本发明专利技术涉及用毛细管电泳仪测定物质在液相中扩散系数的方法。本发明专利技术揭示了利用毛细管电泳仪测定物质扩散系数时，影响测定准确性的多种关键因素，进而建立了一种具有一定通用性的物质扩散系数的快速测定方法，并可测定待测物质在水或者有机溶剂中的扩散系数。本发明专利技术将物质的扩散系数与其洗出峰的出峰时间和半峰宽关联起来，可快速计算得到物质扩散系数值。相对于现有测定物质扩散系数的方法，其具有快速、微量、准确及通用等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用毛细管电泳仪测定物质在液相中扩散系数的方法。
技术介绍
扩散是指分子、离子或其它小粒子自发混合并由相对高浓度的区域向低 浓度的区域运动的过程。其中广为接受的是用扩散系数来描述扩散，其用来 描述一定距离间的两点间的浓度变化率。扩散的慢速正好彰显其重要性。多数情况下，扩散是和其它现象一起顺 序发生的，当它是过程中最慢的一步时，它就会成为整个过程的决定因素。 例如，扩散常常会限制蒸馏的效率和工业上多孔催化剂的反应速度，也可以 控制产生青霉素的微生物的生长速度、钢铁被腐蚀的速度和香味从食物中被 释放出来的速度。对生物分子而言，扩散系数是一个重要的物化性质，在很广泛的生物过 程内，过程设计和分析都离不开扩散数据。例如对蛋白质生物反应分析，萃 取和烘干而言，扩散系数都是一个及其重要的参数。此外，预测物质在多孔 介质中的传输性能也需要借助扩散系数。另外，扩散系数结合水力性能等参 数能提供人们关于蛋白质分子尺寸和形状方面的信息。液相扩散系数是研究传质过程、计算传质速率及化工设计与开发的重要 基础数据，已广泛应用于生化及环保等新兴行业中。研究和积累各类体系的 扩散系数一直被视为是重要的应用基础研究。然而由于液体结构十分复杂， 分子堆积密度较大，分子间平均距离远比气体分子小，又不及固体那样有规 则排列，分子总处在较强相互作用的范围内，所以液相扩散系数的测量和理 论描述远比气体及固体困难，试验数据相当缺乏。测定物质在液相中扩散系数的方法包括膜池法、毛细管法、折光指数仪 法、光散射法、核磁共振法、泰勒扩散法、荧光显微镜法和电化学法等方法。 综合这些方法的特点，比较而言，泰勒扩散法的实验简单，设备简单，测定 结果准确，故近年来为许多研究者所采用。但常用的泰勒扩散法通常有测定时间长和数据处理繁琐等缺点。俄罗斯学者Bello等首次用商品毛细管电泳仪测定了物质在液相中的扩散系数，并且将测定时间縮短到2分钟以内。但i亥 方法数据处理较复杂，而且缺乏通用性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用商品毛细管电泳仪建立一种具有一定通用 性的物质在液相中扩散系数快速测定的新方法。当载体以较慢的速度(层流)流过毛细管时，其在圆管截面上的线性》1E 速并不相同，在毛细管的中心处载体的线性流速最大，而在管壁处其线性流 速为0。当待测物质进入毛细管后，待测物质分子将在载体的作用下沿着毛细 管轴向方向流动，其流动速度也与其在毛细管截面上的位置有关，并且分子 的扩散作用也使其在毛细管径向和轴向的分散产生影响。在一定条件下，沿毛细管轴向方向的质量通量是对流和表观扩散系数中扩散部分的总和 2 = f/Cm+^L (1)式中^是沿管轴向方向的质量通量，C/是载体的平均流速，Cm是待测物 质在管截面上的平均浓度，3是待测物质的表观扩散系数，也被称为分散系数， X是待测物质在轴向方向扩散的距离。分散系数与毛细管的尺寸、载体流速及物质的扩散系数有关，以此为基础，英国学者Aris提出了如下的经典公式^" + f (2) 48￡>式中3是待测物质的表观扩散系数，D是待测物质的扩散系数，凡是毛 细管的内半径，(7是载体的平均流速。若测试过程中在管壁处没有质量传递 发生并且在管中心处待测物质的径向浓度梯度为零这两个边界条件都满足的 话，当一个脉冲方式进样的待测物质从毛细管中被洗出时，则可用色谱的方法来对待测物质分布进行如下表达-(1-"〃I)2丄2C(^) = J-1/2 -一丄2_(3)4&式中C 表示待测物质在毛细管内的浓度分布，f是出峰时间，丄是毛细管的长度，C/是载体的平均流速，A是与待测物质进样量相关的常数，3 是待测物质的表观扩散系数。上式是一个变异的高斯表达式，若式(3)中的 数据WL足够小的话，上式可简化成一个标准的高斯函数。若将式(3)中 的浓度分布转换成长度单位，则可用下式表示<formula>formula see original document page 7</formula> (4)式中tr是待测物质洗出峰的均方差，D是待测物质的扩散系数，丄是毛细 管的长度，"是载体的平均流速，凡是毛细管的内半径。而由色谱理论可知， 色谱峰的理论踏板高度i/为<formula>formula see original document page 7</formula> (5)式中c是待测物质洗出峰的均方差，Z是毛细管的长度，D是待测物质的 扩散系数，t/是载体的平均流速，凡是毛细管的内半径。由于扩散系数比平 均流速小得多，即2ZW—0，因此上式可以简化成<formula>formula see original document page 7</formula> (6)式中//是色谱峰的理论踏板高度，凡是毛细管的内半径，D是待测物质 的扩散系数，V是载体的平均流速。另一方面，理论踏板高度可以由相应的 峰参数来求得，并表示如下<formula>formula see original document page 7</formula> (7)式中//是色谱峰的理论踏板高度，L是毛细管的长度，『1/2是洗出峰的 半峰宽，f是待测物质的出峰时间。结合上述两式，扩散系数的计算公式可简 化如下<formula>formula see original document page 7</formula>式中Z)是待测物质的扩散系数，凡是毛细管的内半径，f是待测物质的出峰时间，『1/2是洗出峰的半峰宽。因此，若已知毛细管内径，则可根据洗出 峰的两个基本峰参数一出峰时间和半峰宽就可求出待测物质在液相中的扩散本专利技术的方法是以一个配有紫外检测器的商品毛细管电泳仪为平台，用 压力使待测物质通过毛细管，在毛细管的检测窗口由紫外检测器检测待测物质，并由电泳仪配备的工作站分析得到峰的出峰时间和半峰宽，从而以式(8) 计算出待测物质的测定扩散系数。毛细管的内半径(i c)依据Hagen-Poiseuille定律来得以测定，其具体过 程是，在25X:时以一定的压力差dP (60kPa"尸〈50kPa)让蒸馏水流过毛 细管，并分别收集20分钟内洗出的蒸馏水并称重(GO ，则由式(9)可算出 毛细管的内径。在不同的压力下测定三次取其平均值作为毛细管的实际内径。及=4，=4 (9)式中丄是毛细管的总长度，g是水的体积流量，g是重力加速度，"25和" 分别是25。C下水的密度(0.9970mg/ml)和粘度(0扁9cP) ， f为20分钟。本专利技术的，包括对 配有紫外检测器的毛细管清洗、毛细管内半径测定、待测物质溶液的制备、 在毛细管的检测窗口由紫外检测器检测待测物质进行数据处理分析、载体》究 速工作区间测定、待测物质浓度控制和进样体积控制步骤(1) 对配有紫外检测器的熔融硅毛细管的清洗；(2) 测定步骤(1)的毛细管的内径；用蒸馏水冲洗步骤(1)的毛细管， 时间>2分钟；在毛细管中存有蒸馏水，且温度在25"C时，以60kPa〈压力差 ^尸<150 kPa让蒸馏水流过毛细管，并分别收集20分钟内洗出的蒸馏水并称重(GO ，然后根本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用毛细管电泳仪速测物质在液相中扩散系数的方法，包括对配有紫外检测器的毛细管清洗、毛细管内半径测定、待测物质溶液的制备、在毛细管的检测窗口由紫外检测器检测待测物质进行数据处理分析、载体流速工作区间测定、待测物质浓度控制和进样体积控制步骤，其特征是：（１）对配有紫外检测器的熔融硅毛细管的清洗；（２）用蒸馏水冲洗步骤（１）的毛细管，且温度在２５℃时，以６０ｋＰａ＜ΔＰ＜１５０ｋＰａ让蒸馏水流过毛细管，并分别收集２０分钟内洗出的蒸馏水并称重，然后根据公式（９）计算得到毛细管半径；取上述３个不同压力差所得到毛细管半径，并取它们的平均值作为速测物质扩散系数用的毛细管内半径；＊＊＊ （９） 式中Ｌ是毛细管的总长度，Ｑ是水的体积流量，ｇ是重力加速度，Ｇ是２０分钟内收集的蒸馏水重量，ｄ↓［２５］和η分别是２５℃下水的密度０．９９７０ｍｇ／ｍｌ和粘度０．８９０９ｃＰ；ΔＰ是压力差，ｔ为２０分钟；（３）制备多个不同浓度的模式物质溶液和一定浓度的待测物质溶液；（４）用蒸馏水和载体溶液冲洗步骤（１）的毛细管，在毛细管中存有载体，且将步骤（１）的毛细管温度设定到所需的温度，选取步骤（３）中多个不同浓度的模式物质溶液中的一种，用压力将所选取的步骤（３）的模式物质溶液注入毛细管中并通过毛细管，在毛细管的检测窗口由紫外检测器检测模式物质，由毛细管电泳仪所带的工作站得到模式物质洗出峰的出峰时间和半峰宽，结合步骤（２）所测得的毛细管的内半径，由公式（８）直接计算得到模式物质的测定扩散系数；Ｄ＝１ｎ２／３ Ｒ↓［ｃ］↑［２］ｔ／Ｗ↓［１／２］↑［２］＝０．２３１Ｒ↓［ｃ］↑［２］ｔ／Ｗ↓［１／２］↑［２］ （８） 式中Ｄ是模式物质的扩散系数，Ｒ↓［ｃ］是毛细管的内半径，ｔ是模式物质的出峰时间，Ｗ↓［１／２］是洗出峰的半峰宽；重复步骤（４）步骤，直至得到多个不同浓度的模式物质的测定扩散系数；（５）选取步骤（３）中多个不同浓度的模式物质溶液中的一种来测定步骤（１）毛细管的载体流速工作区间；用蒸馏水和载体溶液冲洗步骤（１）的毛细管，在毛细管中存有载体，将步骤（１）的毛细管温度设定到所需的温度，用压力将所选取的步骤（３）的模式物质溶液注入毛细管中，分别选用不同压力使模式物质通过毛细管，在毛细管的检测窗口由紫外检测器检测模式物质，测定模式物质在步骤（１）毛细管中的载体流速下的扩散系数，然后以载体流速对扩散系数作图，图中测定的扩散系数与所选取的步骤（３）已...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈义，左敏，齐莉，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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