专利名称：利用毛细管电泳仪速测物质在液相中扩散系数的方法
技术领域：
本发明涉及用毛细管电泳仪测定物质在液相中扩散系数的方法。
背景技术：
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。
发明内容
本发明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2
C(^) = 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
本发明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。
本发明的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》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；
及=4，=4一 (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，&5和" 分别是25。C下水的密度0.9970mg/ml和粘度0.8909cP; d户是压力差，f为20 分钟；
(3) 物质溶液的制备；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，并用涡旋搅拌或超声波分散等方法使模式物质和待测物质在 溶剂中均匀分散；
(4) 数据处理分析。用蒸馏水和载体溶液冲洗步骤(1)的毛细管，时 间均>2分钟；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，用压力使模式物质溶液通 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；式中Z)是模式物质的扩散系数，A是毛细管的内半径，f是模式物质的出 峰时间，W/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歩 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，时间均〉2分钟；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)己知模式物质实际扩散系数接近(偏差小于2%)的区域即为载体流速 的工作区间。若更换步骤(1)的毛细管，则须重新确定步骤(1)的毛细管 工作区间。
(6) 用蒸馏水和载体溶液冲洗步骤(1)的毛细管，时间均〉2分钟，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，将步骤(3) 的多个不同浓度的模式物质溶液分别注入毛细管中；选用步骤(5)确定的载
体流速的工作区间中的某一压力下的流速，使上述模式物质分别通过毛细管， 在毛细管的检测窗口由紫外检测器检测模式物质，测定模式物质不同浓度下 的扩散系数，以上述测定的扩散系数分别对其对应的模式物质浓度作图，测 定的扩散系数与已知模式物质实际扩散系数偏差大于2%的模式物质浓度为 模式物质的最大浓度。
(7) 用蒸馏水和载体溶液冲洗步骤(1)的毛细管，时间均>2分钟，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，将低于歩 骤(6)所测得的最大模式物质浓度的任意一浓度的模式物质溶液注入毛细管 中；选用步骤(5)确定的载体流速的工作区间中的某一压力下的流速，使上 述模式物质通过毛细管，测定模式物质在不同进样体积下的扩散系数，然后 以模式物质进样体积对扩散系数作图。测定的扩散系数与已知模式物质实际 扩散系数偏差大于2%的进样体积即为模式物质的最大进样体积；
(8) 用蒸馏水和载体溶液冲洗步骤(1)的毛细管，时间均〉2分钟；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)中一种待测物质溶液，用压力将所选取的步骤(3)制备的低于步骤
(6)所测得的最大模式物质浓度的待测物质溶液注入毛细管中，并使其进样体积小于步骤(7)所测得的最大进样体积，选用步骤(5)确定的载体流速 的工作区间中的某一压力下的流速洗出待测物质，在毛细管的检测窗口由紫 外检测器检测待测物质，由毛细管电泳仪所带的工作站得一定浓度的待测物 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)直接计算得到待测物质的测定扩散系数；
D—ln2 i c —0.231 & (8) —3 『2 _ PF2
式中D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。
步骤(3)所述的溶剂为模式物质或待测物质的载体。
所述的载体是蒸馏水或有机溶剂。如，当测定某待测物质在水中扩散系
数，则应以水为载体；在某有机溶剂中扩散系数，则应以该有机溶剂为载体。 所述的待测物质是能溶于蒸馏水或有机溶剂，或者能在水或有机溶剂中
均匀分散形成热力学稳定体系(如胶体金溶液)的物质。
步骤(1)所述的清洗是依次用甲醇清洗>10分钟，蒸馏水清洗>5分钟，
1 mol/L的硝酸清洗>10分钟，蒸馏水清洗>5分钟，1 mol/L的氢氧化钠清洗
>10分钟，最后用蒸馏水冲洗>5分钟。在每两次测量间，毛细管用lmol/L氢
氧化钠冲洗>5分钟。
步骤(3)所述的制备多个不同浓度的模式物质溶液是3个以上模式物质溶液。
步骤(5)所述的用压力将所选取的步骤(3)的模式物质溶液注入毛细 管中，及分别选用不同压力使模式物质通过毛细管，其压力范围均是0.69 137.90 kPa。
所述的分别选用不同压力使模式物质通过毛细管的压力是选取6个以上 压力点。
步骤(4)所述的用压力将所选取的步骤(3)的模式物质溶液注入毛细 管中，及用压力使模式物质溶液通过毛细管，其压力范围均是0.69 137.90 kPa。
步骤(8)所述的用压力将所选取的步骤(3)制备的低于步骤(6)所测 得的最大模式物质浓度的待测物质溶液注入毛细管的压力是0.69 137.90 kPa。
本发明公开了一种利用商品毛细管电泳仪对物质在液相中扩散系数进行快速准确测定的方法。本发明揭示了利用毛细管电泳仪测定待测物质在液相 中扩散系数时，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 通用性的物质在液相中扩散系数的快速测定方法，并可测定物质在水或者非 水溶剂中的扩散系数。本发明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，可快速计算得到其扩散系数值。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。
在不违背本发明的精神和范围的情况下，本发明可以做出许多各种各样的 实施，所以应该理解到，除权利要求所限定之外，本发明并不局限于本文会合 出的具体的实施例。
图l.本发明实施例1的载体流速与测得的L-苯丙氨酸扩散系数间的关系图。
图2.本发明实施例1的压力与载体流速间的关系。
图3.本发明实施例1的L-苯丙氨酸的进样体积与测得的扩散系数间的关 系图。 、
图4.本发明实施例1的进样体积与测得的L-苯丙氨酸扩散系数间的关系图。
具体实施例方式
以一厂家提供的半径为37.5nm、长度为60cm (进样端到检测窗口的距离 为50cm)的毛细管为例来说明测定条件的选择。测定时用L-苯丙氨酸(Mcgraw 在其著作《American institute of physics handbook》 一书中给定L-苯丙氨酸在 25'C扩散系数的值为7.06Xl(^cm2/3)为例。通过下列结合附图的详细描述， 本发明的目的和方法能被更好的理解。
(1) 熔融硅毛细管的清洗。按照如下步骤清洗毛细管甲醇清洗15分 钟，水清洗10分钟，1 mol/L的硝酸清洗15分钟，水清洗10分钟，lmol/L 的氢氧化钠清洗15分钟，最后用水冲洗10分钟。在每两次测量间，毛细管 用1 mol/L氢氧化钠冲洗5分钟，然后用水和载体溶液各冲洗2分钟。
(2) 测定步骤(1)的毛细管的内径。依据Hagen-Poiseuille定律来测定 毛细管的内径。在25。C时，以67.33kPa， 100.66kPa和135.43kPa的压力差让 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(G)，然后 根据公式(9)分别计算得到毛细管半径，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；及4^M二4p^Z (9)式中丄是毛细管的总长度，^是水的体积流量，g是重力加速度，^s和W 分别是25。C下水的密度0.9970mg/ml和粘度0.8909cP; JP^压力差，f为20 分钟；测得的半径分别是36.36、 36.31和36.34^11!1，取其平均值36.34pm为 毛细管的内半径。(3) 物质溶液的制备；制备浓度分别为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(模式物质)的水溶 液和浓度均为2mM的丙酮、苯酚、苯、甲苯的水溶液与苯的乙醇和l-丁醇(待 测物质)溶液。(4) 数据处理分析。用蒸馏水冲洗步骤(1)的毛细管，时间为2分钟； 在毛细管中存有蒸馏水，且将步骤(1)的毛细管温度设定到25'C，选取步骤(3)中多个不同浓度的L-苯丙氨酸溶液中的一种，用1.34kPa的压力将所选 取的步骤(3)的L-苯丙氨酸溶液注入毛细管中，用选自0.69 137.90 kPa的 压力使L-苯丙氨酸溶液分别以0.02264、 0.04304 、 0.10482、 0.21313、 0.60386、 0.94697、 1.24378、 1.51515、 1.75439和2.12585 cm/s的蒸馏水流速通过毛细 管，在毛细管的检测窗口由紫外检测器检测L-苯丙氨酸，由毛细管电泳仪所 带的工作站得到L-苯丙氨酸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L-苯丙氨酸的测定扩散系数； n —ln2 i 》—0.231i c2/ "、式中D是L-苯丙氨酸的扩散系数，凡是毛细管的内半径，/是L-苯丙氨 酸的出峰时间，『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L-苯丙氨酸的测定扩散系数；(5)选取步骤(3)中的浓度为1.21mM的L-苯丙氨酸水溶液来测定步 骤(1)毛细管的载体流速工作区间；用蒸馏水溶液冲洗步骤(1)的毛细管， 时间均为2分钟；在毛细管中存有蒸馏水，将步骤(1)的毛细管温度设定到 所需的温度(25°C)，用1.34kPa的压力将所选取的步骤(3)的L-苯丙氨酸 溶液注入毛细管中，用选自0.69 137.90kPa的压力分别测定其在步骤(1) 毛细管中的0.02264、 0.04304、 0.10482、 0.21313、 0.60386、 0.94697、 1.24378、 1.51515、 1.75439和2.12585 cm/s的蒸馏水流速下的扩散系数，然后以蒸馏水流速对扩散系数作图，图中测得的扩散系数与L-苯丙氨酸实际扩散系数接近 (偏差小于2%)的区域即为蒸馏水流速的工作区间。由图1可知在O.l至lcm/s的蒸馏水流速范围内，测得的扩散系数的偏差最小，也就是说，图中水平部分(区域n，其包含水平虚线的上下两部分)是在所选毛细管下准确测定物质扩散系数的有效工作区间。图1中的水平虚 线表示该温度下L-苯丙氨酸的实际扩散系数值。而在区域(I其包含水平虚 线的上下两部分)和区域III ( I其包含水平虚线的上下两部分)中，测得的 L-苯丙氨酸的扩散系数值分别比其实际值偏低和偏高。因此，当使用的内半 径为36.34pm、长度为60cm (有效长度50cm)的毛细管来测定物质的扩散系 数时，蒸馏水流速应控制在0.1 lcm/s (工作区间)。在本发明中，蒸馏水是由压力驱动而流动的，由图2可以看出，在40kPa 的压力范围内，蒸馏水的流速与毛细管两端的压力差呈线性关系。而40kPa 的压力下相应的流速是1.00cm/s，这个值也是能精确测量扩散系数的压力的上 限。当超过这个压力上限后，曲线开始向下弯曲，测得的扩散系数值偏大。 此外，该测试也提供了一种测定最高有效流速的实验方法。值得注意的是，流速的工作范围也与毛细管的长度和内径有关。例如， 当使用一半径为12.14 pm、有效长度为50cm的毛细管时，其流速的工作范围 縮短到0.1 0.2cm/s;而当一个半径为35.85nm、有效长度为20cm的毛细管 被用来测定物质的扩散系数时，蒸馏水流速的工作范围也只有0.3 0.7cm/s。 因此，当更换新的毛细管后，流速的工作范围需要重新标定，并且毛细管的 内径也需重新测定。(6) 用蒸馏水冲洗步骤(1)的毛细管，时间为2分钟，在毛细管中存 有蒸馏水，将步骤(1)的毛细管温度设定到所需的温度(25°C)，将步骤(3) 的多个不同浓度的L-苯丙氨酸溶液分别注入毛细管中；选用步骤(5)确定的 蒸馏水流速的工作区间中0.20cm/s的流速，使L-苯丙氨酸通过毛细管，在毛 细管的检测窗口由紫外检测器检测L-苯丙氨酸，测定L-苯丙氨酸不同浓度下 的扩散系数，以上述测定的扩散系数分别对其对应的L-苯丙氨酸浓度作图(如 图3所示)，测得的扩散系数偏差大于2%的L-苯丙氨酸浓度为6.05mM，此 浓度为L-苯丙氨酸的最大浓度。(7) 用蒸馏水冲洗步骤(1)的毛细管，时间为2分钟，在毛细管中存 有蒸馏水，将步骤(1)的毛细管温度设定到所需的温度(25°C)，将低于步 骤(6)所测得的最大模式物质浓度的1.21mM的L-苯丙氨酸水溶液注入毛细管中；选用步骤(5)确定的蒸馏水流速的工作区间中的0.20cm/s的蒸馏水》荒 速，使L-苯丙氨酸通过毛细管，测定L-苯丙氨酸在不同进样体积下的扩散系 数，然后以L-苯丙氨酸进样体积对扩散系数作图(如图4所示)。测得的扩 散系数的偏差大于2%的进样体积为10nL，此即为待测物质的最大进样体积;(8)用蒸馏水和载体溶液冲洗步骤(1)的毛细管，时间均为2分钟； 在毛细管中存有载体(对应于表l中的溶剂)，且将步骤(1)的毛细管温度 设定到所需的温度(对应于表l中的温度)，选取步骤(3)中一种待测物质 (对应于表l中的溶质)溶液，用L34kPa的压力将所选取的步骤(3)制备的 低于步骤(6)所测得的L-苯丙氨酸最大浓度的待测物质溶液注入毛细管中， 并使其进样体积为4.5nL，小于步骤(7)所测得的最大进样体积，选用步骤 (5)确定的载体(对应于表l中的载体)流速的工作区间中的0.20cm/s的流速 洗出待测物质(对应于表l中的溶质)，在毛细管的检测窗口由紫外检测器 检测待测物质(对应于表l中的溶质)，由毛细管电泳仪所带的工作站得待 测物质(对应于表l中的溶质)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)直接计算得到待测物质的测定扩散系 数(对应于表l中的测定值)；^ln 2及> _0.231及〉 ⑨式中D是待测物质(对应于表l中的溶质)的扩散系数，凡是毛细管的 内半径，^是待测物质(对应于表l中的溶质)的出峰时间，『1/2是洗出峰的 半峰宽。表1是测得的一系列待测物质(对应于表1中的溶质)在水或者有机溶 剂中的扩散系数值(对应于表1的测定值)，与文献值(对应于表1的文献值)相比较，测定结果准确度高，测定偏差都在2%以内。表1_w瞎 w划 泊由，。o 测定值 文献值溶质 溶剂 温度/ 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
权利要求
1.一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；<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，d25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；<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是模式物质的扩散系数，Rc是毛细管的内半径，t是模式物质的出峰时间，W1/2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)已知模式物质实际扩散系数偏差小于2％的区域即为载体流速的工作区间；(6)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，将步骤(3)的多个不同浓度的模式物质溶液分别注入毛细管中；选用步骤(5)确定的载体流速的工作区间中的某一压力下的流速，使上述模式物质分别通过毛细管，在毛细管的检测窗口由紫外检测器检测模式物质，测定模式物质不同浓度下的扩散系数，以上述测定的扩散系数分别对其对应的模式物质浓度作图，测定的扩散系数与已知模式物质实际扩散系数偏差大于2％的模式物质浓度为模式物质的最大浓度；(7)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，将低于步骤(6)所测得的最大模式物质浓度的任意一浓度的模式物质溶液注入毛细管中；选用步骤(5)确定的载体流速的工作区间中的某一压力下的流速，使上述模式物质通过毛细管，测定模式物质在不同进样体积下的扩散系数，然后以模式物质进样体积对扩散系数作图；测定的扩散系数与已知模式物质实际扩散系数偏差大于2％的进样体积即为模式物质的最大进样体积；(8)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)中一种待测物质溶液，用压力将所选取的步骤(3)制备的低于步骤(6)所测得的最大模式物质浓度的待测物质溶液注入毛细管中，并使其进样体积小于步骤(7)所测得的最大进样体积，选用步骤(5)确定的载体流速的工作区间中的某一压力下的流速洗出待测物质，在毛细管的检测窗口由紫外检测器检测待测物质，由毛细管电泳仪所带的工作站得一定浓度的待测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)直接计算得到待测物质的测定扩散系数；<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是待测物质的扩散系数，Rc是毛细管的内半径，t是待测物质的出峰时间，W1/2是洗出峰的半峰宽。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的待测物质是能溶于蒸馏 水或有机溶剂，或者能在水或有机溶剂中均匀分散形成热力学稳定体系的物 质。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征是步骤(3)所述的溶剂为模式 物质或待测物质的载体。
4. 根据权利要求1或3所述的方法，其特征是所述的载体是蒸馏水或有 机溶剂。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征是步骤(1)所述的清洗是依次 用甲醇清洗，蒸馏水清洗，硝酸清洗，蒸馏水清洗，氢氧化钠清洗，最后用 蒸馏水冲洗。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征是步骤(3)所述的制备多个不同浓度的模式物质溶液是3个以上模式物质溶液。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征是步骤(5)所述的用压力将所选取的步骤(3)的模式物质溶液注入毛细管中，及分别选用不同压力使模式 物质通过毛细管，其压力范围均是0.69 137.90kPa。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征是所述的分别选用不同压力使模 式物质通过毛细管的压力是选取6个以上压力点。
9. 根据权利要求1所^&的方法，其特征是步骤(4)所述的用压力将所 选取的步骤(3)的模式物质溶液注入毛细管中，及用压力使模式物质溶液通 过毛细管，其压力范围均是0.69 137.90kPa。
10. 根据权利要求1所述的方法，其特征是步骤(8)所述的用压力将所 选取的步骤(3)制备的低于步骤(6)所测得的最大模式物质浓度的待测物 质溶液注入毛细管的压力是0.69 137.90 kPa。
全文摘要
本发明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。
文档编号G06F19/00GK101319979SQ20071010007
公开日2008年12月10日 申请日期2007年6月5日 优先权日2007年6月5日
发明者敏 左, 义 陈, 莉 齐 申请人:中国科学院化学研究所