shè)備和更長的電極壽命，并且這種壽命的延長可以導(dǎo)致電極吸收能力(即容量)的增加。然而，電極在給定次數(shù)的循環(huán)之后最終變得氫飽和，之后不再無氣泡，或者電極由于吸收過量的氫而破裂。因此，只能夠通過使用電流反向法進(jìn)行電極再生來換取時間，并且設(shè)備和/或電極最終具有有限的壽命。在本發(fā)明的第一方面的某些實施例中，或者在本發(fā)明的第二方面的設(shè)備中，使用第三電極。由于電流流過以引發(fā)帶電粒子運動而導(dǎo)致被第二電極吸收的任何材料可被有效移除并傳遞到第三電極。從第二電極傳遞到第三電極的材料可在第三電極處釋放并被允許離開設(shè)備。該材料可以例如為氫。在氫的情況下，可以在第三電極處釋放氣體并允許其離開系統(tǒng)。因此，可避免一段時間內(nèi)在第一和第二電極處積聚氫。在具有第三電極的系統(tǒng)中，可以進(jìn)行引發(fā)的帶電粒子運動操作和隨后的再生操作，以對第二電極進(jìn)行再生。然而，在優(yōu)選的實施例中，設(shè)備被布置成使得再生操作與引發(fā)的帶電粒子運動操作同時進(jìn)行。在這樣的構(gòu)造中，可在不中斷再生階段的情況下操作設(shè)備。 這避免了由中斷引起的任何不便并提供了連續(xù)的操作能力。如果再生與引發(fā)的帶電粒子運動操作同時進(jìn)行，可避免吸收的材料積聚到第二電極內(nèi)。這樣降低了第二電極損壞的風(fēng)險。 因此，該系統(tǒng)可具有長得多的無氣泡壽命，并且電極可以持續(xù)更久。第三電極可由不具有顯著(appreciable)氫吸收能力的惰性材料制成，例如鉬。 因此，氫可在該電極處形成氣泡，并且可將氫從設(shè)備排出。第一電極可由不具有顯著氫吸收能力的惰性材料制成，例如鉬。在具有第三電極的系統(tǒng)中，希望使用穩(wěn)定的惰性材料作為第一電極，因為不需要儲存諸如氫之類的材料。本發(fā)明的第二方面的設(shè)備可包括測量裝置，該測量裝置被布置為測量在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間在第一和第二電極之間轉(zhuǎn)移的電荷量，該測量裝置能夠考慮在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間的任何電流或電壓變化。該設(shè)備可包括用于控制再生操作以再生第二電極的控制裝置?？刂蒲b置可被布置為通過經(jīng)由第二電極轉(zhuǎn)移與所測量的量大致相等的電荷量來控制再生操作，以便對第二電極進(jìn)行再生。優(yōu)選地，在提供測量裝置和控制裝置的實施例中，測量裝置被布置為測量在第一和第二電極之間流過的電流，控制裝置被布置為在任何給定的時間使得相等的電流在第二和第三電極之間通過。這種構(gòu)造可確保以使第二電極保持均衡的速率實時進(jìn)行再生。通常，第二電極的電勢將介于第一電極的電勢和第三電極的電勢中間。例如，第二電極可以相對于第一電極為負(fù)極，并且相對于第三電極為正極。第一和第二電極之間的電勢差經(jīng)過選擇以使設(shè)備獲得所需性能，而第二和第三電極之間的電勢差優(yōu)選地被調(diào)節(jié)為使得由于引發(fā)的帶電粒子運動而被第二電極吸收的材料量與由于再生而從第二電極移除的材料量保持相等，即，使第二電極保持均衡。這通常將意味著在第一和第二電極之間的電流與在第二和第三電極之間的電流相等。在其中引發(fā)帶電粒子運動的區(qū)域可被限定或包含在通道內(nèi)。在某些實施例中，引發(fā)的帶電粒子運動為沿著通道的定向流，因此設(shè)備可作為泵進(jìn)行操作。在其它實施例中，引發(fā)的帶電粒子運動在通道內(nèi)發(fā)生以實現(xiàn)混合，因而不是沿著通道的定向流。關(guān)于通道內(nèi)的運動的這些描述適用于本發(fā)明的第一方面和第二方面。第三電極優(yōu)選地包含在與通道分開的腔室內(nèi)。該腔室可以例如容納緩沖的水溶液。該腔室可具有排氣口以允許氣體從其逸出。例如，它可以設(shè)有疏水性多孔薄膜，例如 Gore-Tex 。例如，可利用排氣口從腔室排出氫。排氣口可通向大氣。第二電極可具有暴露于通道中的液體的部分(“通道部分”)和暴露于腔室內(nèi)部的部分(“腔室部分”)。然后，可通過擴(kuò)散將在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間在第二電極上吸收的材料傳輸?shù)皆撾姌O腔室部分。例如，可以在電極內(nèi)通過擴(kuò)散傳輸在由鈀制成的第二電極處積聚的氫。腔室優(yōu)選地設(shè)置在通道附近。它可以簡單地設(shè)置在通道一側(cè)。在一些實施例中， 腔室可具有完全或部分地在通道周圍延伸的環(huán)形形狀。這樣，第二電極可以在通道周圍周向或部分周向地延伸。例如，在具有圓形截面的通道內(nèi)，第二電極可以為具有比通道的直徑大的直徑的圓盤，以便徑向伸入腔室內(nèi)。這種構(gòu)造為在第二電極內(nèi)的擴(kuò)散過程提供了充足的機(jī)會，以便將吸收的材料帶出通道并帶入腔室內(nèi)。當(dāng)然，通道和/或電極可具有其他截面幾何形狀，例如，矩形或正方形。第二電極和/或第一電極可伸入通道內(nèi)。這既適用于其中通過在第一和第二電極之間的電流反向而進(jìn)行再生的那些實施例，也適用于其中提供第三電極以對第二電極進(jìn)行再生的那些實施例。這種構(gòu)造可在整個通道截面上提供良好的電流分布，這可能是某些類型的設(shè)備所期望的。例如，第一電極和/或第二電極可被穿孔以允許液體從中流過，同時在通道橫向上(優(yōu)選地橫跨整個通道)延伸，以提供均勻的電流分布。在第二電極橫跨或部分地橫跨液體通道延伸的實施例中，在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間吸收到電極內(nèi)的材料必須橫向地朝第三電極(例如朝腔室)傳輸。這可以通過擴(kuò)散過程進(jìn)行。然而，如果第二電極形成限定液體通道的壁的一部分，則可以縮短通常通過擴(kuò)散傳輸?shù)木嚯x。例如，在分隔通道和腔室的情況下，電極可具有較小厚度。它可以具有板、 片材或箔的形式。電極優(yōu)選地在正常使用中不可透過液體。在第二電極形成限定液體通道的壁的一部分的那些實施例中，整個第二電極可形成通道壁的一部分；或者替代地，第二電極的一部分可伸入通道內(nèi)，另一部分可形成通道壁。如果通道大體上直地縱向延伸，則形成通道的一部分的第二電極(或其一部分)也可以縱向地延伸。在替代構(gòu)造中，通道可具有方向上的改變(例如彎曲)，以允許第二電極(或其一部分)設(shè)置在彎曲的外部，從而與第一電極具有提供所需電場幾何形狀的關(guān)系。例如， 通道可具有在第一電極下游的從縱向變?yōu)闄M向的直角彎曲。這樣，第二電極可在與第一電極在其中延伸的平面大致平行的平面內(nèi)延伸，這兩個平面均垂直于縱向方向。在可通過第一和第二電極之間的電壓差產(chǎn)生例如液體流和用于引發(fā)該液體流的壓力的同時，一旦液體流到達(dá)彎曲，就會從縱向轉(zhuǎn)到橫向。該構(gòu)造可在第二電極內(nèi)提供短的擴(kuò)散路徑，同時提供良好的電場幾何形狀。
在允許第二電極提供短擴(kuò)散路徑(例如通過形成通道壁的一部分)的同時改善電場幾何形狀的另一種方式是在通道內(nèi)提供在第一電極和第二電極之間的中間電極。中間電極可例如被穿孔以允許從中流過流體(例如液體)，同時在通道的橫向上(優(yōu)選地橫跨整個通道)延伸，以提供均勻的電流分布。在從第一電極到中間電極的引發(fā)的帶電粒子運動操作期間吸收到中間電極中的材料(如氫)可從中間電極分離并作為離子朝第二電極移動， 在第二電極處被吸收，然后又通過向第三電極轉(zhuǎn)移離子而再次被分離。第三電極不一定需要設(shè)置在單獨的腔室內(nèi)，而是也可以設(shè)置在通道內(nèi)。在第二電極處產(chǎn)生的氣體(如氫氣)的量取決于電流和用來在其中溶解氫氣的液體的可用體積(即液體流量)。因此，可以存在某個電流與流量的比率(臨界比率)，在該值以下，氣體可以溶解，從而不會形成氣泡。因此，在臨界比率以下，氣體可以溶解在液體中并在液體流中被帶走。因此，對于某些類型的設(shè)備，在低于臨界比率的低電流條件下不會產(chǎn)生氣泡。因此，在低電流條件下，能夠僅使用設(shè)置在通道內(nèi)的第一電極和第三電極來引發(fā)例如液體移動。將不會產(chǎn)生氣泡。在臨界比率以上的較高電流條件下，能夠在引發(fā)的液體移動操作期間使用第一電極和第二電極。這樣，將通過以下方式進(jìn)行再生操作當(dāng)在低電流條件下引發(fā)液體移動時，在第二和第三電極之間施加電勢差，當(dāng)在高電流條件下引發(fā)液體移動時，分離已吸收到第二電極的材料(如氫)，并且將該材料送至第三電極，從這里材料可以被溶解并被液體流帶走。該設(shè)備優(yōu)選地包括用于為電極提供所需電勢差的電源。電力通常將被供應(yīng)為提供直流。電源優(yōu)選地為控制裝置的一部分。帶電粒子可以為離子、極化分子、其他極化粒子(例如單胞)或帶有附著到其上的離子的粒子。在某些實施例中，本發(fā)明的第一和第二方面的設(shè)備可旨在產(chǎn)生液體移動。當(dāng)引發(fā)帶電粒子運動時，通常由于粘性效應(yīng)，這種運動會引起液體移動。這樣的液體移動可用于在電極之間的區(qū)域內(nèi)的混合或以泵的方式進(jìn)行的定向流動。因此，某些優(yōu)選設(shè)備被布置為作為在其中產(chǎn)生液體移動的泵或混合器而操作。實例為EO泵或EO微混合器。另一個實例為在其中引發(fā)液體流的電色譜儀。然而，涉及提供無氣泡電極的原理也適用于其他系統(tǒng)，這些系統(tǒng)不一定涉及液體移動，而是希望利用電場引發(fā)帶電粒子運動。本發(fā)明在多個方面適用于動電處理、電化學(xué)處理、微流體和納米流體裝置、或用于分析或合成的實驗室裝置。本發(fā)明在多個方面適用于例如電泳或介電泳，其中，第一和第二電極將用來引發(fā)分子或帶電粒子在凝膠中運動，并且其中，通過每種物質(zhì)的不同速度來實現(xiàn)分離。本發(fā)明在多個方面適用于其中需要將電場和/或電流施加到離子導(dǎo)電系統(tǒng)的系統(tǒng)。本文所述實施例旨在提供無氣泡電極系統(tǒng)。該系統(tǒng)對于包括芯片上的實驗室、微全分析系統(tǒng)、微燃料電池等在內(nèi)的微流體裝置來說具有很大優(yōu)點，因為即使很小的氣泡也會阻塞這類裝置的流體通道并且中斷其操作。該設(shè)備適用于所有類型的動電微泵，包括電滲透微泵。此外，該設(shè)備可用于需要電極的所有類型的微流體裝置和處理，其中包括電泳、雙極電泳(dipolophoresis)、色譜技術(shù)和介電泳。電極可用于氣泡的形成可能是問題的所有類型的裝置中。這不限于微流體裝置，也可以用于更小(納米流體)和更大的裝置。


現(xiàn)在將借助于示例并且參考附圖描述本發(fā)明的某些優(yōu)選實施例，在附圖中圖1至8是帶電粒子運動引發(fā)設(shè)備的八個不同的實施例的各示意圖，在每種情況下設(shè)備均為液體流引發(fā)設(shè)備。
具體實施例方式圖1示出了流動引發(fā)設(shè)備10，其包括液體流通道4、入口電極1和出口電極2，入口電極1延伸跨過通道，出口電極2也延伸跨過整個通道，并且位于電極1下游的位置處。箭頭6表明流動方向。電極1和2中的每一個都被穿孔，以允許流體穿過電極。通過提供橫跨通道截面延伸的穿孔電極，在通道截面上提供了均勻的電壓分布，從而提供了均勻的電流分布。這對于一些泵的設(shè)計來說很重要，但對于其他設(shè)計來說是不需要的。在流體通道中設(shè)有電滲透泵5。該泵可以是例如WO 2004/007348中所示的任何類型的泵。在本實施例以及下文所述的其他實施例中，使用電滲透(EO)泵來描述提供無氣泡電極的概念。這涉及使用帶有負(fù)表面電荷的多孔結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生一層積聚在表面附近的陽離子，以屏蔽負(fù)電荷并保持電荷平衡。這形成雙電層。當(dāng)施加電場時，陽離子被吸引到帶負(fù)電電極，并且在其移動時，由于粘性力而拖拽周圍的液體介質(zhì)，從而導(dǎo)致液體朝帶負(fù)電電極移動。應(yīng)當(dāng)理解，在EO泵的替代設(shè)計中，表面電荷可以是正電荷，從而形成最外層帶有可通過電場傳輸?shù)年庪x子的雙電層。對于這樣的泵來說，為了在圖示方向上實現(xiàn)流動，所有電勢都將與所描述的相反。在電極1和2之間設(shè)有電壓源V，以使電極1為正極，電極2為負(fù)極。在電極1和 2之間的電路中設(shè)有安培計7，以便測量流過的電流?？刂葡到y(tǒng)20被提供用于從安培計7 接收電流數(shù)據(jù)并在電極1和2之間提供電勢差V?，F(xiàn)在將描述流動引發(fā)設(shè)備10的操作。施加電壓以使得電極1為正極，電極2為負(fù)極，從而產(chǎn)生上述EO泵浦效應(yīng)。在通道4中發(fā)生在箭頭6的方向上的液體流動。以手動方式或根據(jù)控制系統(tǒng)20內(nèi)的程序調(diào)整電壓V，以獲得所需壓力和流率。同時，用安培計7以電子方式記錄電流。在此泵送過程中，將發(fā)生液體的一些電解，使得在正電極1處產(chǎn)生作為載流子向負(fù)電極2移動的H+離子，從而在通道中驅(qū)動EO泵。電極2由能夠吸收氫的材料制成，例如鈀。因此，到達(dá)電極2處的H+離子與電子結(jié)合形成氫原子，隨后氫原子被存儲在電極2內(nèi)。然而，電極只能存儲一定量的氫，之后將開始形成氫氣。此外，如果電極攜帶過多的氫，則其金屬晶格會不規(guī)則膨脹，從而損壞。為了再生電極2，控制系統(tǒng)20施加的電壓V被反轉(zhuǎn)，從而使電極2變?yōu)檎龢O，電極 1變?yōu)樨?fù)極。氫離子在電極2處形成并被電場朝電極1輸送。為了避免液體回流，該設(shè)備還配有止回閥(圖中未示出)，或者將反向電壓設(shè)在使EO泵5在使用中產(chǎn)生流動的最小值以下。就像在泵送操作中一樣，在再生操作期間由安培計7對電流進(jìn)行監(jiān)測。再生階段將持續(xù)到朝電極1輸送的電荷量(因此氫量)與在之前的泵送階段中在相反方向上輸送的量相等為止。這通過反轉(zhuǎn)電勢直到再生階段的電流與時間的乘積等于泵送階段對應(yīng)的量為止來實現(xiàn)。換句話講，在兩個階段的電流的積分絕對值相等，符號相反。在再生階段，大部分電
12流由存儲在電極2中的氫原子所產(chǎn)生的H+離子攜帶。如果要在泵送模式下操作該設(shè)備，直到電極2的氫接近飽和，則可能對電極造成不可逆的損壞。因此，控制系統(tǒng)20被布置成在已經(jīng)吸收預(yù)定量的氫之前的某個時間停止泵送?？梢詫⒖刂葡到y(tǒng)設(shè)置成在該點自動進(jìn)入再生模式，或者可以為使用者提供音頻和/或視頻信號?？刂葡到y(tǒng)可被設(shè)置成提供將需要再生的預(yù)先警告。因此，利用在泵送階段之后的再生階段可避免在設(shè)備中產(chǎn)生可能積聚并阻塞流體通道的氫氣泡。再生方案具有額外的優(yōu)點，即對于許多液體來說，主要的電化學(xué)電極反應(yīng)將是氫的分離和吸收，而不是液體的分解。因此，該系統(tǒng)將不僅避免在負(fù)電極處形成氫氣泡， 而且避免在正電極處形成其他氣體，例如，在水溶液的情況下形成氧氣，在醇溶液的情況下形成二氧化碳。然而，由于液體分解產(chǎn)生氫仍會以較低速率進(jìn)行，電極將最終氫飽和，此時， 通常將必須更換設(shè)備或電極?，F(xiàn)在將描述圖1的設(shè)備的操作的實例。電極1和2由各具有25微米的厚度的穿孔鈀箔制成。在5mW功耗和提供直流的控制系統(tǒng)20的IOV輸出下的典型性能為在Ipsi的壓力下流率為10微升/分。在電極2處形成氫氣泡(表明該電極氫飽和)之前的時間在5 和10小時之間。通過使用電流反向方案，在正向方向上泵送一定的小時數(shù)，然后在5V下， 在再生階段反轉(zhuǎn)電勢所需時間，設(shè)備的總運行時間延長至四周，在此期間，正向泵送的總時間為大約100小時。該設(shè)備測量任何時間的電流。因此，測量從而考慮任何電流變化，以確保在再生階段在相反方向上在電極之間轉(zhuǎn)移的電荷量與在泵送階段轉(zhuǎn)移的相同。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使施加恒定的電壓，也會由于液體性質(zhì)的變化或由于電極長期劣化而改變電流。圖1的設(shè)備被布置成允許這樣變化。此外，有時希望在變化的壓力和流率下操作設(shè)備，圖1的設(shè)備能夠考慮這樣的變化。該設(shè)備可以是微流體泵，其可以作為芯片上的實驗室或微燃料電池的一部分而自動地操作，也可作為手動操作的實驗室泵來使用。在下文所述實施例中，提供了一種用于避免在電極處(從而在流體通道內(nèi))形成氣泡的替代方法。在這些實施例中不需要電流反向，因此可以提供更連續(xù)的泵送模式。這些實施例也可以避免需要止回閥系統(tǒng)來在再生階段對流體整流。然而，電極再生確實發(fā)生， 并且通?？梢栽诒盟偷耐瑫r進(jìn)行，但如果需要，也可以選擇在泵送之后再生。參見圖2，該圖在一定程度上類似于圖1，也示出了具有流體通道4、穿孔的入口電極1、穿孔的出口電極2和在兩電極之間的EO泵5的流動引發(fā)設(shè)備10，其中入口電極1跨過通道延伸，出口電極2也跨過通道延伸，并且設(shè)置在電極1的下游。入口電極1由惰性金屬(例如鉬)制成，而出口電極2則由能夠吸收氫的金屬(例如鈀)制成。輸入電壓(V1) 由控制系統(tǒng)20供應(yīng)到電極1和2。當(dāng)施加電壓V1時，在箭頭6的方向上產(chǎn)生液體流。提供安培計7用于測量在電極1和2之間流過的電流。在該實施例中，出口電極2以密封方式伸出流體通道4以外，并伸入單獨的液體密封腔室10。腔室10可容納水性緩沖液。在該腔室10中，設(shè)有用于形成“發(fā)泡”電極的第三電極3。腔室10被半可滲透膜15封閉，該膜允許氣體在箭頭9的方向上逸出。膜15可為疏水性多孔薄膜，例如Gore-Tex。在電極2和3之間的電路中設(shè)有安培計8，以便測量在這些電極之間流過的電流。電子數(shù)據(jù)被送至控制系統(tǒng)20。電壓V2由控制系統(tǒng)20供應(yīng)到電極2和3的電路。在操作中，調(diào)節(jié)電壓V1以為給定EO泵5獲得所需流率，通過安培計7以電子方式監(jiān)測電流。同時，由控制系統(tǒng)20以電子方式調(diào)節(jié)電壓V2,使得由安培計8測量的電流始終等于由安培計7測量的電流。通過這種方式，將使用第三電極3從伸入單獨的充滿液體的腔室10的電極2的一部分移除與在泵送期間被電極2吸收的相同數(shù)量的氫原子。由于電極3由不具有顯著氫吸收能力的惰性金屬(例如鉬)制成，氫將在該電極上形成氣泡，并且氫氣泡可從該電極排出。氫通過擴(kuò)散沿電極2傳輸。電極2將處于這樣的電勢，該電勢相對于電極1的電勢為負(fù)，相對于電極3的電勢為正。圖2示出了僅位于通道4 一側(cè)處的單獨的腔室10。然而，這當(dāng)然只是一個實例。 在實施過程中，腔室10可環(huán)繞通道4或其一部分，并且出口電極2在沿著腔室10與通道4 相鄰的一部分或全部周邊的每個點處伸出通道4。例如，在具有圓形橫截面的微通道內(nèi)，電極2可以為具有更大直徑的圓盤，伸入單獨的腔室3內(nèi)。流體通道和電極也可具有其他幾何形狀，例如矩形。應(yīng)當(dāng)指出，腔室10充當(dāng)除氣室。在圖2的設(shè)備中，與圖1的兩電極再生方案相反，即使在較長時間之后，鈀電極2 也不會氫飽和，而在兩電極構(gòu)造中，由于作為氫分離和吸收的競爭反應(yīng)的連續(xù)液體電解使得可能發(fā)生氫飽和。當(dāng)產(chǎn)生新氫時，新氫將在單獨的腔室10內(nèi)被移除。然而，在入口電極 1處可能仍然進(jìn)行其他氣體的產(chǎn)生。通常，這不是什么問題，例如，如果泵送甲醇，則該物質(zhì)具有較大能力來溶解可能在入口電極1處產(chǎn)生的二氧化碳，從而可避免該電極處氣泡的形成。應(yīng)當(dāng)理解，在圖2的實施例中，吸收到電極2內(nèi)的氫橫向于流體通道擴(kuò)散。這將意味著在通道中央處吸收到電極內(nèi)的氫原子將必須擴(kuò)散約等于通道直徑一半的距離，以便移動到腔室10。這形成相對較長的擴(kuò)散路徑，盡管假設(shè)設(shè)備可以尺寸極其小，但是這可能也不是問題。在圖3的實施例中，修改了幾何構(gòu)造以減小擴(kuò)散路徑的長度。在大多數(shù)方面，該實施例具有與圖2相同的構(gòu)造，因此將不再重復(fù)描述。區(qū)別在于，第二電極2沒有跨過通道延伸，并且也不穿孔。在圖3的實施例中，第二電極2形成通道4的壁的一部分，并且不穿孔。 這種構(gòu)造大大縮短了氫必須在通道4和除氣室3之間在電極2內(nèi)擴(kuò)散的距離。電極可由板或箔制成，并且如同其他實施例一樣，也由氫吸收金屬(例如鈀)制成。該實施例相比圖2 的實施例的優(yōu)點在于，需要使用較少的電極金屬來形成電極2，并且諸如鈀之類的電極金屬是昂貴的。在圖2的實施例中，電極2的厚度不能太小，以便有足夠的電極體積來快速擴(kuò)散氫。此外，對于圖3的實施例來說，可以使用更大的電流，由于可以更快地從電極2解吸氫， 因此避免了該電極的任何部分變得氫飽和。圖3的實施例的缺點是，對于不伸入通道內(nèi)的電極，需要在通道橫截面上均勻分布電流的泵可能不會很好地工作。該問題由圖4的實施例來解決。該實施例在許多方面具有與圖3相同的構(gòu)造，將不再重復(fù)對這些特征的描述。圖4與圖3的區(qū)別在于設(shè)置了額外的電極。該電極為設(shè)置在 EO泵5下游的中間電極2'。中間電極2'被穿孔并跨過通道4延伸。它由諸如鈀之類的氫吸收材料制成。
中間電極2'與入口電極1串聯(lián)布置，并且控制系統(tǒng)20施加電壓V1,該電壓將中間電極2'的電勢設(shè)為相對于入口電極1的電勢為負(fù)。中間電極2'與第二電極2串聯(lián)布置， 并且控制系統(tǒng)20在這兩個電極之間施加電壓V3，從而電極2具有相對于中間電極2'的負(fù)電勢。提供安培計12用于測量在第二電極2和中間電極2'之間流過的電流。在泵送過程中，氫離子被輸送到中間電極2'。由于電極2'和電極2之間的電勢降，氫從電極2'分離并作為氫離子朝電極2輸送，然后吸收到電極2中。然后，氫從電極2 分離作為氫離子并輸送到電極3，在這里氫離子形成可作為氫氣移除的氫。該實施例結(jié)合了圖2的實施例的優(yōu)點和圖3的實施例的優(yōu)點，其中圖2的實施例的優(yōu)點是具有跨過通道延伸的出口電極(在本例中為電極2')，從而提供了良好的電流分布；圖3的實施例的優(yōu)點是具有在通道的壁中橫跨電極2的較短擴(kuò)散路徑。電極2'和2都必須由諸如鈀之類的氫吸收材料制成。由于氫分離與能量轉(zhuǎn)移相關(guān)，因此該方案(具有四個電極)將消耗比圖2或3的三電極系統(tǒng)更多的能量。在使用中，調(diào)節(jié)電壓V1以獲得泵5的所需性能，同時調(diào)節(jié)電壓V2和V3，從而使所有電流都相等。可以修改圖4的實施例，使得中間電極2' “浮置”。該電極將不會與電極1或電極2在外部電路中，而會被隔離。在電極1和2之間仍將存在用于驅(qū)動流體的電勢差。中間電極2'仍將具有提供橫跨通道的良好的電流分布的效果。因此，該修改實施例將比圖4 的實施例更簡單，同時提供類似的優(yōu)點。圖5示出了與圖3的實施例類似的實施例，將不再重復(fù)對相應(yīng)特征的描述。區(qū)別在于流體通道4包括直角彎曲。電極2在彎曲的外部形成通道的壁的一部分。這允許電極2 面向EO泵5，從而為泵提供良好的電場分布。同時，電極2為被該電極吸收的材料(如氫) 提供了較短的擴(kuò)散路徑。與圖3的實施例相同，在使用中，調(diào)節(jié)電壓V1以獲得泵5所需的性能，同時調(diào)節(jié)電壓V2，從而安培計7和8測量的電流相等。在圖5的實施例的操作中，在電場和泵的驅(qū)動下，流體在箭頭6的方向上縱向流動。當(dāng)其到達(dá)不能透過的電極2時，被迫改變方向，從而轉(zhuǎn)向到箭頭6a所示的橫向上。圖6的實施例在許多方面類似于圖5的實施例，將不再重復(fù)對相應(yīng)部分的描述。在圖6的實施例中，EO泵5被設(shè)置為鄰近第二電極2。第二電極2具有未穿孔部分加和多孔部分2b。這兩部分形成為面對面布置的兩層。該構(gòu)造允許在箭頭6的方向上平行于由電極 1和2產(chǎn)生的電場流過EO泵，并且阻擋流體，以使得流體轉(zhuǎn)向到垂直于電場的箭頭6a的方向上。電極的多孔部分2b的存在允許橫向流過多孔部分。這使得EO泵5可以位于直接鄰近電極2處，而不阻擋流動。對于一些類型的泵來說，有利的是能夠?qū)⒈迷O(shè)置為緊挨出口電極。圖7的實施例在許多方面類似于圖5的實施例，將不再重復(fù)對相應(yīng)部分的描述。在圖7的實施例中，使用單個電壓源V4，并且其兩個極連接到第一電極1和第三電極3。提供電壓表11來測量電極1和2之間的電壓。在使用中，由于在電極1和2之間的電流需要與在電極2和3之間的電流相同，因此當(dāng)氫為在通道和單獨的腔室內(nèi)的主要正載流子時，將保留除氫功能。電壓V4將被調(diào)節(jié)， 以調(diào)節(jié)在電壓表11處測量的電壓，從而獲得所需流量和壓力?？捎冒才嘤?測量電路中的電流，以確保其不會變得過高。相似地，在沿通道設(shè)置例如四個(或以上)電極的情況下，只有入口電極1和除氣電極3需要連接到電壓源。必須始終監(jiān)測限定泵上的電壓的兩個電極之間的電壓，并且調(diào)節(jié)電壓源以獲得泵上所需電壓。圖8的實施例與圖2-7的實施例的區(qū)別是未設(shè)置單獨的除氣室3。該實施例具有流體通道4，其中設(shè)有EO泵5，在泵送過程中，液體沿箭頭6的方向流過該泵。在泵5上游設(shè)有入口電極1，在泵5下游的第一位置處設(shè)有形成第一出口電極的第二電極2，在第二電極2下游設(shè)有形成第二出口電極的第三電極3。三個電極都橫跨流體通道延伸以提供均勻的電流分布，并且都被穿孔以允許流體從中流過。第一和第三電極由不吸收氫的材料(例如鉬)形成，第二電極則由能夠吸收氫的材料(例如鈀)形成?？刂葡到y(tǒng)20在電極1和2 之間施加電壓V1,在電極2和3之間施加電壓V2。安培計7測量在電極1和2之間流過的電流，安培計8測量在電極2和3之間流過的電流。產(chǎn)生的氫的量取決于電流，氫被溶解的可能性取決于可用液體體積，即流量。因此，存在電流流量比率(臨界比率)，在該值以下，在電極處產(chǎn)生的氫溶解，從而不會形成氣泡。在圖8的實施例中，如果流過的電流低于臨界比率，則電極1和3被用來產(chǎn)生電場并使泵5工作。到達(dá)第三電極3的氫離子轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙庠谝后w中的氫并被帶走。當(dāng)希望增加流量，使得電流高于臨界比率時，可以使用電極1和2。到達(dá)電極2的氫離子被吸收到電極材料中。因此，當(dāng)使用低于臨界比率的電流泵送時，可以在電極2和3 之間施加電勢差，使得吸收到電極2中的氫被作為氫離子分離并傳送到電極3，氫離子在這里產(chǎn)生溶解到液體中的氫。由于電流從電極1流過泵，并且由于將氫從電極2分離，因此氫離子將到達(dá)電極3。因此，在電極1和2之間流動的電流需要低于臨界比率，并具有足夠余量，以允許將額外的氫傳送到電極3?？蛇x的增加項將是設(shè)置單獨的腔室，電極2將在該腔室內(nèi)延伸，以增加除氫能力。圖8的實施例的優(yōu)點在于，通過溶解液體中產(chǎn)生的氫，可以節(jié)約能量并使電極2的氫吸收材料用得更久。當(dāng)液體的氫吸收能力已知時，可以計算臨界比率。替代地，可將商用氣泡檢測器連接到控制電子器件，控制電子器件將在需要時切換到使用氫吸收電極。該系統(tǒng)通常將由標(biāo)準(zhǔn)低電壓電子器件控制。各種電源(符號V)、安培計㈧和電壓表僅表示電子電路的功能。同一電路通常將調(diào)節(jié)電壓，以獲得所需的液體流和壓力，同時自動地關(guān)注電極再生。各個優(yōu)選實施例的主要特征和優(yōu)點如下。電流積分法確保了泵可以長時間運行，并且對于兩電極系統(tǒng)來說，不會有氫飽和 (導(dǎo)致氣泡形成)，對于三個或更多電極的系統(tǒng)來說，長時期沒有氣泡。雖然現(xiàn)有技術(shù)已提出采用兩電極的再生方案，但該方法不補(bǔ)償調(diào)節(jié)泵送速率需要的隨時間的電壓變化，并且也不補(bǔ)償隨時間推移的電流-電壓關(guān)系的變化(由于流體的變化或泵性質(zhì)的變化，例如電極和其他材料的長期劣化)。這強(qiáng)烈地限制了基于在兩個方向上相等時間內(nèi)施加相等電壓的已知方法。三個(或以上)電極系統(tǒng)也具有不會隨時間推移在電極上緩慢積聚氫的新特征， 因此該系統(tǒng)將具有長得多的無氣泡壽命，并且電極也會使用得更久。此外，不需要反轉(zhuǎn)流向以再生電極。兩電極系統(tǒng)的優(yōu)點是，電流可以主要由從一個電極移除并被另一電極吸收的氫離子傳輸。在較短的初始?xì)湓偕谥?，除氫之外的其他氣體在負(fù)電極處的形成(通常，對于水溶液來說為O2，對于醇溶液來說為CO2)也會被抑制。對于某些液體，這可能是重要的，但在其它情況下，這不會帶來優(yōu)點，因為其他氣體可以溶解在液體中(例如，甲醇和乙醇具有較大的ω2吸收能力，同時具有小得多的H2吸收能力)。無氣泡電極對于包括芯片上的實驗室、微全分析系統(tǒng)、微燃料電池等在內(nèi)的微流體裝置具有很大優(yōu)點，因為即使很小的氣泡也可以阻塞這類裝置的流體通道并且中斷其操作。泵應(yīng)該適合所有類型的電滲透/動電微泵。此外，它應(yīng)該適合需要電極的所有類型的微流體裝置和處理，包括電泳、雙極電泳、色譜技術(shù)、介電泳。電極可用于氣泡的形成可能是問題的所有類型的裝置中。這不限于微流體裝置， 也可以用于更小(納米流體)和更大的裝置。至少在優(yōu)選實施例中，再生操作被控制為通過以下方式再生第二電極經(jīng)由第二電極轉(zhuǎn)移與在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間測量的量相等的電荷量，以使得從第二電極移除離子，從而再生該電極。
權(quán)利要求
1.一種用于利用電場在液體或凝膠中引發(fā)帶電粒子的運動的設(shè)備，所述設(shè)備包括將在其中引發(fā)所述運動的區(qū)域；第一和第二電極，所述第一和第二電極用于在所述區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生所述電場，從而電流流過所述電極之間，以引發(fā)所述帶電粒子運動并使得離子在所述第二電極處被接收；測量裝置，所述測量裝置被布置用于測量在所引發(fā)的帶電粒子運動操作期間在所述第一和第二電極之間轉(zhuǎn)移的電荷量，所述測量裝置能夠考慮在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間的任何電流或電壓變化；和控制裝置，所述控制裝置被布置用于控制再生操作，以通過以下方式對所述第二電極進(jìn)行再生經(jīng)由所述第二電極轉(zhuǎn)移與所測量的量大致相等的電荷量，使得從所述第二電極移除離子，從而再生所述電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被布置用于在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間可通過改變施加到所述第一和第二電極的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中，所述控制裝置被布置用于通過在所述第一和第二電極之間進(jìn)行電流反向來控制所述再生操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述控制裝置被布置用于控制所述再生操作，使得所述再生操作在比引發(fā)的帶電粒子運動操作更長的時段上進(jìn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的設(shè)備，其中，所述控制裝置被布置用于自動地將所述設(shè)備從引發(fā)的帶電粒子運動操作切換至所述再生操作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，包括第三電極，并且其中，所述控制裝置被布置用于通過使電流在所述第二電極和第三電極之間流動來控制所述再生操作。
7.一種利用電場在液體或凝膠中引發(fā)帶電粒子的運動的方法，所述方法包括在第一和第二電極上施加電壓以產(chǎn)生所述電場，從而電流在所述電極之間流過，以引發(fā)帶電粒子運動并使得離子在所述第二電極處被接收；測量在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間在所述第一和第二電極之間轉(zhuǎn)移的電荷量，同時考慮在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間的任何電流或電壓變化；以及控制再生操作，所述再生操作通過以下方式對所述第二電極進(jìn)行再生經(jīng)由所述第二電極轉(zhuǎn)移與所測量的量大致相等的電荷量，以使得從所述第二電極移除離子，從而再生所述電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，包括在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間改變施加到所述第一和第二電極的電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，包括通過在所述第一和第二電極之間進(jìn)行電流反向來控制再生操作。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，包括控制所述再生操作，使得所述再生操作在比引發(fā)的帶電粒子運動操作更長的時段上進(jìn)行。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，包括自動地將所述設(shè)備從引發(fā)的帶電粒子運動操作切換到所述再生操作。
12.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，包括通過使電流在所述第二電極和第三電極之間流過來控制所述再生操作。
13.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，包括使用測量的電荷數(shù)據(jù)，以通過以下方式來控制所述再生操作，其中，所述電荷數(shù)據(jù)涉及經(jīng)測量的在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間在所述第一和第二電極之間所轉(zhuǎn)移的電荷的量在所述第一和第二電極之間進(jìn)行電流反向；或使電流在所述第二電極和第三電極之間流過。
14.一種用于利用電場在液體或凝膠中引發(fā)帶電粒子的運動的設(shè)備，所述設(shè)備包括將在其中引發(fā)所述運動的區(qū)域；第一和第二電極，所述第一和第二電極被布置為在所述區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電場，從而電流在所述電極之間流過，以引發(fā)所述帶電粒子運動并使得離子在所述第二電極處被接收；和第三電極，所述第三電極被布置用于通過使電流在所述第二電極和所述第三電極之間流過以使得從所述第二電極移除離子來對所述第二電極進(jìn)行再生。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，所述設(shè)備被布置成使得所述再生操作與引發(fā)的帶電粒子運動操作同時進(jìn)行。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的設(shè)備，包括被布置為測量在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間在所述第一和第二電極之間轉(zhuǎn)移的電荷量的測量裝置，所述測量裝置能夠考慮在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間的任何電流或電壓變化。
17.根據(jù)權(quán)利要求14、15或16所述的設(shè)備，包括用于控制用來再生所述第二電極的再生操作的控制裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述控制裝置通過經(jīng)由所述第二電極轉(zhuǎn)移與所測量的量大致相等的電荷量來控制所述再生操作，以便對所述第二電極進(jìn)行再生。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的設(shè)備，當(dāng)從屬于權(quán)利要求16時，其中，所述測量裝置被布置用于測量在所述第一和第二電極之間流過的電流，并且其中，所述控制裝置被布置用于在任何給定的時間使得相等的電流在所述第二和第三電極之間流過。
20.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求14至19中的任一項所述的設(shè)備，其中，將在其中引發(fā)帶電粒子運動的所述區(qū)域包含在通道內(nèi)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中，所述第三電極設(shè)置在與所述通道隔開的腔室內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中，所述腔室具有排氣口以允許氣體從中逸出。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的設(shè)備，其中，所述第二電極具有在所述通道內(nèi)暴露于液體或凝膠的部分和暴露于所述腔室的內(nèi)部的部分。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中，所述第三電極設(shè)置在所述通道內(nèi)。
25.根據(jù)權(quán)利要求20至M中的任一項所述的設(shè)備，其中，所述第二電極橫跨或部分地橫跨所述通道延伸。
26.根據(jù)權(quán)利要求20至25中的任一項所述的設(shè)備，其中，所述第二電極形成限定所述通道的壁的一部分。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的設(shè)備，其中，所述通道形成有彎曲，并且所述第二電極或其一部分設(shè)置在所述彎曲的外部。
28.根據(jù)權(quán)利要求20至27中的任一項所述的設(shè)備，包括在所述通道內(nèi)在所述第一和第二電極之間的中間電極。
29.根據(jù)權(quán)利要求14至觀中的任一項所述的設(shè)備，所述設(shè)備被布置成使得從所述第二電極傳遞到所述第三電極的材料在所述第三電極處釋放并被允許離開所述設(shè)備。
30.根據(jù)權(quán)利要求四所述的設(shè)備，其中所述材料為氫。
31.根據(jù)權(quán)利要求14至30中的任一項所述的設(shè)備，所述設(shè)備被布置成使得在使用中所述第二電極的電勢在所述第一電極的電勢和所述第三電極的電勢之間。
32.根據(jù)權(quán)利要求14至31中的任一項所述的設(shè)備，其中，所述第三電極由不具有顯著氫吸收能力的惰性材料制成。
33.一種利用電場在液體或凝膠中引發(fā)帶電粒子的運動的方法，所述方法包括在第一和第二電極上施加電壓以產(chǎn)生所述電場，從而電流在所述電極之間流過，以引發(fā)帶電粒子運動并使得離子在所述第二電極處被接收；以及通過使電流在所述第二電極和第三電極之間流過以使得從所述第二電極移除離子來對所述第二電極進(jìn)行再生。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，所述再生操作與引發(fā)的帶電粒子運動操作同時進(jìn)行。
35.根據(jù)權(quán)利要求33或34所述的方法，包括測量在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間在所述第一和第二電極之間轉(zhuǎn)移的電荷量，所述測量考慮了在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間的任何電流或電壓的變化。
36.根據(jù)權(quán)利要求33、34或35所述的方法，包括控制用于再生所述第二電極的再生操作。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其中，通過經(jīng)由所述第二電極轉(zhuǎn)移與所測量的量大致相等的電荷量來控制所述再生操作，以便對所述第二電極進(jìn)行再生。
38.根據(jù)權(quán)利要求36或37所述的方法，當(dāng)從屬于權(quán)利要求35時，包括測量在所述第一和第二電極之間流過的電流，以及通過在任何給定的時間使得相等的電流在所述第二和第三電極之間流過來控制所述再生操作。
39.根據(jù)權(quán)利要求33至38中的任一項所述的方法，包括在所述第三電極處釋放從所述第二電極傳遞到所述第三電極的材料。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述材料為氫。
41.根據(jù)權(quán)利要求33至40中的任一項所述的方法，包括將所述第二電極的電勢設(shè)置在所述第一電極的電勢和所述第三電極的電勢之間。
42.根據(jù)權(quán)利要求33至41中的任一項所述的方法，其中，所述第三電極由不具有顯著氫吸收能力的惰性材料制成。
43.根據(jù)權(quán)利要求1至6或14至32中的任一項所述的設(shè)備，所述設(shè)備被布置用于作為在其中產(chǎn)生液體移動的泵或混合器來操作。
44.根據(jù)權(quán)利要求1至6或14至32中的任一項所述的設(shè)備，所述設(shè)備被布置用于進(jìn)行動電處理。
45.根據(jù)權(quán)利要求1至6或14至32中的任一項所述的設(shè)備，所述設(shè)備被布置用于進(jìn)行電化學(xué)處理。
46.根據(jù)權(quán)利要求1至6或14至32中的任一項所述的設(shè)備，所述設(shè)備為微流體或納米流體裝置。
47.根據(jù)權(quán)利要求1至6或14至32中的任一項所述的設(shè)備，所述設(shè)備為用于分析或合成的實驗室裝置。
全文摘要
一種用于利用電場在液體或凝膠中引發(fā)帶電粒子的運動的設(shè)備，所述設(shè)備包括將在其中引發(fā)運動的區(qū)域；第一和第二電極(1，2)，所述第一和第二電極用于在區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電場，從而電流在所述電極(1，2)之間流過，以引發(fā)帶電粒子運動并使得離子在所述第二電極處被接收；測量裝置(7)，所述測量裝置被布置用于測量在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間在第一和第二電極(1，2)之間轉(zhuǎn)移的電荷量，所述測量裝置(7)能夠考慮在引發(fā)的帶電粒子運動操作期間的任何電流或電壓的變化；和控制裝置(20)，所述控制裝置用于控制再生操作，以通過以下方式對所述第二電極(2)進(jìn)行再生經(jīng)由所述第二電極轉(zhuǎn)移與所測量的量大致相等的電荷量，使得從第二電極(2)移除離子，從而再生電極。
文檔編號F04B19/00GK102428274SQ201080017713
公開日2012年4月25日 申請日期2010年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月24日
發(fā)明者托爾莫德·沃爾戴恩, 特朗德·海爾達(dá)爾 申請人:奧斯莫泰克斯股份有限公司