專利名稱：利用毛細管電泳儀速測物質在液相中擴散系數的方法
技術領域：
本發明涉及用毛細管電泳儀測定物質在液相中擴散系數的方法。
背景技術：
擴散是指分子、離子或其它小粒子自發混合并由相對高濃度的區域向低 濃度的區域運動的過程。其中廣為接受的是用擴散系數來描述擴散，其用來 描述一定距離間的兩點間的濃度變化率。
擴散的慢速正好彰顯其重要性。多數情況下，擴散是和其它現象一起順 序發生的，當它是過程中最慢的一步時，它就會成為整個過程的決定因素。 例如，擴散常常會限制蒸餾的效率和工業上多孔催化劑的反應速度，也可以 控制產生青霉素的微生物的生長速度、鋼鐵被腐蝕的速度和香味從食物中被 釋放出來的速度。
對生物分子而言，擴散系數是一個重要的物化性質，在很廣泛的生物過 程內，過程設計和分析都離不開擴散數據。例如對蛋白質生物反應分析，萃 取和烘干而言，擴散系數都是一個及其重要的參數。此外，預測物質在多孔 介質中的傳輸性能也需要借助擴散系數。另外，擴散系數結合水力性能等參 數能提供人們關于蛋白質分子尺寸和形狀方面的信息。
液相擴散系數是研究傳質過程、計算傳質速率及化工設計與開發的重要 基礎數據，已廣泛應用于生化及環保等新興行業中。研究和積累各類體系的 擴散系數一直被視為是重要的應用基礎研究。然而由于液體結構十分復雜， 分子堆積密度較大，分子間平均距離遠比氣體分子小，又不及固體那樣有規 則排列，分子總處在較強相互作用的范圍內，所以液相擴散系數的測量和理 論描述遠比氣體及固體困難，試驗數據相當缺乏。
測定物質在液相中擴散系數的方法包括膜池法、毛細管法、折光指數儀 法、光散射法、核磁共振法、泰勒擴散法、熒光顯微鏡法和電化學法等方法。 綜合這些方法的特點，比較而言，泰勒擴散法的實驗簡單，設備簡單，測定 結果準確，故近年來為許多研究者所采用。但常用的泰勒擴散法通常有測定
時間長和數據處理繁瑣等缺點。俄羅斯學者Bello等首次用商品毛細管電泳儀測定了物質在液相中的擴散系數，并且將測定時間縮短到2分鐘以內。但i亥 方法數據處理較復雜，而且缺乏通用性。
發明內容
本發明的目的是提供一種利用商品毛細管電泳儀建立一種具有一定通用 性的物質在液相中擴散系數快速測定的新方法。
當載體以較慢的速度(層流)流過毛細管時，其在圓管截面上的線性》1E 速并不相同，在毛細管的中心處載體的線性流速最大，而在管壁處其線性流 速為0。當待測物質進入毛細管后，待測物質分子將在載體的作用下沿著毛細 管軸向方向流動，其流動速度也與其在毛細管截面上的位置有關，并且分子 的擴散作用也使其在毛細管徑向和軸向的分散產生影響。在一定條件下，沿
毛細管軸向方向的質量通量是對流和表觀擴散系數中擴散部分的總和 2 = f/Cm+^L (1)
式中^是沿管軸向方向的質量通量，C/是載體的平均流速，Cm是待測物 質在管截面上的平均濃度，3是待測物質的表觀擴散系數，也被稱為分散系數， X是待測物質在軸向方向擴散的距離。
分散系數與毛細管的尺寸、載體流速及物質的擴散系數有關，以此為基
礎，英國學者Aris提出了如下的經典公式
^" + f (2) 48￡>
式中3是待測物質的表觀擴散系數，D是待測物質的擴散系數，凡是毛 細管的內半徑，(7是載體的平均流速。若測試過程中在管壁處沒有質量傳遞 發生并且在管中心處待測物質的徑向濃度梯度為零這兩個邊界條件都滿足的 話，當一個脈沖方式進樣的待測物質從毛細管中被洗出時，則可用色譜的方
法來對待測物質分布進行如下表達
-(1-"〃I)2丄2
C(^) = J
-1/2 -
一丄2_
(3)
4&
式中C 表示待測物質在毛細管內的濃度分布，f是出峰時間，丄是
毛細管的長度，C/是載體的平均流速，A是與待測物質進樣量相關的常數，3 是待測物質的表觀擴散系數。上式是一個變異的高斯表達式，若式(3)中的 數據WL足夠小的話，上式可簡化成一個標準的高斯函數。若將式(3)中 的濃度分布轉換成長度單位，則可用下式表示<formula>formula see original document page 7</formula> (4)
式中tr是待測物質洗出峰的均方差，D是待測物質的擴散系數，丄是毛細 管的長度，"是載體的平均流速，凡是毛細管的內半徑。而由色譜理論可知， 色譜峰的理論踏板高度i/為<formula>formula see original document page 7</formula> (5)
式中c是待測物質洗出峰的均方差，Z是毛細管的長度，D是待測物質的 擴散系數，t/是載體的平均流速，凡是毛細管的內半徑。由于擴散系數比平 均流速小得多，即2ZW—0，因此上式可以簡化成
<formula>formula see original document page 7</formula> (6)
式中//是色譜峰的理論踏板高度，凡是毛細管的內半徑，D是待測物質 的擴散系數，V是載體的平均流速。另一方面，理論踏板高度可以由相應的 峰參數來求得，并表示如下<formula>formula see original document page 7</formula> (7)
式中//是色譜峰的理論踏板高度，L是毛細管的長度，『1/2是洗出峰的 半峰寬，f是待測物質的出峰時間。結合上述兩式，擴散系數的計算公式可簡 化如下
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中Z)是待測物質的擴散系數，凡是毛細管的內半徑，f是待測物質的出
峰時間，『1/2是洗出峰的半峰寬。因此，若已知毛細管內徑，則可根據洗出 峰的兩個基本峰參數一出峰時間和半峰寬就可求出待測物質在液相中的擴散
本發明的方法是以一個配有紫外檢測器的商品毛細管電泳儀為平臺，用 壓力使待測物質通過毛細管，在毛細管的檢測窗口由紫外檢測器檢測待測物
質，并由電泳儀配備的工作站分析得到峰的出峰時間和半峰寬，從而以式(8) 計算出待測物質的測定擴散系數。
毛細管的內半徑(i c)依據Hagen-Poiseuille定律來得以測定，其具體過 程是，在25X:時以一定的壓力差dP (60kPa"尸〈50kPa)讓蒸餾水流過毛 細管，并分別收集20分鐘內洗出的蒸餾水并稱重(GO ，則由式(9)可算出 毛細管的內徑。在不同的壓力下測定三次取其平均值作為毛細管的實際內徑。及=4，=4 (9)
式中丄是毛細管的總長度，g是水的體積流量，g是重力加速度，"25和" 分別是25。C下水的密度(0.9970mg/ml)和粘度(0扁9cP) ， f為20分鐘。
本發明的利用毛細管電泳儀速測物質在液相中擴散系數的方法，包括對 配有紫外檢測器的毛細管清洗、毛細管內半徑測定、待測物質溶液的制備、 在毛細管的檢測窗口由紫外檢測器檢測待測物質進行數據處理分析、載體》究 速工作區間測定、待測物質濃度控制和進樣體積控制步驟
(1) 對配有紫外檢測器的熔融硅毛細管的清洗；
(2) 測定步驟(1)的毛細管的內徑；用蒸餾水沖洗步驟(1)的毛細管， 時間>2分鐘；在毛細管中存有蒸餾水，且溫度在25"C時，以60kPa〈壓力差 ^尸<150 kPa讓蒸餾水流過毛細管，并分別收集20分鐘內洗出的蒸餾水并稱重
(GO ，然后根據公式(9)計算得到毛細管半徑；取上述3個不同壓力差所 得到毛細管半徑，并取它們的平均值作為速測物質擴散系數用的毛細管內半 徑；
及=4，=4一 (9)
式中丄是毛細管的總長度，g是水的體積流量，g是重力加速度，&5和" 分別是25。C下水的密度0.9970mg/ml和粘度0.8909cP; d戶是壓力差，f為20 分鐘；
(3) 物質溶液的制備；制備多個不同濃度的模式物質溶液和一定濃度的 待測物質溶液，并用渦旋攪拌或超聲波分散等方法使模式物質和待測物質在 溶劑中均勻分散；
(4) 數據處理分析。用蒸餾水和載體溶液沖洗步驟(1)的毛細管，時 間均>2分鐘；在毛細管中存有載體，且將步驟(1)的毛細管溫度設定到所需 的溫度，選取步驟(3)中多個不同濃度的模式物質溶液中的一種，用壓力將 所選取的步驟(3)的模式物質溶液注入毛細管中，用壓力使模式物質溶液通 過毛細管，在毛細管的檢測窗口由紫外檢測器檢測模式物質，由毛細管電泳 儀所帶的工作站得到模式物質洗出峰的出峰時間和半峰寬，結合步驟(2)所
測得的毛細管的內半徑，由公式(8)直接計算得到模式物質的測定擴散系數；式中Z)是模式物質的擴散系數，A是毛細管的內半徑，f是模式物質的出 峰時間，W/2是洗出峰的半峰寬；
重復步驟(4)步驟，直至得到多個不同濃度的模式物質的測定擴散系數；
(5) 選取步驟(3)中多個不同濃度的模式物質溶液中的一種來測定歩 驟(1)毛細管的載體流速工作區間；用蒸餾水和載體溶液沖洗步驟(1)的 毛細管，時間均〉2分鐘；在毛細管中存有載體，將步驟(1)的毛細管溫度設 定到所需的溫度，用壓力將所選取的步驟(3)的模式物質溶液注入毛細管中， 分別選用不同壓力使模式物質通過毛細管，在毛細管的檢測窗口由紫外檢測 器檢測模式物質，測定模式物質在步驟(1)毛細管中的載體流速下的擴散系 數，然后以載體流速對擴散系數作圖，圖中測定的擴散系數與所選取的步驟
(3)己知模式物質實際擴散系數接近(偏差小于2%)的區域即為載體流速 的工作區間。若更換步驟(1)的毛細管，則須重新確定步驟(1)的毛細管 工作區間。
(6) 用蒸餾水和載體溶液沖洗步驟(1)的毛細管，時間均〉2分鐘，在
毛細管中存有載體，將步驟(1)的毛細管溫度設定到所需的溫度，將步驟(3) 的多個不同濃度的模式物質溶液分別注入毛細管中；選用步驟(5)確定的載
體流速的工作區間中的某一壓力下的流速，使上述模式物質分別通過毛細管， 在毛細管的檢測窗口由紫外檢測器檢測模式物質，測定模式物質不同濃度下 的擴散系數，以上述測定的擴散系數分別對其對應的模式物質濃度作圖，測 定的擴散系數與已知模式物質實際擴散系數偏差大于2%的模式物質濃度為 模式物質的最大濃度。
(7) 用蒸餾水和載體溶液沖洗步驟(1)的毛細管，時間均>2分鐘，在 毛細管中存有載體，將步驟(1)的毛細管溫度設定到所需的溫度，將低于歩 驟(6)所測得的最大模式物質濃度的任意一濃度的模式物質溶液注入毛細管 中；選用步驟(5)確定的載體流速的工作區間中的某一壓力下的流速，使上 述模式物質通過毛細管，測定模式物質在不同進樣體積下的擴散系數，然后 以模式物質進樣體積對擴散系數作圖。測定的擴散系數與已知模式物質實際 擴散系數偏差大于2%的進樣體積即為模式物質的最大進樣體積；
(8) 用蒸餾水和載體溶液沖洗步驟(1)的毛細管，時間均〉2分鐘；在 毛細管中存有載體，且將步驟(1)的毛細管溫度設定到所需的溫度，選取步 驟(3)中一種待測物質溶液，用壓力將所選取的步驟(3)制備的低于步驟
(6)所測得的最大模式物質濃度的待測物質溶液注入毛細管中，并使其進樣體積小于步驟(7)所測得的最大進樣體積，選用步驟(5)確定的載體流速 的工作區間中的某一壓力下的流速洗出待測物質，在毛細管的檢測窗口由紫 外檢測器檢測待測物質，由毛細管電泳儀所帶的工作站得一定濃度的待測物 質洗出峰的出峰時間和半峰寬，結合步驟(2)所測得的毛細管的內半徑，由 公式(8)直接計算得到待測物質的測定擴散系數；
D—ln2 i c —0.231 & (8) —3 『2 _ PF2
式中D是待測物質的擴散系數，凡是毛細管的內半徑，f是待測物質的出
峰時間，『1/2是洗出峰的半峰寬。
步驟(3)所述的溶劑為模式物質或待測物質的載體。
所述的載體是蒸餾水或有機溶劑。如，當測定某待測物質在水中擴散系
數，則應以水為載體；在某有機溶劑中擴散系數，則應以該有機溶劑為載體。 所述的待測物質是能溶于蒸餾水或有機溶劑，或者能在水或有機溶劑中
均勻分散形成熱力學穩定體系(如膠體金溶液)的物質。
步驟(1)所述的清洗是依次用甲醇清洗>10分鐘，蒸餾水清洗>5分鐘，
1 mol/L的硝酸清洗>10分鐘，蒸餾水清洗>5分鐘，1 mol/L的氫氧化鈉清洗
>10分鐘，最后用蒸餾水沖洗>5分鐘。在每兩次測量間，毛細管用lmol/L氫
氧化鈉沖洗>5分鐘。
步驟(3)所述的制備多個不同濃度的模式物質溶液是3個以上模式物質溶液。
步驟(5)所述的用壓力將所選取的步驟(3)的模式物質溶液注入毛細 管中，及分別選用不同壓力使模式物質通過毛細管，其壓力范圍均是0.69 137.90 kPa。
所述的分別選用不同壓力使模式物質通過毛細管的壓力是選取6個以上 壓力點。
步驟(4)所述的用壓力將所選取的步驟(3)的模式物質溶液注入毛細 管中，及用壓力使模式物質溶液通過毛細管，其壓力范圍均是0.69 137.90 kPa。
步驟(8)所述的用壓力將所選取的步驟(3)制備的低于步驟(6)所測 得的最大模式物質濃度的待測物質溶液注入毛細管的壓力是0.69 137.90 kPa。
本發明公開了一種利用商品毛細管電泳儀對物質在液相中擴散系數進行快速準確測定的方法。本發明揭示了利用毛細管電泳儀測定待測物質在液相 中擴散系數時，影響測定準確性的多種關鍵因素，進而建立了一種具有一定 通用性的物質在液相中擴散系數的快速測定方法，并可測定物質在水或者非 水溶劑中的擴散系數。本發明將物質的擴散系數與其洗出峰的出峰時間和半 峰寬關聯起來，可快速計算得到其擴散系數值。相對于現有測定物質擴散系 數的方法，其具有快速、微量、準確及通用等優點。
在不違背本發明的精神和范圍的情況下，本發明可以做出許多各種各樣的 實施，所以應該理解到，除權利要求所限定之外，本發明并不局限于本文會合 出的具體的實施例。
圖l.本發明實施例1的載體流速與測得的L-苯丙氨酸擴散系數間的關系圖。
圖2.本發明實施例1的壓力與載體流速間的關系。
圖3.本發明實施例1的L-苯丙氨酸的進樣體積與測得的擴散系數間的關 系圖。 、
圖4.本發明實施例1的進樣體積與測得的L-苯丙氨酸擴散系數間的關系圖。
具體實施例方式
以一廠家提供的半徑為37.5nm、長度為60cm (進樣端到檢測窗口的距離 為50cm)的毛細管為例來說明測定條件的選擇。測定時用L-苯丙氨酸(Mcgraw 在其著作《American institute of physics handbook》 一書中給定L-苯丙氨酸在 25'C擴散系數的值為7.06Xl(^cm2/3)為例。通過下列結合附圖的詳細描述， 本發明的目的和方法能被更好的理解。
(1) 熔融硅毛細管的清洗。按照如下步驟清洗毛細管甲醇清洗15分 鐘，水清洗10分鐘，1 mol/L的硝酸清洗15分鐘，水清洗10分鐘，lmol/L 的氫氧化鈉清洗15分鐘，最后用水沖洗10分鐘。在每兩次測量間，毛細管 用1 mol/L氫氧化鈉沖洗5分鐘，然后用水和載體溶液各沖洗2分鐘。
(2) 測定步驟(1)的毛細管的內徑。依據Hagen-Poiseuille定律來測定 毛細管的內徑。在25。C時，以67.33kPa， 100.66kPa和135.43kPa的壓力差讓 蒸餾水流過毛細管，并分別收集20分鐘內洗出的蒸餾水并稱重(G)，然后 根據公式(9)分別計算得到毛細管半徑，取它們的平均值作為速測物質擴散系數用的毛細管內半徑；及4^M二4p^Z (9)式中丄是毛細管的總長度，^是水的體積流量，g是重力加速度，^s和W 分別是25。C下水的密度0.9970mg/ml和粘度0.8909cP; JP^壓力差，f為20 分鐘；測得的半徑分別是36.36、 36.31和36.34^11!1，取其平均值36.34pm為 毛細管的內半徑。(3) 物質溶液的制備；制備濃度分別為1.21、 2.42、 3.63、 4.84、 6.05、 12.10、 24.21、 36.32、 48.43和60.53 mM的L-苯丙氨酸(模式物質)的水溶 液和濃度均為2mM的丙酮、苯酚、苯、甲苯的水溶液與苯的乙醇和l-丁醇(待 測物質)溶液。(4) 數據處理分析。用蒸餾水沖洗步驟(1)的毛細管，時間為2分鐘； 在毛細管中存有蒸餾水，且將步驟(1)的毛細管溫度設定到25'C，選取步驟(3)中多個不同濃度的L-苯丙氨酸溶液中的一種，用1.34kPa的壓力將所選 取的步驟(3)的L-苯丙氨酸溶液注入毛細管中，用選自0.69 137.90 kPa的 壓力使L-苯丙氨酸溶液分別以0.02264、 0.04304 、 0.10482、 0.21313、 0.60386、 0.94697、 1.24378、 1.51515、 1.75439和2.12585 cm/s的蒸餾水流速通過毛細 管，在毛細管的檢測窗口由紫外檢測器檢測L-苯丙氨酸，由毛細管電泳儀所 帶的工作站得到L-苯丙氨酸洗出峰的出峰時間和半峰寬，結合步驟(2)所測 得的毛細管的內半徑，由公式(8)直接計算得到L-苯丙氨酸的測定擴散系數； n —ln2 i 》—0.231i c2/ "、式中D是L-苯丙氨酸的擴散系數，凡是毛細管的內半徑，/是L-苯丙氨 酸的出峰時間，『1/2是洗出峰的半峰寬；重復步驟(4)步驟，直至得到多個不同濃度的L-苯丙氨酸的測定擴散系數；(5)選取步驟(3)中的濃度為1.21mM的L-苯丙氨酸水溶液來測定步 驟(1)毛細管的載體流速工作區間；用蒸餾水溶液沖洗步驟(1)的毛細管， 時間均為2分鐘；在毛細管中存有蒸餾水，將步驟(1)的毛細管溫度設定到 所需的溫度(25°C)，用1.34kPa的壓力將所選取的步驟(3)的L-苯丙氨酸 溶液注入毛細管中，用選自0.69 137.90kPa的壓力分別測定其在步驟(1) 毛細管中的0.02264、 0.04304、 0.10482、 0.21313、 0.60386、 0.94697、 1.24378、 1.51515、 1.75439和2.12585 cm/s的蒸餾水流速下的擴散系數，然后以蒸餾水流速對擴散系數作圖，圖中測得的擴散系數與L-苯丙氨酸實際擴散系數接近 (偏差小于2%)的區域即為蒸餾水流速的工作區間。由圖1可知在O.l至lcm/s的蒸餾水流速范圍內，測得的擴散系數的偏差最小，也就是說，圖中水平部分(區域n，其包含水平虛線的上下兩部分)是在所選毛細管下準確測定物質擴散系數的有效工作區間。圖1中的水平虛 線表示該溫度下L-苯丙氨酸的實際擴散系數值。而在區域(I其包含水平虛 線的上下兩部分)和區域III ( I其包含水平虛線的上下兩部分)中，測得的 L-苯丙氨酸的擴散系數值分別比其實際值偏低和偏高。因此，當使用的內半 徑為36.34pm、長度為60cm (有效長度50cm)的毛細管來測定物質的擴散系 數時，蒸餾水流速應控制在0.1 lcm/s (工作區間)。在本發明中，蒸餾水是由壓力驅動而流動的，由圖2可以看出，在40kPa 的壓力范圍內，蒸餾水的流速與毛細管兩端的壓力差呈線性關系。而40kPa 的壓力下相應的流速是1.00cm/s，這個值也是能精確測量擴散系數的壓力的上 限。當超過這個壓力上限后，曲線開始向下彎曲，測得的擴散系數值偏大。 此外，該測試也提供了一種測定最高有效流速的實驗方法。值得注意的是，流速的工作范圍也與毛細管的長度和內徑有關。例如， 當使用一半徑為12.14 pm、有效長度為50cm的毛細管時，其流速的工作范圍 縮短到0.1 0.2cm/s;而當一個半徑為35.85nm、有效長度為20cm的毛細管 被用來測定物質的擴散系數時，蒸餾水流速的工作范圍也只有0.3 0.7cm/s。 因此，當更換新的毛細管后，流速的工作范圍需要重新標定，并且毛細管的 內徑也需重新測定。(6) 用蒸餾水沖洗步驟(1)的毛細管，時間為2分鐘，在毛細管中存 有蒸餾水，將步驟(1)的毛細管溫度設定到所需的溫度(25°C)，將步驟(3) 的多個不同濃度的L-苯丙氨酸溶液分別注入毛細管中；選用步驟(5)確定的 蒸餾水流速的工作區間中0.20cm/s的流速，使L-苯丙氨酸通過毛細管，在毛 細管的檢測窗口由紫外檢測器檢測L-苯丙氨酸，測定L-苯丙氨酸不同濃度下 的擴散系數，以上述測定的擴散系數分別對其對應的L-苯丙氨酸濃度作圖(如 圖3所示)，測得的擴散系數偏差大于2%的L-苯丙氨酸濃度為6.05mM，此 濃度為L-苯丙氨酸的最大濃度。(7) 用蒸餾水沖洗步驟(1)的毛細管，時間為2分鐘，在毛細管中存 有蒸餾水，將步驟(1)的毛細管溫度設定到所需的溫度(25°C)，將低于步 驟(6)所測得的最大模式物質濃度的1.21mM的L-苯丙氨酸水溶液注入毛細管中；選用步驟(5)確定的蒸餾水流速的工作區間中的0.20cm/s的蒸餾水》荒 速，使L-苯丙氨酸通過毛細管，測定L-苯丙氨酸在不同進樣體積下的擴散系 數，然后以L-苯丙氨酸進樣體積對擴散系數作圖(如圖4所示)。測得的擴 散系數的偏差大于2%的進樣體積為10nL，此即為待測物質的最大進樣體積;(8)用蒸餾水和載體溶液沖洗步驟(1)的毛細管，時間均為2分鐘； 在毛細管中存有載體(對應于表l中的溶劑)，且將步驟(1)的毛細管溫度 設定到所需的溫度(對應于表l中的溫度)，選取步驟(3)中一種待測物質 (對應于表l中的溶質)溶液，用L34kPa的壓力將所選取的步驟(3)制備的 低于步驟(6)所測得的L-苯丙氨酸最大濃度的待測物質溶液注入毛細管中， 并使其進樣體積為4.5nL，小于步驟(7)所測得的最大進樣體積，選用步驟 (5)確定的載體(對應于表l中的載體)流速的工作區間中的0.20cm/s的流速 洗出待測物質(對應于表l中的溶質)，在毛細管的檢測窗口由紫外檢測器 檢測待測物質(對應于表l中的溶質)，由毛細管電泳儀所帶的工作站得待 測物質(對應于表l中的溶質)洗出峰的出峰時間和半峰寬，結合步驟(2) 所測得的毛細管的內半徑，由公式(8)直接計算得到待測物質的測定擴散系 數(對應于表l中的測定值)；^ln 2及> _0.231及〉 ⑨式中D是待測物質(對應于表l中的溶質)的擴散系數，凡是毛細管的 內半徑，^是待測物質(對應于表l中的溶質)的出峰時間，『1/2是洗出峰的 半峰寬。表1是測得的一系列待測物質(對應于表1中的溶質)在水或者有機溶 劑中的擴散系數值(對應于表1的測定值)，與文獻值(對應于表1的文獻值)相比較，測定結果準確度高，測定偏差都在2%以內。表1_w瞎 w劃 泊由，。o 測定值 文獻值溶質 溶劑 溫度/ C ,,rt5 2, 2 ，L-苯丙氨酸 丙酮 苯酚苯 甲苯苯1-丁醇251.010.991 6 9 2 5 17 1H 8 o 8 8o 3 4 8 8 o7 1 9- 9- 8- 855 5 o o o 52 2 2 2 2 2水水水水水醇乙
權利要求
1.一種利用毛細管電泳儀速測物質在液相中擴散系數的方法，包括對配有紫外檢測器的毛細管清洗、毛細管內半徑測定、待測物質溶液的制備、在毛細管的檢測窗口由紫外檢測器檢測待測物質進行數據處理分析、載體流速工作區間測定、待測物質濃度控制和進樣體積控制步驟，其特征是(1)對配有紫外檢測器的熔融硅毛細管的清洗；(2)用蒸餾水沖洗步驟(1)的毛細管，且溫度在25℃時，以60kPa＜ΔP＜150kPa讓蒸餾水流過毛細管，并分別收集20分鐘內洗出的蒸餾水并稱重，然后根據公式(9)計算得到毛細管半徑；取上述3個不同壓力差所得到毛細管半徑，并取它們的平均值作為速測物質擴散系數用的毛細管內半徑；<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>R</mi> <mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mroot> <mfrac><mrow> <mn>8</mn> <mi>LηQ</mi></mrow><mrow> <mi>π</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>ΔP</mi><mo>)</mo> </mrow></mrow> </mfrac> <mn>4</mn></mroot><mo>=</mo><mroot> <mfrac><mrow> <mn>8</mn> <mi>LηG</mi></mrow><mrow> <mi>π</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>ΔP</mi><mo>)</mo> </mrow> <mi>g</mi> <msub><mi>d</mi><mn>25</mn> </msub> <mi>t</mi></mrow> </mfrac> <mn>4</mn></mroot><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>9</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>式中L是毛細管的總長度，Q是水的體積流量，g是重力加速度，G是20分鐘內收集的蒸餾水重量，d25和η分別是25℃下水的密度0.9970mg/ml和粘度0.8909cP；ΔP是壓力差，t為20分鐘；(3)制備多個不同濃度的模式物質溶液和一定濃度的待測物質溶液；(4)用蒸餾水和載體溶液沖洗步驟(1)的毛細管，在毛細管中存有載體，且將步驟(1)的毛細管溫度設定到所需的溫度，選取步驟(3)中多個不同濃度的模式物質溶液中的一種，用壓力將所選取的步驟(3)的模式物質溶液注入毛細管中并通過毛細管，在毛細管的檢測窗口由紫外檢測器檢測模式物質，由毛細管電泳儀所帶的工作站得到模式物質洗出峰的出峰時間和半峰寬，結合步驟(2)所測得的毛細管的內半徑，由公式(8)直接計算得到模式物質的測定擴散系數；<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>D</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>ln</mi><mn>2</mn> </mrow> <mn>3</mn></mfrac><mfrac> <mrow><msubsup> <mi>R</mi> <mi>c</mi> <mn>2</mn></msubsup><mi>t</mi> </mrow> <msubsup><mi>W</mi><mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn></mrow><mn>2</mn> </msubsup></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>0.231</mn><msubsup> <mi>R</mi> <mi>c</mi> <mn>2</mn></msubsup><mi>t</mi> </mrow> <msubsup><mi>W</mi><mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn></mrow><mn>2</mn> </msubsup></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>式中D是模式物質的擴散系數，Rc是毛細管的內半徑，t是模式物質的出峰時間，W1/2是洗出峰的半峰寬；重復步驟(4)步驟，直至得到多個不同濃度的模式物質的測定擴散系數；(5)選取步驟(3)中多個不同濃度的模式物質溶液中的一種來測定步驟(1)毛細管的載體流速工作區間；用蒸餾水和載體溶液沖洗步驟(1)的毛細管，在毛細管中存有載體，將步驟(1)的毛細管溫度設定到所需的溫度，用壓力將所選取的步驟(3)的模式物質溶液注入毛細管中，分別選用不同壓力使模式物質通過毛細管，在毛細管的檢測窗口由紫外檢測器檢測模式物質，測定模式物質在步驟(1)毛細管中的載體流速下的擴散系數，然后以載體流速對擴散系數作圖，圖中測定的擴散系數與所選取的步驟(3)已知模式物質實際擴散系數偏差小于2％的區域即為載體流速的工作區間；(6)用蒸餾水和載體溶液沖洗步驟(1)的毛細管，在毛細管中存有載體，將步驟(1)的毛細管溫度設定到所需的溫度，將步驟(3)的多個不同濃度的模式物質溶液分別注入毛細管中；選用步驟(5)確定的載體流速的工作區間中的某一壓力下的流速，使上述模式物質分別通過毛細管，在毛細管的檢測窗口由紫外檢測器檢測模式物質，測定模式物質不同濃度下的擴散系數，以上述測定的擴散系數分別對其對應的模式物質濃度作圖，測定的擴散系數與已知模式物質實際擴散系數偏差大于2％的模式物質濃度為模式物質的最大濃度；(7)用蒸餾水和載體溶液沖洗步驟(1)的毛細管，在毛細管中存有載體，將步驟(1)的毛細管溫度設定到所需的溫度，將低于步驟(6)所測得的最大模式物質濃度的任意一濃度的模式物質溶液注入毛細管中；選用步驟(5)確定的載體流速的工作區間中的某一壓力下的流速，使上述模式物質通過毛細管，測定模式物質在不同進樣體積下的擴散系數，然后以模式物質進樣體積對擴散系數作圖；測定的擴散系數與已知模式物質實際擴散系數偏差大于2％的進樣體積即為模式物質的最大進樣體積；(8)用蒸餾水和載體溶液沖洗步驟(1)的毛細管，在毛細管中存有載體，且將步驟(1)的毛細管溫度設定到所需的溫度，選取步驟(3)中一種待測物質溶液，用壓力將所選取的步驟(3)制備的低于步驟(6)所測得的最大模式物質濃度的待測物質溶液注入毛細管中，并使其進樣體積小于步驟(7)所測得的最大進樣體積，選用步驟(5)確定的載體流速的工作區間中的某一壓力下的流速洗出待測物質，在毛細管的檢測窗口由紫外檢測器檢測待測物質，由毛細管電泳儀所帶的工作站得一定濃度的待測物質洗出峰的出峰時間和半峰寬，結合步驟(2)所測得的毛細管的內半徑，由公式(8)直接計算得到待測物質的測定擴散系數；<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>D</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>ln</mi><mn>2</mn> </mrow> <mn>3</mn></mfrac><mfrac> <mrow><msubsup> <mi>R</mi> <mi>c</mi> <mn>2</mn></msubsup><mi>t</mi> </mrow> <msubsup><mi>W</mi><mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn></mrow><mn>2</mn> </msubsup></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>0.231</mn><msubsup> <mi>R</mi> <mi>c</mi> <mn>2</mn></msubsup><mi>t</mi> </mrow> <msubsup><mi>W</mi><mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn></mrow><mn>2</mn> </msubsup></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>式中D是待測物質的擴散系數，Rc是毛細管的內半徑，t是待測物質的出峰時間，W1/2是洗出峰的半峰寬。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的待測物質是能溶于蒸餾 水或有機溶劑，或者能在水或有機溶劑中均勻分散形成熱力學穩定體系的物 質。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征是步驟(3)所述的溶劑為模式 物質或待測物質的載體。
4. 根據權利要求1或3所述的方法，其特征是所述的載體是蒸餾水或有 機溶劑。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特征是步驟(1)所述的清洗是依次 用甲醇清洗，蒸餾水清洗，硝酸清洗，蒸餾水清洗，氫氧化鈉清洗，最后用 蒸餾水沖洗。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特征是步驟(3)所述的制備多個不同濃度的模式物質溶液是3個以上模式物質溶液。
7. 根據權利要求1所述的方法，其特征是步驟(5)所述的用壓力將所選取的步驟(3)的模式物質溶液注入毛細管中，及分別選用不同壓力使模式 物質通過毛細管，其壓力范圍均是0.69 137.90kPa。
8. 根據權利要求7所述的方法，其特征是所述的分別選用不同壓力使模 式物質通過毛細管的壓力是選取6個以上壓力點。
9. 根據權利要求1所^&的方法，其特征是步驟(4)所述的用壓力將所 選取的步驟(3)的模式物質溶液注入毛細管中，及用壓力使模式物質溶液通 過毛細管，其壓力范圍均是0.69 137.90kPa。
10. 根據權利要求1所述的方法，其特征是步驟(8)所述的用壓力將所 選取的步驟(3)制備的低于步驟(6)所測得的最大模式物質濃度的待測物 質溶液注入毛細管的壓力是0.69 137.90 kPa。
全文摘要
本發明涉及用毛細管電泳儀測定物質在液相中擴散系數的方法。本發明揭示了利用毛細管電泳儀測定物質擴散系數時，影響測定準確性的多種關鍵因素，進而建立了一種具有一定通用性的物質擴散系數的快速測定方法，并可測定待測物質在水或者有機溶劑中的擴散系數。本發明將物質的擴散系數與其洗出峰的出峰時間和半峰寬關聯起來，可快速計算得到物質擴散系數值。相對于現有測定物質擴散系數的方法，其具有快速、微量、準確及通用等優點。
文檔編號G06F19/00GK101319979SQ20071010007
公開日2008年12月10日 申請日期2007年6月5日 優先權日2007年6月5日
發明者敏 左, 義 陳, 莉 齊 申請人:中國科學院化學研究所