不同濃度甘油-磷酸鹽緩沖液低溫下物性分析

王艷嬌 諸 凱 安 娜 王雅博

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

不同濃度甘油-磷酸鹽緩沖液低溫下物性分析

王艷嬌 諸 凱 安 娜 王雅博

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

通過利用差示掃描量熱儀和熱常數(shù)分析儀，在低溫下對(duì)含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)甘油的磷酸鹽緩沖液進(jìn)行冰點(diǎn)、比熱、潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性參數(shù)的測(cè)定，定量分析了甘油濃度對(duì)甘油—磷酸鹽緩沖液的熱物性影響。結(jié)果表明:甘油能有效降低磷酸鹽緩沖液的冰點(diǎn)，減少相變潛熱量，同時(shí)影響著混合液的比熱值和導(dǎo)熱系數(shù)值。

DSC 熱常數(shù)分析儀 甘油 熱物性參數(shù)

1 引言

甘油分子小且柔性強(qiáng)，被認(rèn)為是最有前途的低溫保護(hù)溶劑［1］。目前，中國(guó)國(guó)內(nèi)關(guān)于甘油在低溫凍存方面的研究多是以甘油為冷凍保護(hù)劑，研究其濃度對(duì)細(xì)胞和組織凍存效果的影響，而對(duì)甘油影響作用機(jī)理方面的研究甚少。甘油-磷酸鹽緩沖液低溫過程中能維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性和等滲性，同時(shí)減少胞內(nèi)冰晶的形成，對(duì)細(xì)胞和組織凍存起著關(guān)鍵性作用。而甘油對(duì)磷酸鹽緩沖液相變過程中熱物性參數(shù)的影響還缺乏數(shù)據(jù)和理論支撐。首先對(duì)5種不同甘油濃度的甘油-磷酸鹽緩沖液的冰點(diǎn)，比熱、潛熱進(jìn)行了測(cè)定，再對(duì)其在低溫范圍內(nèi)(-50—0℃)進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定，并對(duì)5種不同濃度液體的凍結(jié)過程進(jìn)行了直接觀察。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

溶液:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，20%，30%，40%，50%的甘油-磷酸鹽緩沖液。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

熱流補(bǔ)償型差示掃描量熱儀(DSC)，HotDisk熱常數(shù)分析儀，微電腦恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)，低溫顯微系統(tǒng)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

首先，用DSC對(duì)五種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甘油-磷酸鹽緩沖液樣品進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)用熱常數(shù)分析儀測(cè)試其導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中為避免樣品過冷對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，同時(shí)進(jìn)行了樣品預(yù)核和不預(yù)核兩種測(cè)試程序，每種樣品重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，然后用低溫顯微鏡對(duì)5種不同濃度液體的凍結(jié)現(xiàn)象進(jìn)行了直接觀察。具體溫控程序如下:

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1a是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的甘油-磷酸鹽緩沖液在預(yù)核情況下的溫度-熱流圖，所謂預(yù)核是指將液體慢速率(5℃/min)降溫至其凝固溫度以下使其結(jié)冰，然后又升溫至融化溫度使大量冰融化，在消除其熱歷史的同時(shí)只余較少冰核以冰種的方式存在于液體中。采用5℃/min的慢速溫變程序，是因?yàn)樵谶@個(gè)速率下可以認(rèn)為該冷卻過程為冰晶的發(fā)展提供了足夠的時(shí)間，保證了相同實(shí)驗(yàn)條件下冰晶生成的最大化，同時(shí)可認(rèn)為系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行的是準(zhǔn)平衡相變過程［3-4］。圖1b是相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甘油-磷酸鹽緩沖液在不預(yù)核情況下的溫度-熱流圖。吸熱峰表示大量冰開始融化，按照熱分析的通常做法［5］將放熱峰的外推起始溫度，即在放熱峰上升側(cè)的拐點(diǎn)處做切線，切線與基線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度定為試樣的凍結(jié)溫度。吸熱峰的頂點(diǎn)溫度定為試樣的冰點(diǎn)。比較兩圖可以發(fā)現(xiàn)相較于不預(yù)核的情況，預(yù)核狀況下樣品的凍結(jié)溫度稍高，說明預(yù)核過程有利于樣品結(jié)晶和晶體生長(zhǎng)，這與液體過冷是密切相關(guān)的，液體的過冷態(tài)非常不穩(wěn)定，即使其溫度低于凝固點(diǎn)但仍不凝固或結(jié)晶，需投入少許該物質(zhì)的晶體來誘發(fā)結(jié)晶，當(dāng)液體中殘留少量的冰核時(shí)，一旦液體溫度到達(dá)其凝固溫度，這些冰核將以外擾的形式誘發(fā)溶液結(jié)晶。

圖2是5種樣品在預(yù)核狀況下的冷卻放熱過程，放熱峰與基線所圍面積為結(jié)晶潛熱，由圖可看出隨著甘油濃度的增大，結(jié)晶潛熱變小，結(jié)晶溫度降低。結(jié)晶潛熱是水固化成冰時(shí)放出的熱量，其值減小說明溶液中生成冰晶的數(shù)量有所減少，即甘油抑制了磷酸鹽緩沖液的結(jié)晶過程。圖3依次是由低溫顯微鏡拍攝的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，20%，30%，40%，50%的甘油-磷酸鹽緩沖液在預(yù)核狀況下的凍結(jié)過程，從圖中可以看出隨著甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，冰晶體積變小，這表明甘油抑制了冰晶的成長(zhǎng)。糊狀區(qū)晶核向冰晶生長(zhǎng)得益于與之結(jié)合生成冰晶的水分子，在處于過冷態(tài)的甘油-磷酸鹽緩沖液體系中，晶核聚集水分子向冰晶的生長(zhǎng)與水分子的擴(kuò)散有關(guān)。氫鍵結(jié)構(gòu)和溶液動(dòng)力學(xué)分析［6-8］表明，甘油-水溶液中水分子的擴(kuò)散可以用甘油-水氫鍵和甘油-甘油氫鍵來解釋，甘油分子中含有3個(gè)氧原子，水分子中含有2個(gè)氧原子，大多數(shù)情況下一個(gè)氧原子參與一個(gè)氫鍵，隨著甘油濃度的增大，平均每個(gè)甘油分子參與的甘油-水氫鍵會(huì)減少參與的甘油-甘油氫鍵會(huì)增多，也即是甘油-水氫鍵作用會(huì)不斷減弱，甘油-水氫鍵相互作用會(huì)使甘油分子擴(kuò)散速度加快，水分子擴(kuò)散速度變慢，因此，隨著甘油濃度的增大，在過冷狀態(tài)下與晶核結(jié)合生成的冰晶量減少，所釋放的潛熱量就會(huì)減少。表1給出5種樣本隨甘油濃度增大冰點(diǎn)和融冰潛熱的變化。

圖4是5種液體在預(yù)核狀況下比熱隨溫度的變化圖，由圖可以看出，對(duì)于一定濃度的混合液來說，凍結(jié)區(qū)比熱＜液相區(qū)比熱＜糊狀區(qū)比熱，凍結(jié)區(qū)比熱隨著甘油濃度的增大而增大，糊狀區(qū)和液相區(qū)比熱隨著甘油濃度的增大而減小，即甘油對(duì)磷酸鹽緩沖液比熱值的影響與溶液所處狀態(tài)有關(guān)。根據(jù)比熱容的一般規(guī)律，大部分固體的比熱容小于液體比熱容，因此凍結(jié)區(qū)的比熱小于混合液的比熱。糊狀區(qū)內(nèi)晶核結(jié)合水分子生成冰晶，當(dāng)大量冰晶生成時(shí)會(huì)釋放出較多的相變潛熱，使這個(gè)區(qū)的比熱值顯著增加甚至高于液相區(qū)，而釋放出的潛熱量又與冰晶的成長(zhǎng)量有關(guān)，根據(jù)上面的解釋，這個(gè)量和甘油濃度成反比，因此糊狀區(qū)的比熱也和甘油濃度成反比。在液相區(qū)比熱主要受水和甘油的影響，由于水的比熱大于甘油的比熱，因此隨著甘油所占百分比的增大，混合液的比熱呈下降趨勢(shì)。

圖2 冷卻過程下的熱流-溫度圖Fig.2 Changes of heat flow over temperature under cooling process

圖3 顯微鏡下凍結(jié)狀況Fig.3 Crystallization conditions under microscope

表1 5種液體的冰點(diǎn)和融冰潛熱Table 1 Latent heat and freezing temperatwres of five different solutions

圖4 比熱-溫度圖Fig.4 Changes of specific heat over temperature

圖5是各濃度液體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化圖，由圖可以看出各溶液的導(dǎo)熱系數(shù)在凍結(jié)區(qū)隨溫度的降低而增大，隨甘油濃度的增大而減小，糊狀區(qū)出現(xiàn)U型波動(dòng)，液相區(qū)甘油濃度大的液體，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而升高，甘油濃度小的液體隨溫度的升高而下降。對(duì)于處于液相區(qū)的5種溶液來說，原本磷酸鹽緩沖液的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而變小，甘油的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而變大，且前者隨溫度的變化速率大于后者，所以在液相區(qū)混合液的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)隨著溫度的升高而減小，呈現(xiàn)如圖的趨勢(shì)。不難看出，液相區(qū)甘油對(duì)磷酸鹽緩沖液導(dǎo)熱系數(shù)的影響不但跟溫度有關(guān)，還與甘油的量有關(guān)。觀察各混合液在凍結(jié)區(qū)和液相區(qū)的規(guī)律性變化，以及其在糊狀區(qū)內(nèi)的U型波動(dòng)，可以看出相變潛熱對(duì)樣本的導(dǎo)熱系數(shù)有影響，即甘油影響著混合液在糊狀區(qū)的導(dǎo)熱性能。液體分子導(dǎo)熱理論［9］認(rèn)為相變必然要破壞一部分分子鍵，而分子鍵數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱率隨溫度變化的速率劇變，以放熱峰值點(diǎn)為凝固的臨界點(diǎn)，吸熱峰值點(diǎn)為融化的臨界點(diǎn)，在臨界點(diǎn)以前少量液體凍結(jié)或冰晶融化，只需破壞一部分分子鍵而保留較多數(shù)量的分子鍵，進(jìn)入臨界點(diǎn)，剩下的分子鍵被破壞，分子鍵數(shù)發(fā)生第二次突變，故導(dǎo)熱率會(huì)出現(xiàn)如圖的U型變化。根據(jù)前面得到的結(jié)論，甘油抑制了冰晶的形成和融化，減少了分子鍵的破壞，因此，在糊狀區(qū)內(nèi)隨著甘油濃度的增大其對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)也是有抑制作用的。

圖5 導(dǎo)熱系數(shù)-溫度圖Fig.5 Changes of thermal conductivity over temperature

4 結(jié)論

通過對(duì)甘油-磷酸鹽緩沖液進(jìn)行DSC測(cè)試和對(duì)所得熱流圖的分析揭示了甘油濃度對(duì)磷酸鹽緩沖液熱物性參數(shù)的影響。分析表明甘油能有效抑制磷酸鹽緩沖液在低溫過程中冰晶的生長(zhǎng)和融化過程，減小其相變潛熱量，且抑制作用隨著甘油濃度的增大而增強(qiáng)。同時(shí)，通過對(duì)5種溶液在低溫范圍內(nèi)(-50—0℃)導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定和測(cè)量值的分析，發(fā)現(xiàn)甘油對(duì)磷酸鹽緩沖液導(dǎo)熱系數(shù)的影響不但與甘油的量有關(guān)還與磷酸鹽緩沖液本身所處狀態(tài)和溫度有關(guān)。

1 陳聰，李維仲.甘油水溶液氫鍵特性的分子動(dòng)力學(xué)模擬［J］.物理化學(xué)學(xué)報(bào).2009，25(3):507-512.

2 Jeung H C，John C.A quantitative analysis of the thermal properties of porcine liver with glycerol at subzero and cryogenic temperatures［J］.Cryobiology，2008，57:79-83.

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4 劉振海，田山立子.分析化學(xué)手冊(cè)(第8分冊(cè)):熱分析［M］.北京:化學(xué)業(yè)出版社，2000.71-92.

5 陳聰，李維仲等.甘油-水-氯化鈉三元溶液中甘油濃度對(duì)甘油自擴(kuò)散系數(shù)的影響.化學(xué)學(xué)報(bào)［J］.2012，70(8):1043-1046.

6 Towey J J，Dougan L.Structural examination of the impact of glycerol on water structure［J］.Journal of Physical Chemistry，2012，116:1633-1641.

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8 張克武.論液體導(dǎo)熱機(jī)理與液體導(dǎo)熱率方程［J］.化學(xué)工程師，1991(3):4-7.

Physical analysis on glycerol-phosphate buffered saline of different concentrations under subzero temperature

Wang Yanjiao Zhu KaiAn Na Wang Yabo

(Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China)

A quantitative analysis on the effect of glycerol concentration on phosphate buffer was made by detecting such thermal parameters as freezing point，specific heat，latent heat，thermal conductivity of phosphate buffer for different mass fractions of glycerol at subzero temperatures，with differential scanning calorimeter(DSC)and hotdisk thermal constant analyser.Rsults showed that glycerol concentration can reduce the freezing point and latent heat effectively and has a great influence on the specific heat and thermal conductivity of the mixture.

DSC;hotdisk thermal constant analyser;glycerol;thermal parameters

TB663

A

1000-6516(2012)06-0029-04

2012-07-20;

2012-10-24

國(guó)家自然科學(xué)基金(51076117)。

王艷嬌，女，24歲，碩士研究生。