Способ определения коэффициента диффузии в растворе

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК еЯ 28095 1 М 13-. и ц 1 у иМЫЛ".; Ейной БКЬ./ (,:.; ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ енныи иА здш дздоп дпгег РЬуз,ЕНТА ого ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Робинсон Р. Растворы электролтов. - М,; ИЛ, 1963, с. 315-323,Восйпег И Рдршап 1. р 1 ешестой оГ йесегш 1 по с 1 ддгсо 11 зсапз Ьу Ьо 1 оягарИс Гегошегу, - 1. Р 11 Уз 0: Арр 1. 1976,Чо 1. 9, р, 1825-1830.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИДИФФУЗИИ В РАСТВОРЕ(57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к изучению процессов массопереноса в растворах, например диффузионных, и может быть использовано дляопределения коэффициентов диффузии Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам изучения процессов массо- переноса в растворах, например диффузионных, и может быть использовано для определения коэффициентов диффузии биополимеров в биохимии, биофизи ке, молекулярной биологии: и медицине.Целью изобретения является расширение области применения способа путем обеспечения определения коэффи циента диффузии , в многокомпонентных растворах и повышение точности путем биополимеров в биохимии;: биофизике и др. Целью изобретения является расширение области применения способа путем обеспечения определения коэффициента диффузии в многокомпонентных растворах и повышение точности путем уменьшения ошибок, связанных с неопределенностью начальных условий, Новым в способе является то, что градиент концентрации в растворе формируют с помощью электрофоретического разделения. Формирование считают законченным при образовании пространственно разнесенных эон, Эти зоны соответствуют отдельным компонентам раствора. Регистрируют времен- а ную зависимость голографической интерферограммы после выключения электрического поля. Коэффициент диффузии отдельного компонента рассчиты- С вают по параметрам участка интерфер - граммы, соответствующего зоне данно компонента. 4 ил.Фиакр уменьшения ошибок, связанных с неопределенностью начальных условий.На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - вид интерференционной картины в полосах конечной ширины и в момент окончания электрофоретического разделения двухкомпонентной смеси (сплошные кривые) и вид интерференционной картины диффузионного размытия эон через времяпосле выключения электрического поля (пунктирные кривые), Ь - период по 1478095лос настройки, У - отклонение полос от начального расположения; на фиг.З - вид интерференционной картины в полосах бесконечной ширины в момент окончания электрофоретического разделения, цифрами обозначен номер полосы, соответствующий порядку интерференции; на фиг.4 - распределение порядка интерференции в момент выключения электрического поля (сплошная кривая) и через времй ь (пунктирная кривая) для одной фрак" ции при настройке на полосу конечной ширины. 15устройство для осуществления способа (фиг.1) содержит прибор 1 для электрофореэа на гориконтальной пластине геля (электродные резервуары, источник питания и стол прибора 2 О не показаны), который установлен в поле зрения голографического интерферометра, содержащего лазер 2, коллиматор 3, светоделитель 4, зеркало 5, голограмму 6 и фоторегистрирующее 25 устройство 7. Интерферометр собран по схеме записи с наклонным опорным пучком и работает следующим образом. Лучлазера. 2 расширяется коллиматором 3, затем светоделителем 4 разде- Зо ляется на предметный и опорный пучки. Пердметный пучок, пройдя через слой геля на пластине 1, попадает на голограмму б. Опорный пучок зеркалом 5 направляется также на голограмму 6. обеспечивая,при взаимодействии с предметным пучком формирование на ней интерференционной картиныИзмерения можно проводить придвух режимах настройки: на бесконеч 40 ную ширину полосы и на конечную ширину полосы. При настройке на бесконечную полосу труднее определить положение максимального порядка интерФеренции и его абсолютную величину,45 если они не кратны 0,5 (фиг.З), поэтому настройка на полосы конечнойширины предпочтительнее, так как позволяет точно определить эти величины в любом месте зоны (фиг.2). Порядок интерференции Н при настройке на бесконечную ширину полосы равен номеру полосы., Он возрастает от нулевого значения вне зоны биополимера и принимает дискретные значения Н= 0,5; 1,5 2,5 и т.д. для темных по. лос и И=1; 2 и т.д. для светлых полос по направлению к центру зоны (Фиг.З),При настройке на полосу конечнойширины порядок интерференции равенотношению смещения полос от начального расположения Ъ к периоду полосЬ, т.е., Ю= У/Ь (фиг.2),Определение коэффициентов диффузии производится .следующим образом.Подготовленнын прибор 1 для электроФореза устанавливается в поле зренияинтерферометра и осуществляетсязапись на голограмму 6 интерферционной картины начального состояния геляв системе электрофоретического разделения. Голограмма обрабатываетсяфотохимическим способом, на гель наносится проба разделяемого биопрепарата и включается электрическоенапряжение. Начинается процесс электрофореза, наблюдение за ходом которогоосуществляется визуально в реальноммасштабе времени на интерференционной картине, образующейся при взаимо-действии начального предметного пучка, записанного на голограмме 6 ивосстановленного опорным пучком (оносоответствует чистому гелю), с текущим предметным пучком, прошедшимгель с содержащимися в нем зонамибиопрепарата. Этот режим соответствует настройке на бесконечную ширинуполосы, Для настройки интерферометра на полосу конечной ширины необходимо поворотом зеркала 5 (фиг.1) наонебольшой угол (2-3 ) добиться желаемой частоты полос по полю прибора.В ходе электрофореза начальнаяпроба, внесенная в гель, разделяетсяна ряд пространственно разнесенныхзон, соответствующих отдельным компонентам смеси, Критерием разделенияпри настройке на полосу конечной ширины является появление между зонамиряда параллельных полос, соответствующих начальной настройке (Фиг.2,сплошные кривые). При настройке, на,полосу бесконечной ширины критериемразделения является появление зазора(светлого поля) между полосами и спорядком интерференции 0,5 двух соседних зон,После окончания разделения производится выключение электрическогополя и одновременно с этим регистрируется первая интерференционная картина фоторегистрирующим устройством7. На фиг,2 этому моменту соответствуют сплошные линии. В дальнейшемнаправленное движение эон в геле пре 1478 О 95крацается, а процесс диффузионного размывания зон продолжается, и через времяпосле выключения поля устройством 7 регистрируется соответст:5 вуюцая этому состоянию вторая интерференционная картина (Фиг.2,.пунктирные линии). Затем фотоматериал обрак батывается и расчет коэффициента дифФузии 0 производится отдельно для . 10 каждой фракции при совместной обра ботке полос на первой и второй интерференционных картинах с помощью выражения15Юх-. ) их, 01 1 п -= - - -1 п -- д- --Н(Х 4) а(Х,О) где М(ХО) и Н(Х,Э ) - порядок интер. ференции на расстоянии Хи Х соот ветственно от точки с максимальным порядком интерференции на первой интерференционной картине, соответствующев начальному моменту времени , (момент выключения. электрического по ля);Н(Х) и Н(Х 4,с,) - порядок интерференции на расстоянии Х и Х соот;ветственно от точки с максимальным порядком интерференции на второй ин терференционной картине, снятой через времяс момента выключения электрического поля (Фиг.4).На Фиг.4 показано определение величин, входящих в расчетную формулу. При обработке интерферограмм в полосах конечной ширины удобно принять Х=Х=О, тогда значения М(Х,0) и Б(Х, 1 будут соответствовать максимальным порядкам интерференции в 40 моменты времени 0 иП р и м е р. Определяют коэффициенты диффузии двухкомпонентной смеси следуюцего состава: альбумин сыворотки крови человека 11 мг"; гемоглобин из 45 крупного рогатого скота 5 мг; 0;5 Мтрис-НС 1 буфер (рН 6,8) до 1 мл. Общее содержание белка в пробе 1,6Электрофорез проводят по ступенчатой системе, для чего на пластине 50 размером 8 х 9 см полимериэуют рабочий гель с концентрацией мономера 7,5/ и концентрацией сшивки 2,5 Х и Формируюций гель с концентрацией мономера 4,5 И и концентрацией сшив ки 2,5/. Толцина геля 1,8 мм, в стартовой зоне Формирующего геля выполнено углубление для внесения пробы размером 10 х 1,5 мм. Пластину устанавливают горизонтально на столик прибора для электрофореэа, расположенный в поле зрения голографического интерферометраВ электродные сосуды заливают трис-глициновый буферный раствор (рН 8,6), на гель накладывают контактные Фитили. Во время проведения эксперимента температура окружающей среды состав-, ляет 18,5 С.Осуцествляют запись голограммы начального состояния геля в зоне разделения на Фотопластине для голографии типа МИКРАТ ЛОИ 2, затем на месте съемки проводят Фотохимическую обработку голограммы и поворотом зеркала 5 (фиг1) осуществляют настройку интерферометра на полосы конечной ширины.В углубление в геле вносят пробу разделяемой смеси в объеме 1 О мкл, на электроды подают напряжение 500 В от источника ИПЭ(при этом напряжение непосредственно на геле составляет, 5 В) и начинают электрофоретическое разделение, наблюдение за ходом которого ведут визуально в реальном масштабе времени по изменению интерференционной картины,После достижения достаточной степени пространственного разделения смеси на фракции (через 60 мин) синхронно выполняют следующие опера" ции: выключают электрическое поле, на фотопленку регистрируют первую интерференционную картину; включают секундомер.Через 23 мин после этого фиксируют вторую интерференционную карти.ну, соответствующую диффузионному размытию полос (вид полос показан на Фиг,2, где Фракция 1 соответствует гемоглобину,а Фракция 2 - альбумину).Перед проведением расчета с полученнойв ходе фоторегистрации процесса диффузиии пленки увеличенное изображение (в масштабе 20:1) для обоих моментов времени проецируют на бумагу, соответствующие полосы совмещают и Фиксируют. В процессе дальнейшей обработки каждой фракции в соответствии с фиг.4 получены следую цие числовые данные: для Фракции 1 ь(, = 1380 с, Х,= Х = О, Х = 0,6 мм, Х,= О;75 мм, Ы(Х О)= 1, 15, И(Х)= =0,833, Ю(Х ,0) = 0,645, М(Х 4,ь) - 0,375; для Фракции 2 с =1380 с, Х,= Х= О, Х= 0,5 мм, Х 4= 0,75 ммБ(Х 0)= 0,605, Б(Х, (, ) =0,542,Ы(Х ,О) =0,25, И(Х,) = 0,25,Подставляя эти значения в расчетную, формулу, получают коэффициентыдиффузии соответственно гемоглобинаи сывороточного альбумина для приведенных условий эксперимента.Формула изобретенияСпособ определения коэффициента диффузии в растворе, заключающийся в формировании начального градиента концентрации в растворе, регистрации временной зависимости интерферограммы раствора, по параметрам которой рассчитывают коэффициент диффузии по диффузионному уравнению фика, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с 2 О целью расширения области примененияспособа путем обеспечения определениякоэффициента диффузии в многокомпонентных растворах и повышения точности путем уменьшения ошибок, связанныхс неопределенностью начальных условий, начальный градиент концентрациив растворе формируют с помощью электрофоретического разделения до образования пространственно разнесенныхзон, сооответствующих отдельным компонентам раствора, регистрируют временную зависимость голографическойинтерферограммы после выключенияэлектрического поля, а коэффициентдиффузии отдельного компонента рассчитывают по параметрам участка интерферограммы, соответствующего зонеданного компонента.1478095 юция Фракция Г шаг Ц Ху Составитель А,КоТехред А,Кравчук орректор И.Муск актор С,Пекар Заказ 2355/42 Тирвж 790 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 а, 101 изводственно-издательский комбинат Патент , г, .жгород, Ул. Г11 1 Фу