离子-颜色控制的电泳显示装置 【技术领域】
本发明涉及一种离子-颜色控制的电泳显示装置。背景技术
电泳是描述分散在电泳溶液中带有电荷的质点沿着电场的方向进行运动的现象。这个电泳系统是由电极，电泳池，电解质溶液，支持物组成的。没有支持物的电泳系统是自由电泳系统。采用电泳方法用于图像和文字的显示已经历经数十年并且做过多方面的研究。通常所用的电泳显示方法是在电场的作用下，将用于图像和文字显示的材料直接沿电场的方向运动而进行显示的(Ota et al 1973；Dalisa，1977)。这种电泳显示方法通常用电泳池或者微囊(密封的微型电泳池)地方法进行显示美国专利6,323,989；5,914,805；5,754,332；5,604,027中都有过揭示。这种显示方式是电泳直接驱动显示法。这种显示方法一直用于复写(复印)技术和图像显示技术。特别是受湿法复印技术的影响，电泳显示方一直采用这种电泳直接驱动显示方法进行图像显示。因此，目前在这种离子-颜色控制的电泳显示装置中所用的显示材料都带有正电荷或者负电荷。所用的显示材料是一种颜色或是两种不同颜色的显示材料。相同颜色的显示材料带有同样的电荷。两种不同颜色的显示材料其中一种带有正电荷而另一种带有负电荷。显示电极至少有一个电极是透明的。由于两个电极间距离或者电泳池的厚度是在微米级，电泳溶液中加入一些染料用于隐蔽显示材料，称为背景染料。对于仅用一种显示材料的显示系统，当两侧电极上加上相反的电压时，其显示材料便向远离显示屏幕的方向运动，显示屏幕只出现背景染料的颜色。当用两种显示材料进行图像显示时，随着电场方向的改变，显示材料进行互换显示，即一种显示材料远离显示屏幕，而另一带相反电荷和颜色的显示材料则移向显示屏幕(Comiskeyet al，1998；6,323,989；5,604,027)。进行一种颜色或者两种颜色显示，这种电泳直接驱动的方式是足以胜任的。但是，由于带电荷的质粒沿着电场朝一个方向运动，所以在一个显示面上难于进行两种以上颜色的显示。这是困扰电泳技术用于彩色显示的原因之一(美国专利6,323,989；6,067,185；6,327,072；4,891,245；4,833,464；5,754,332)。发明内容
本发明的目的是实现一种离子-颜色控制的电泳显示装置，通过该装置进行彩色颜色显示不仅应答反应快，而且反差大，视角宽，适用于图像和文字显示。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案，这种离子-颜色控制的电泳显示装置包括有电极、电泳池，在电泳池中具有进行颜色和图像显示的显示材料，和采用电场直接驱动、用于控制所述显示材料进行颜色和图像显示的离子化的物质。
本发明的离子-颜色控制的电泳显示装置其显著特点是不用电场直接驱动用于进行图像显示所用的显示材料，而是在电场的作用下驱动用于控制显示材料进行显示的非显示物质。通过控制这些非显示物质的浓度而控制显示材料的颜色变化达到进行图像文字显示的。这是与通常所用的电泳显示方法截然不同的。与通常的电泳显示方法相比，这种借助电场驱动控制物质而达到颜色显示的方法是一种间接式的电泳驱动显示方法。
在本发明的离子-颜色控制的电泳显示装置中，所述的控制显示材料的离子化物质为可以离子化的无机物、或可以离子化的有机物、或可以离子化的高分子类化合物，可以离子化的无机物是无机酸中的一种或几种、或无机碱中的一种或几种、或无机盐中的一种或几种；可以离子化的有机物是有机酸中的一种或几种、或有机碱中的一种或几种、或有机酸和有机碱的盐类化合物；可以离子化高分子类化合物例如有天然高分子化合物、或合成的高分子化合物，天然高分子化合物包括有纤维素、多糖类、脂肪酸类、蛋白质和核酸中的一种或几种；合成的高分子化合物例如有聚丙烯酸、聚赖氨酸、聚精氨酸、聚谷氨酸和聚天门冬氨酸中的一种或几种，所述的控制显示材料的离子化物质或是以游离的方式于电泳溶液中，或是被固化在支持物上，这里所说的固化包括通过化学键的方式偶联在支持物上或者是截留在支持物内。
在本发明的离子-颜色控制的电泳显示装置中，所述的显示材料包括有酸碱指示剂类化合物、荧光指示剂类化合物、染料、色素和高分子发色化合物中的一种或几种，所述的显示材料或是以游离的方式于电泳溶液中，或是被固化在支持物上，这里所说的固化包括通过化学键的方式偶联在支持物上或者是截留在支持物内。
在本发明的离子-颜色控制的电泳显示装置中，所述的显示材料中的化合物为两种或两种以上时，它们的重量比例或是均一的，或是非均一的。
在本发明的离子-颜色控制的电泳显示装置中，所述的显示材料为荧光指示剂类化合物，并配备有一个对应的紫外光源系统。
在本发明的离子-颜色控制的电泳显示装置中，所述的电泳池中的显示材料和控制显示材料的离子化物质在表观上或是液体式，或是液体-固体式，或是固体式，固体式并包括微囊、微球系统，所述的显示材料和控制显示材料的离子化的物质所组成的电泳溶液或是水溶性，或是非水溶性，或是二者混溶性。
在本发明的离子-颜色控制的电泳显示装置中，所述的用于固化显示材料和控制显示材料的离子化的物质的固化材料或是纤维素高分子材料、或是凝胶类高分子材料、或是树脂类高分子材料、或是塑料类高分子材料，但是，不限于这些材料。
在本发明的离子-颜色控制的电泳显示装置中，所述的电极的材料或是金属材料、或是无机透明导电材料、或是有机透明导电材料，所述的电极或是一个电极、或是两个电极是透明的，所述的电极上的驱动电压或是交流、或是直流的。
在本发明的离子-颜色控制的电泳显示装置中，所述的显示材料和控制显示材料的离子化的物质所组成的显示层和电极之间设有电解质层，电解质层或是电桥、或是导电层，电解质层或是无机物、或是有机物、或是高分子、或是它们的混合物所构成。
在本发明的离子-颜色控制的电泳显示装置中，所述的离子-颜色控制的电泳显示装置或是固定式、或是折叠式的。
本发明的电泳显示方法与阴极射线管的显示机理有其相似之处。阴极射线管的显示材料是由特殊的添加剂和高纯度的磷组成的。在电子束的打击下，磷将电子的能量转换为可见光的辐射而进行显示的，即有一个由电子-可见光的转换过程。本发明是用离子控制显示材料的发色基团的颜色变化而进行显示的，即有一个由离子-发色团的转换过程。
这些用于控制显示材料进行显示用的物质主要是可以离子化的化合物，包括无机类，有机类和高分子化合物，无机类化合物例如盐酸，硫酸，硫酸钠，氯化钠，氢氧化钠，氢氧化钾，但是不限于这些化合物。有机类化合物为有机酸，有机碱和可以离子化的化合物例如乙酸，丙酸，乙二胺，三乙胺，乙醇，丙醇，乙醇钠，乙酸钠，草酸钾，丙氨酸，丙氨酸钠，甘氨酸，但是不限于这些化合物。高分子化合物例如带离子基团的纤维素类，凝胶类和树脂类。两性电解质如天然产物氨基酸，蛋白质类；合成的两性电解质。但是不限于这些化合物。在一个显示系统中，控制显示材料用的离子化物质可以是一种也可以是两种或两种以上的离子化合物。
本发明的另一特点是所用的显示材料是对离子浓度变化敏感的物质。例如酸碱指示剂，荧光指示剂，氧化还原指示剂类化合物，染料，色素和高分子化合物等。这些化合物通常是由化学键偶联方法固化在支持物上或者非化学偶联的方法固化在支持内。与这些显示材料与控制材料相比，未经进一步处理的显示用的化合物，在自由电泳中，应该在电场的作用下是不移动或者是移动非常有限。这些显示材料的颜色变化取决于电泳系统溶液中的离子浓度。在一个显示系统中，所用的显示材料可以是单一的显示材料，也可以是两种或者两种以上的显示材料。因而，这种显示装置是基于单一显示用的化合物或者多种显示材料的混合物在分子水平进行颜色显示的。
控制显示材料的离子化的物质，可以是可以离子化的无机物、或可以离子化的有机物、或可以离子化的高分子化合物。
可以离子化的无机物主要是以酸，碱和盐类化合物。在水溶液或非水溶液中，这些化合物的解离度不同，以离子对的形式存在。请见在CRCHANDBOOK OF CHEMISTRY AND PHYSICS(71ST EDITION1990-1991，David R。Lide)中可以离子化的化合物(4。41-4。119页)。
可以离子化的无机物主要是有机酸，有机碱和它们的盐类化合物。在水溶液或非水溶液中，这些化合物的解离度不同，以离子对的形式存在。请见在CRC HANDBOOK OF CHEMISTRY AND PHYSICS(71STEDITION 1990-1991，David R。Lide)中可以离子化的化合物(3。12-3。552页)。
可以离子化的高分子类化合物来源于自然界和合成的大分子化合物。自然界中的高分子化合物如纤维素，多糖类，脂肪酸类，蛋白质和核酸等。肽和蛋白质是具有的氨基和羧基(-COOH)的离子化合物。例如，H+离子会从这些大分子中游离到溶液中作为控制物质。纤维素经过化学修饰成为阴离子纤维素或阳离子纤维素的离子交换树脂可以作为控制物质。例如，羧甲基纤维素，磺酸乙基纤维素和DEAE纤维素。这类高分子类物质请见SIGMA公司产品目录。合成的高分子化合物的具有阴离子和阳离子基团时，可以作为控制物质。如聚丙烯酸，聚赖氨酸，聚精
氨酸，聚谷氨酸和聚天门冬氨酸。合成的高分子物质如没有阴离子和阳离子基团(CRC HANDBOOK OF CHEMISTRY AND PHYSICS，71ST EDITION1990-1991，David R。Lide，13。1-13。12页)，经修饰后具有阴离子和阳离子基团，也可以作为控制物质。以葡聚糖，右旋糖甘制成阴阳离子交换树脂和
聚苯乙烯的H+型，Na+型，Cl-型的离子交换树脂最有代表性。这类高分子类物质请见SIGMA和ALDRICH公司产品目录。
总之，无论是无机物，有机物和高分子化合物，只要是具有离子化合物的属性，即可以作为控制物质。这是因为显示物质的显示状态是由溶液中的阴阳离子而制约。
可以离子化的有机化合物，可以离子化的无机化合物和可以离子化的高分子类化合物是即可以单独使用也可以联合(混合)使用。这是由显示材料所要求的。离子的体积小而带电荷多在电场中的泳动快，因而就会加快显示材料的颜色变化。联合使用不同的控制材料主要是用于多种颜色显示，即用不同的驱动电压控制不同大小的离子泳动，而在局部实现不同的离子浓度，达到多种颜色显示。
控制物质联合使用是与所用的驱动电压同时考虑的，例如，为了在同一微环境形成不同的离子浓度时(即不同的酸碱值时)，在一给定的驱动电压下和作用时间时，让一部分快动离子先到达这一微环境，形成一个特定酸碱区间。当用另一驱动电压和作用时间时，使慢速离子也到达这一微环境，这样，就会在同一位置出现不同的酸碱值，使显示材料处于不同的发色状态。例如，以丙醇钠或者钠型的树脂作为钠离子的来源，这些钠离子就是快离子。游离的乙基，丙基的叔胺或季胺安就作为慢离子。
可以离子化的有机化合物，可以离子化的无机化合物和可以离子化的高分子类化合物是即可以单独使用也可以联合(混合)使用，使用时，要考虑驱动电压和作用时间，具体实例见表1。
美国的4,029,598号专利详细的介绍了不脱色的酸碱指示剂和颜料，共有57种化合物。同时，也介绍了一些染料的基本结构和由此可以派生出的衍生物。这些指示剂可以作为显示材料。表2中是三种不同的酸碱指示剂混合后的变色范围和颜色变化。LANGE’S HANDBOOK OFCHEMISTRY，13TH EDITION，1985中也对许多酸碱指示剂和荧光酸碱指示剂作了介绍，请参阅(5，109-5，116页)。这也包括出现在SIGMA和ALDRICH公司产品目录中现有酸碱指示剂和荧光酸碱指示剂。在HANDBOOK OF FLUORESCENT PROBES AND RESEARCHCHEMICALS BY RICHARD P。HAUGLAND 6TH EDITION中也对荧光酸碱类指示剂作了描述。表1控制物质类型 控制物质驱动电压区域离子浓度单一化合物 氢氧化钠 醋酸 辛酸 丙二胺 硫酸钠 硫酸镁 醋酸钠 醋酸锂 丙酸钾 乙醇钠 丁醇钠 甘氨酸 谷氨酸 天门冬氨酸 胆酸 去氧胆酸 N-月桂酰肌氨酸 (N-Lauroylsarcosine) 烷基三甲基溴化铵 (Alkyltrimethylammoniu m bromides) 苯二甲基十四烷基氯化 铵 (Benzyldimethyltetradec ylammonium Chloride)一种驱动电压或多种驱动电压和驱动时间离子浓度决定于所用的一种阳离子或阴离子。 十六烷基二甲基乙基胺 溴 (Cetyldimetheylethyla mmonium Bromide) 3-((3-胆胺丙基)二甲 基胺)-2-氢氧-1-丙烷磺 酸 (CHAPSO) 卵磷脂 (Phosphatidylcholine) N-十四烷基-N，N-二甲 基-3-胺-丙烷磺酸 (N-Tetradecyl-N，N-dime thyl-3-ammonio-1-propan esilfonate) 聚赖氨酸 聚谷氨酸 氨基酸随机聚合物 CM甲基纤维素 CM葡聚糖 磺酸基聚苯乙烯 二乙基胺乙基葡聚糖 氯离子型聚苯乙烯两种化合物硫酸氨+三乙基胺 丙醇钠+三乙基胺 乙酸钠+十二烷基磺酸 钠乙酸钠+聚谷氨酸(钠或 钾盐)丙醇钠+聚谷氨酸(钠或 钾盐)丙酸钠+CM基纤维素 (钠)乙酸钠+CM葡聚糖(钠)丙醇钠+CM基纤维素 (钠)乙二酸钠+CM基纤维素 (钠)一种驱动电压或多种驱动电压和驱动时间局部的阴离子和阳离子的浓度是从两种化合物中相应离子形成的。多种化合物硫酸氨+乙胺+三 甲基丙胺 乙酸钠+丁基磺酸钠+钠型磺酸 聚苯乙烯乙酸钠+丁二酸钠+己二磺酸钠硫酸镁+乙二胺+三 甲基丙胺乙酸胺+三甲基胺+二乙基胺乙基葡聚糖甘氨酸钠+丁二酸钠+乙 胺+丙基-三甲基胺一种驱动电压或多种驱动电压和驱动时间区域的离子浓度由多种化合物中的阳离子或阴离子来决定。表2变色范围pH化学命名混合比例(重量比)颜色变化0-74-苯胺基-3’-HSS-偶氮苯-6’-羧酸(4-Anilino-3’-HSS-azobenene-6’-carboxylic acid)2-(2-硫-4，6-偶氮苯)-6-(N-甲基-HSS-酰氨基-)-1-萘酚-3-磺酸(2-(2-sulfo-4，6-dinitrophenylazo)-6-(N-methyl-HSS-amido-)-1-naththol-3-sulfonic acid)4-9N甲基-HSS-酰氨基)-2’-二甲氨基-偶氮苯-6’-磺酸(4-9N-Methyl-HSS-amido)-2’-dimethylamino-azobenzene-6’-sulfonic acid)1∶1∶3紫红色-黄色-绿色0-74-苯胺基-3’-HSS-偶氮苯-6’-羧酸(4-Anilino-3’-HSS-azobenene-6’-carboxylic acid)2-(2，4-二硝基-苯偶氮基-6-(N-甲基-HSS-酰氨基)-1-萘酚-3-磺酸(2-(2，4-dinitro-phenylazo-6-(N-methyl-HSS-amido)-1-naphthol-3-sulfonic acidnaphthol)4-9-甲基-HSS-酰氨基)-2’-二甲氨基-偶氮苯-6’-磺酸(4-9N-Methyl-HSS-amido)-2’-dimethylamino-azobenzene-6’-sulfonic acid)1∶1∶3紫红色-黄色-蓝色4-102-(2，4-二硝基-苯偶氮基-6-(N-甲基-HSS-酰氨基)-1-萘酚-3-磺酸(2-(2，4-dinitro-phenylazo-6-(N-methyl-HSS-amido)-1-naphthol-3-sulfonic acid)2-(2-硝基-4-HSS-苯偶氮基)-1萘酚-3-6-二磺酸(2-(2-Nitro-4-HSS-phenylazo)-1-naphthol-3，6-disulfonic acid2-(4-羟基萘基-1-偶氮)4-HSS-苯磺酸2-(4-Hydroxynaphthyl-1-azo)-4-HSS-benzenesulfonic acid)2∶2∶1黄色-绿色-紫红色4-102-(2-硝基-4-HSS-苯偶氮基)-1-萘酚-3，6-二磺酸2-(2-Nitro-4-HSS-phenylazo)-1-naphthol-3，6-disulfonic acid2-(2-硝基-4-HSS-苯偶氮基)-1-萘酚-3-磺酸2-(2-Nitro-4-HSS-phenylazo)-1-naphthol-3-sulfonic acid2-(4-羟基萘基-1-偶氮)-4-HSS-苯磺酸2-(4-Hydroxynaphthyl-1-azo)-4-HSS-benzenesulfonic acid 1.4∶1∶ 2.6黄色-棕色-红色9-141-(2-氯-5-HSS-苯偶氮基)-2-萘酚-3，6-二磺酸(1-(2-Chloro-5-HSS-phenylazo)-2-naphthol-3，6-disulfonic acid)2-(4-羟基萘基-1-偶氮)-4-HSS-苯磺酸(2-(4-Hydroxynaphthyl-1-azo)-4-HSS-benzenesulfonic acid)1-(2-硝基-4-HSS-苯偶氮基)-2-萘酚-7-磺酸(1-(2-Nitro-4-HSS-phenylazo)-2-naphthol-7-sulfonic acid)1-(2-硝基-4-HSS-苯偶氮基)-2-萘酚-6，8-二磺酸(1-(2-Nitro-4-HSS-phenylazo)-2-naphthol-6，8-disulfonic acid)2.5∶1∶5.5∶黄色-红色-紫红色
本发明所使用的酸碱类指示剂、混合酸碱指示剂、荧光类酸碱指示剂的变色范围、变色范围见下列各表。
酸碱类指示剂：指示剂 变色范围 (pH) 变色范围甲基紫(Methyl violet) 0.0-1.6 黄色-蓝色乙基紫(Ethyl violet) 0.0-2.4 黄色-蓝色铜绿(Malachite Green) 0.2-1.8 黄色-绿色甲基绿(Methyl Green) 0.2-1.8 黄色-蓝色喹哪啶红(Quinaldine Red) 1.0-2.2 无色-红色对甲基红(Paramethyl Red) 1.0-3.0 红色-黄色间胺黄(Metanil Yellow) 1.2-2.4 红色-黄色4-偶氮苯二苯胺(4-pbenylazodiphenylamine) 1.2-2.6 红色-黄色甲酚紫(Metacresol purple) 1.2-2.8 红色-黄色赤藓红二钠盐(Erythrosine，disodiumsalt) 2.2-3.6 橙色-红色苯酰紫48(Bensopurpurine 48) 2.2-4.2 紫色-红色溴酚蓝(Bromophenol Blue) 3.0-4.6 黄色-蓝色2，4-二硝基酚(2，4-Dinitrophenol) 2.8-4.0 无色-黄色对-二甲基氨偶氮苯(p-Dimethylaminoazobenzene) 2.8-4.4 红色-黄色刚果红(Congo Red) 3.0-5.0 蓝色-红色甲基橙(Methyl Orange) 3.2-4.4 红色-黄色乙基橙(Ethyl Orange) 3.4-4.8 红色-黄色溴酚绿(Bromocresol Green) 3.8-5.4 黄色-蓝色刃天青(Resazurin) 3.8-6.4 橙色-紫色4-苯偶氮-1-萘酚氨(4-Phenylazo-1-naphthylamine) 3.5-4.8 红色-黄色乙基红(Ethyl red) 4.0-5.8 无色-红色石蕊(Lacmoid) 4.4-6.2 红色-蓝色茜素红(S Alizarin Red S) 4.6-6.0 黄色-红色甲基红(Methyl Red) 4.8-6.0 红色-黄色丙基红(Propyl Red) 4.8-6.6 红色-黄色溴酚红(Bromocresol Purple) 5.2-6.8 黄色-紫色氯酚红(Chlorophenol Red) 5.2-6.8 黄色-红色对-硝基酚(p-Nitrophenol) 5.4-6.6 无色-黄色茜素(Alizarin) 5.6-7.2 11.0-12.4 黄色-红色 红色-紫色2-(2，4-二硝基苯偶氮)-1-萘醇-3-6-二磺酸，二钠盐(2-(2，4-Dinitrophenylazo)-1-naphthol-3-6-disulfonic acid，di-Na salt) 6.0-7.0 黄色-蓝色间-二硝基苯亚脲(m-Dinitrobenzoylene Urea) 6.4-8.0 无色-黄色亮黄(Brilliant Yellow) 6.6-7.8 黄色-橙色酚硫基萘酚(Phenolsulfonephthalein) 6.6-8.0 黄色-红色中性红(Neutral Red) 6.8-8.0 红色-黄色甲酚红(Cresol Red) 0.0-1.0 7.0-8.8 红色-黄色 黄色-红色1，7-双(4-氢氧-3-甲氧基苯)-1，6-二庚烷-3，5-二酮(Curumin) 7.4-8.6 黄色-红色间-硝基酚(m-Nitrophenol) 6.8-8.6 无色-黄色甲酚紫(Metacresol Purple) 1.2-2.8 7.4-9.0 红色-黄色 黄色-紫色4，4’-双(4-氨-1-萘酚)2，2’-二苯乙烯二磺酸(4，4’-Bis(4-amino-l-naththylazo)2，2’stilbene disulfonic acid) 8.0-9.0 蓝色-红色邻-甲酚酞(O-Cresolphthalein) 8.2-9.8 无色-红色对-萘苯(p-Naphtholbenzene) 8.2-10.0 橙色-蓝色酚酞(Phenolphthalein) 8.2-10.0 无色-粉红色乙基-叉(2，4-二甲基酚)乙酸乙脂(Ethyl-bis(2，4-dimethylphenyl)acetate) 8.4-9.6 无色-蓝色百里酚酞(Thymolphthalein) 9.4-10.6 无色-蓝色茜素黄R(Alizarin Yellow R) 10.1-12.0 黄色-红色5，5-靛蓝磺酸二钠盐(5，5-Indigodisulfonic acid，di-Na-salt) 11.4-12.6 黄色-橙色2，4，6-三硝基甲苯(2，4，6-Trinitrotoluene) 11.4-13.0 无色-橙色1，3，5-三硝基苯(1，3，5-Trinitrobenzene) 12.0-14.0 无色-橙色克莱顿黄(Clayton Yellow) 12.2-13.2 黄色-琥玻色混合酸碱指示剂1份乙醇溶的0.2％甲基红1份乙醇溶的0.1％亚甲基绿5.2-5.6红紫-蓝色-绿色1份水溶的0.1％溴甲酚绿1份水溶的0.1％氯酚红钠盐5.4-6.8黄绿-蓝色-紫红色1份乙醇溶的0.1％α-∈酚呔3份乙醇溶的0.1％酚呔8.6-9.0玫瑰色-绿色-紫色1份乙醇溶的0.1％麝香草酚3份乙醇溶的0.1％酚呔8.8-9.2黄色-绿色-紫红色
高分子类酸碱指示剂通常是在高分子化合物上经共价键偶联酸碱指示剂制备的。常用的酸碱指示试纸是典型的这类化合物。但是高分子化合物自身也是对酸碱离子敏感，有颜色变化。例如磺酸化的聚苯乙烯-丙烯酸复合物在酸性条件下是黄色，而
在碱性条件下是紫红色。
荧光类酸碱指示剂：指示剂 变色范围 (pH)颜色变化七叶甘(Esculin) 1.5-2.0无色-蓝色4-乙氧基吖啶酮(4-Ethoxyacridone) 1.2-3.2绿色-蓝色3，6-四甲基二胺基蒽酚(3，6-tetramethyldiaminooxanthone) 1.2-3.4绿色-蓝色荧光素(Fluorescein) 4.0-4.5无色-绿色萘红(Magdala Red) 3.0-4.0无色-蓝色α-萘酚氨(α-Naphthylamine) 3.4-4.8无色-蓝色β-萘酚氨(β-Naphthylamine) 2.8-4.4无色-紫色焰红染料(Phloxine) 3.4-5.0无色-亮黄水杨酸(Salicylic acid) 2.5-3.5无色-蓝色吖啶(Acridine) 4.9-5.1绿色-紫色二氯荧光素(Dichlorofluorescein) 4.0-5.0无色-绿色赤藓红(Erythrosine) 4.0-4.5无色-黄绿试卤灵(Resorufin) 4.4-6.4黄色-橙色喹咛酸(Quininic acid) 4.4-5.0黄色-蓝色香豆酸(Coumaric acid) 5.8-8.2无色-绿色香豆素酸(Orcinaurine) 6.5-8.0无色-绿色特许磷氢化合物(Patent Phosphine) 6.0-7.0绿色-黄色硫代丫黄酚(Thiofiavine) 6.5-7.0黄色吖啶橙(Acridine Orange) 8.4-10.0橙色-绿色萘并砒咯衍生物(Naphthazolderivatives) 8.2-10.0无色-黄绿色α-α-萘磺酸(α-α-Naphtholsulfonicacid) 8.0-9.0蓝色-绿色α-萘酚酸(α-Naphthionic acid) 9.0-11.0蓝色-紫色β-萘酚(β--Naphthol) ＞8.6无色-蓝色曙红BN(Eosine BN) 10.5-14.0无色-黄色SS-酸(钠盐)(SS-Acid(sodium salt)) 10.0-12.0紫色-黄色
荧光高分子化合物指示剂也是通过共价键将荧光酸碱指示剂与高分子化合物偶联一起。如荧光素(Fluorescein)连接在蛋白质或聚苯乙烯微球作为酸碱指示剂。附图说明
图1为离子-颜色控制的电泳显示装置示意图
图2为另一种离子-颜色控制的电泳显示装置示意图
图3为液体式的离子-颜色控制的电泳显示装置示意图
图4为液体一固体式的离子-颜色控制的电泳显示装置示意图
图5为固体式的离子-颜色控制的电泳显示装置示意图
图6为离子-颜色控制的电泳显示装置的显示不同颜色的示意图
图7为离子-颜色控制的电泳显示装置进行电泳颜色显示的示意图具体实施方式
图8为图7中离子-颜色控制的电泳显示装置的导电层的侧视图
图9为图7中离子-颜色控制的电泳显示装置的导电层的主视图具体实施方式
本发明的电泳显示原理如图1所示。这是一个典型的离子-颜色控制的电泳显示装置示意图。在电泳池的两侧，平行各配置一副电极10。至少其中一个电极是透明的。电泳显示材料11，12分布在电泳池内。本系统中的显示材料是固化的，因此在外加电场中，是不随电场的作用而泳动的。本发明的电泳系统中，电泳溶液中有控制显示材料的控制物质，这里是图1的T＝0中13和14，分别为带有正电荷和负电荷的离子。当电源上加上电压时，电泳池内出现一个驱动电场。在驱动电场的作用下，带有电荷的离子沿着电场的方向泳动。带有正电荷的离子向负电极的方向移动，而带有负电荷的离子向正电极方向移动。离子移动的速度与离子的电荷数，自身质量和电泳溶液的粘度是密切相关的。随着电场的作用，由于离子的移动，每个显示材料分子所处的微环境中的正离子和负离子的比例发生变化。因此，显示材料的发色基团受到微环境中离子浓度的作用而改变颜色。如图1中所示，显示材料的颜色变化随着微环境中的离子浓度而渐进变化的11a，12a和15。随着电场作用的持续，最终离子在电源正极端出现一个带负电荷的离子区，而在电源负极端出现一个带正电荷的离子区(图1的T＝F所示)。此时，置于这个微环境中的显示材料也完成这一显示过程。在显示屏幕上，呈现显示材料的最终的颜色显示。当电极上加上相反的电压后，在电极端的业已存在的离子将向相反的方向移动。当溶液中的控制离子又达到均匀分布时，显示材料也恢复了原有的颜色(图1中的T＝0’所示)。对于指定的显示屏幕来讲，这已经完成显示过程。若驱动电场继续作用，最终，原有的正离子区将变为负离子区，而原有的负离子区变为正离子区。显示材料在指定屏幕相反的一侧呈现最终的颜色显示。
显示材料对电泳溶液中的离子浓度变化是十分敏感的。酚红是一酸碱指示剂，在酸性溶液中为黄色(酸式)，而在碱性溶液中呈红色(碱式)。酚红的酸解离常数是5×10-8。当溶液的pH值为7.3时，酸式酚红和碱式酚红的比例是1比1。此时溶液中的酚红呈橙色。当溶液的pH值为7.8时，碱式酚红与酸式酚红的比例为3比1时，酚红在溶液中呈橙红色。当溶液的pH值为6.8时，酸式酚红与碱式酚红的比例为3比1时，酚红在溶液中的呈橙黄色。所以当溶液的酸碱度的改变为1至2个pH值，也就是说当溶液中离子数增加或者减少10至100个时，就会使酚红由一种颜色变为另外一种颜色。
有些显示材料是可以显示两种以上的颜色。麝香草酚蓝是一种酸碱指示剂，有两个变色域。一个是在酸性条件下，当pH1.2-2.8时由红色变为黄色；另一个是在碱性条件下，当pH8.0-9.6时由黄色变为蓝色。所以使用这一种酸碱指示剂能够显示红，黄，蓝三种颜色。当麝香草酚蓝置于用本发明的电泳系统中，通过控制溶液中的离子浓度就能够控制这三种颜色的相互转换。对于现在流行的彩色显示方法，一个象素是三种最基本的显示材料构成的，即红色，绿色和蓝色显示材料。换句话说，对于这种显示系统，理论上一个最小的象素是由红色，绿色，蓝色这三种材料每一个单一的分子所构成的。而本发明的显示系统仅需要一个分子就可以得到其它系统中三个色素分子所达到的效果。这种显示的方法在显示系统的制作中是非常重要的。因为在显示屏幕任意一点都显示这三种基本的颜色，所以能够极其容易的达到显示三种基本颜色的目的。目前平板液晶显示器是用有序排列的三种颜色滤光器进行颜色显示的。在微米和纳米的水平上，进行有序的颜色排列是个高精细加工过程，因此制造费用极高。若采用本发明，无论是用一种，两种或者多种显示材料，不需要进行有序排列就可达到高分辩率的效果。因此能够有效的降低制作成本。麝香草酚蓝需要在一个较宽的pH范围内显示三种基本颜色，这会影响颜色显示的应答时间。对于本发明的系统，这是很容易解决的，选用两种或者三种不同的显示材料，它们具备所须的基本颜色，但是要求它们的变色域的pH值要相近，这样在一个较窄的pH范围内，就可以实现基本颜色的显示，缩短了颜色显示应答的时间。例如，用亮黄和溴酚蓝浓度为1wt％的水溶液，按3∶1的重量比例配制成混合指示剂。当溶液的在pH＜5时，溶液呈淡绿色。当溶液为pH＝7时，溶液呈黄色。当溶液为pH＞9时，溶液呈深红色。
固化控制物质是另一种进行显示方式如图2所示，这里的控制物质是一离子对如图2中的21和22，其中的一组离子22被固化在支持物上。显示材料23也被固化在支持物上。在没加上电场时，电泳池内的离子浓度是均匀的，因此各处的pH值是一样的，如图2中的T＝0所示。所以显示材料呈同样的颜色。当加上驱动电场后，电泳池中只有一组离子21沿着电场的方向泳动，溶液中的离子浓度开始从新分布。对于特定的环境来说，如靠近正极处的微环境，由于自由的离子移动后，这个环境中的固化的离子决定其微环境中的pH值，如图2中的T＝1。显示材料的颜色也开始改变，如图2中的23A。随着离子泳动，靠近负极处的微环境开始出现离子的累积，使电泳池的这一端的微环境受泳动离子的影响。这里的离子21是带正电荷的离子，因此靠近负极处的微环境pH值开始增加。由于局部微环境的离子变化，显示材料23的发色团受到影响，因此显示物质的颜色随着局部的离子浓度的变化而变化，如图2中23B。随着电场的持续作用，图2描述了即由T＝1，T＝3至T＝F时离子迁移和显示材料变色的过程。最终自由离子全部移动到负极的一侧，在负极处形成高浓度的正离子区，因此靠近负极的显示材料的颜色显示主要受局部正离子浓度的影响。因此，靠近负极的区域的显示材料经历了23B，23C，和23D的颜色变化。而电泳池内的大部分区域，是由固化的离子所决定，所以在这种情况下，大部分显示材料的颜色是随着固化离子的形成的pH而进行显示的，故显示材料呈现的颜色为初期的23A和最终的23H。当电极加上相反的电压时，自由的离子又向相反的泳动。随着离子的移动，在某一时刻，电泳池内的pH又呈现均匀的状态。此时显示材料的颜色显示又回复到如图2时T＝0初始的颜色。若继续维持电泳，在电极的另一侧又会重复图2中的T＝0，T＝1，T＝F的过程。
控制颜色显示的方法还有其它的方式。例如，采用两性电解质，进行等电聚焦电泳。借助所形成的pH的梯度，也可以达到控制颜色显示的目的。所以，无论是何种形式，只要改变离子的浓度，就可以实现对颜色显示的控制。
本发明的离子-颜色控制的电泳显示装置与传统的离子-颜色控制的电泳显示装置相同，是由电极和电泳池组成。电极和电泳池的制备方法与传统的电泳装置不尽相同，所用的电极应要适应电泳溶液系统。显示电极可选用金属，氧化铟锡或者高聚物(聚苯胺，聚比咯)电极，但不限于这些材料的电极。一侧的电极必须是透明的。驱动电压是交流或者是直流的电压。
由于大部分离子指示剂在水溶液或者水一有机溶液种表现出优秀的颜色显示特性，所以要求透明电极材料能够在一定的湿度下工作。用金属或者高分子聚合物制作的电极是能够胜任这种工作条件的。但是对与用氧化物制作的电极，由于离子浓度的改变，会对这种电极自身产生较大的影响。所以，在这种电极和电泳显示层之间建立一个隔离层或者缓冲层是解决这种问题的一个方案。利用湿性电解质层(电桥或者导电层)的方法是一种常用的方法用于固相电泳。在电致变色玻璃中也是用这种湿法电解质的方法用于离子的储备。
电泳用溶液要兼顾控制显示物质和显示材料的溶解性。因此，溶液可以是水溶性的，非水溶性的或者是二者的混合物。对于自由离子-颜色控制的电泳显示装置，由于显示材料在等电点时出现沉淀，溶液的选择就更为重要。
电泳显示用的电泳池从外表上看有液体式，液体-固体式和固体式。液体式是在没有支持物情况的电泳，如图3所示，电泳池中即有显示材料32又有控制显示材料30的物质。显示材料32分散在电泳溶液中，这种电泳一般是用于在受电场作用较小的显示材料。电源电极如图3中的31所示。电泳溶液和控制物质如图3中的30所示。液体-固体式是指控制显示材料的物质出现在液相，而偶联到支持物上或者固化在支持物内的显示材料用作固相。如图4所示，显示材料为43，支持物是42。控制物质和电泳溶液如图4中的44所示。电源电极41在电泳池的两侧。固体式是将控制显示物质和显示材料固化在支持物内，这里的显示材料可以是以偶联的形式出现的。固体式所用的材料可以单一材料，也可以是不同的材料。图5中，50为填充电泳池的支持物，52为被固化的显示材料，控制物质和电泳溶液于支持物内(没显示)。
用于固化的基质材料众多，例如纤维素类：羟基纤维素，硝基纤维素，醋酸纤维素，甲基纤维素等；凝胶类；聚丙烯酰胺，葡聚糖凝胶，淀粉，右施糖苷，明胶等，树脂类；酚醛树脂，聚尿，聚苯乙烯聚脂等。但是并不限于这些高分子材料作为固化显示材料的基质。
将电泳溶液和显示材料装入微囊是一种有效的电泳池制作和高品质电泳显示的方法(6.323，989；John A..Rogers 2001)。通常微囊要小于50微米。制作微囊已经技术上成熟(J.Wnde Van Valkcnburg，1979)。制作微囊的材料如树脂类，纤维素类，凝胶，复合高聚物等，但是不限于这些化合物。通常微囊囊壁的电导是要小于微囊内电泳溶液的电导。采用导电高分子或者有机导电材料可改变微囊壁的导电性。使用微囊技术是为了改进电泳的显示效果。图6描述了在驱动电场作用下，显示材料受到溶液中离子控制时呈现的颜色变化。图6中的64显示材料，在不同时刻，为64A，64B，64C，64D等。当显示状态于T＝0时，若以电源正电极60一侧为显示屏幕，在显示屏幕一侧能够可见显示材料64A。随着电场的作用，控制离子62向负极方向移动，在T＝m时显示屏幕一侧的显示材料的颜色发生变化为64D，而处于其它位置的显示材料颜色为64E和64F。当控制离子62全移向负极一侧，即T＝F时，在显示屏幕一侧显示材料的颜色为64Cc。而显示屏幕的相反一侧为显示材料的颜色为64Aa。与T＝0时，在显示屏幕一侧的显示材料64A呈现相同的颜色。
固体式的电泳系统是本发明优先采用的离子-颜色控制的电泳显示装置。主要的原因是1)：在电泳溶液中，大多数酸碱指示剂，荧光指示剂，色素类化合物是受驱动电场影响的，因此固化显示材料会有效的解决显示材料移动，显示材料的共聚沉淀以及显示材料在电极上造成的吸附。2)：由于固化显示材料和控制物质，可以极大的提高颜色显示的效果。并且更易于控制进行颜色显示。在固化显示材料和控制物质中，采用网格式(由众多的方形或者圆形的蜂房状隔离物组成的显示层)，微囊和微球(内有支持物；以别于微囊)会更好的提高显示效果。
广义上讲，离子对显示物质的发色基团的作用是一个高速反应过程，达到可以忽略不计。至少可以选择一些对离子比较敏感的显示材料，加速这一应答反应。所以在制作颜色显示装置时，控制离子的应答时间是决定颜色显示应答时间的主要因素。这取决于所用的电场强度，离子的大小和电泳支持物，电泳溶液的粘度和电泳池的厚度。
由于采用支持物电泳系统，使控制离子在没有加上驱动电场时能够保持在电泳池内，这样局部的显示材料依然受到这些控制离子的影响，使显示材料保持原有的显示状态。这也就是所说的记忆特性。维持记忆的长短是与离子的大小和支持物，电泳溶液的粘度紧密相关的。
当电极采用透明的有机导电材料并且这种电极材料可以折叠，将显示材料和控制物质做成微球或微囊，就可以做成可折叠的显示器。
离子-颜色控制的电泳显示装置的应答时间可达到毫秒级，与液晶反应的速度相近。本颜色显示系不仅应答反应快，而且反差大，视角宽，适用于图像和文字显示。特别是它的记忆性，在除去电场时，依然保持显示的图像，因此，电泳彩色装置是有希望在图像和文字显示中占有一席，取代液晶显示系统。
由于本发明的显示系统是控制颜色反应，又具有记忆力，凝胶状的多层电泳系统又透明又具有较好的隔热作用。因此，本发明适用于与颜色控制的相关的领域。例如，电致变色玻璃领域是一个业已初步形成市场新型玻璃品(P.J.Gellings，1997)。电致变色玻璃的主要特点是即可以让可见光穿过玻璃，也可以由于自身的颜色变化阻挡传入玻璃的可见光。在没有驱动电压时，依然能够维持电压驱动时所呈现的状态，即有记忆性。再有就是致电变色玻璃也有阻热的作用(P.J.Gellings，1997)。本发明的颜色显示系统是有条件满足致电变色玻璃的要求的。例如，采用单一颜色的显示材料。由于显示材料在一种状态时是不发色的，所以可以让可见光通过由这种显示材料所制造的装置。当显示材料发色时，就可以有效的阻止可见光通过。同时这些发色材料对红外线的吸收也是增加的，因此有阻热作用。
实施例
电泳色彩显示系统的制作
支持物电泳技术已经是一种成熟的电泳技术。利用现有的支持物电泳技术进行颜色显示是容易实施的。图7是一个进行电泳颜色显示的示意图。在电泳池的两端是用透明电极材料制成的电极71和玻璃基质73。在电泳池的另外两侧用玻璃基质74封闭。在靠近电极的一侧有一个导电层72(如图8、图9所示)。在两个导电层之间是由支持物构成的彩色显示层70。这里就以聚丙烯酰胺凝胶为例制作支持物制电泳颜色显示系统。聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺经过聚合后形成的高分子化合物，具有分子筛作用，有较好的透光性和导电性。聚丙烯酰胺也是一种有记忆性的高分子材料，具有很好的机解性能。
电泳支持物显示层的制备：
1)：聚丙烯酰胺：丙烯酰胺48克，双丙烯酰2克，加无离子水至100毫升作为贮备液。四甲基乙二胺和10wt％过硫酸氨。
2)：1wt％酚红水溶液：1克酚红溶于94毫升水，加入1ml氢氧化钠(0.1N)和5ml乙醇助溶。取3毫升丙烯酰胺贮备液于烧杯中，先加入100微升的酚红溶液，然后再加入50微升过硫酸氨和10微升四甲基乙二胺。混合后，倒入已经预制好的电泳池内，形成一个50微米的显示层。
电解质层(电桥或者导电层)的制备：
1)：材料：锑酸凝胶(含水量为36wt％)，50wt％聚丙烯酸水溶液，甘油。
将三种化合物按其重量进行1∶0.35∶0.32的比例混合，去水干燥后成浆糊状。这种导电材料是透明的，导电性能是与含水量相关。用这种混合物制成导电层。这种材料与无机氧化电极有很好的兼容性。
综上所述，本发明的离子-颜色控制的电泳显示装置其显著特点是不用电场直接驱动用于进行图像显示所用的显示材料，而是在电场的作用下驱动用于控制显示材料进行显示的非显示物质。通过控制这些非显示物质的浓度而控制显示材料的颜色变化达到进行图像文字显示的。通过该装置进行彩色颜色显示不仅应答反应快，而且反差大，视角宽，适用于图像和文字显示。本发明显示装置的另一特点是有记忆性，在无驱动电压时仍然保持显示的颜色和图像。这种显示装置可以制作的薄如纸，而且还可以折叠。