王艷嬌 諸 凱 安 娜 王雅博

(天津商業(yè)大學天津市制冷技術重點實驗室 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)大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

通過利用差示掃描量熱儀和熱常數(shù)分析儀，在低溫下對含不同質量分數(shù)甘油的磷酸鹽緩沖液進行冰點、比熱、潛熱、導熱系數(shù)等熱物性參數(shù)的測定，定量分析了甘油濃度對甘油—磷酸鹽緩沖液的熱物性影響。結果表明:甘油能有效降低磷酸鹽緩沖液的冰點，減少相變潛熱量，同時影響著混合液的比熱值和導熱系數(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，被認為是最有前途的低溫保護溶劑［1］。目前，中國國內(nèi)關于甘油在低溫凍存方面的研究多是以甘油為冷凍保護劑，研究其濃度對細胞和組織凍存效果的影響，而對甘油影響作用機理方面的研究甚少。甘油-磷酸鹽緩沖液低溫過程中能維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性和等滲性，同時減少胞內(nèi)冰晶的形成，對細胞和組織凍存起著關鍵性作用。而甘油對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5種不同甘油濃度的甘油-磷酸鹽緩沖液的冰點，比熱、潛熱進行了測定，再對其在低溫范圍內(nèi)(-50—0℃)進行導熱系數(shù)的測定，并對5種不同濃度液體的凍結過程進行了直接觀察。

2 實驗材料和方法

2.1 實驗材料

溶液:質量分數(shù)為10%，20%，30%，40%，50%的甘油-磷酸鹽緩沖液。

2.2 實驗設備

熱流補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機，低溫顯微系統(tǒng)。

2.3 實驗方法

首先，用DSC對五種不同質量分數(shù)的甘油-磷酸鹽緩沖液樣品進行測試，同時用熱常數(shù)分析儀測試其導熱系數(shù)。實驗過程中為避免樣品過冷對實驗結果造成的影響，同時進行了樣品預核和不預核兩種測試程序，每種樣品重復實驗3次，然后用低溫顯微鏡對5種不同濃度液體的凍結現(xiàn)象進行了直接觀察。具體溫控程序如下:

3 實驗結果與分析

圖1a是質量分數(shù)為10%的甘油-磷酸鹽緩沖液在預核情況下的溫度-熱流圖，所謂預核是指將液體慢速率(5℃/min)降溫至其凝固溫度以下使其結冰，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，是因為在這個速率下可以認為該冷卻過程為冰晶的發(fā)展提供了足夠的時間，保證了相同實驗條件下冰晶生成的最大化，同時可認為系統(tǒng)內(nèi)部進行的是準平衡相變過程［3-4］。圖1b是相同質量分數(shù)的甘油-磷酸鹽緩沖液在不預核情況下的溫度-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，即在放熱峰上升側的拐點處做切線，切線與基線的交點所對應的溫度定為試樣的凍結溫度。吸熱峰的頂點溫度定為試樣的冰點。比較兩圖可以發(fā)現(xiàn)相較于不預核的情況，預核狀況下樣品的凍結溫度稍高，說明預核過程有利于樣品結晶和晶體生長，這與液體過冷是密切相關的，液體的過冷態(tài)非常不穩(wěn)定，即使其溫度低于凝固點但仍不凝固或結晶，需投入少許該物質的晶體來誘發(fā)結晶，當液體中殘留少量的冰核時，一旦液體溫度到達其凝固溫度，這些冰核將以外擾的形式誘發(fā)溶液結晶。

圖2是5種樣品在預核狀況下的冷卻放熱過程，放熱峰與基線所圍面積為結晶潛熱，由圖可看出隨著甘油濃度的增大，結晶潛熱變小，結晶溫度降低。結晶潛熱是水固化成冰時放出的熱量，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晶過程。圖3依次是由低溫顯微鏡拍攝的質量分數(shù)為10%，20%，30%，40%，50%的甘油-磷酸鹽緩沖液在預核狀況下的凍結過程，從圖中可以看出隨著甘油質量分數(shù)的增大，冰晶體積變小，這表明甘油抑制了冰晶的成長。糊狀區(qū)晶核向冰晶生長得益于與之結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與水分子的擴散有關。氫鍵結構和溶液動力學分析［6-8］表明，甘油-水溶液中水分子的擴散可以用甘油-水氫鍵和甘油-甘油氫鍵來解釋，甘油分子中含有3個氧原子，水分子中含有2個氧原子，大多數(shù)情況下一個氧原子參與一個氫鍵，隨著甘油濃度的增大，平均每個甘油分子參與的甘油-水氫鍵會減少參與的甘油-甘油氫鍵會增多，也即是甘油-水氫鍵作用會不斷減弱，甘油-水氫鍵相互作用會使甘油分子擴散速度加快，水分子擴散速度變慢，因此，隨著甘油濃度的增大，在過冷狀態(tài)下與晶核結合生成的冰晶量減少，所釋放的潛熱量就會減少。表1給出5種樣本隨甘油濃度增大冰點和融冰潛熱的變化。

圖4是5種液體在預核狀況下比熱隨溫度的變化圖，由圖可以看出，對于一定濃度的混合液來說，凍結區(qū)比熱＜液相區(qū)比熱＜糊狀區(qū)比熱，凍結區(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，即甘油對磷酸鹽緩沖液比熱值的影響與溶液所處狀態(tài)有關。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，因此凍結區(qū)的比熱小于混合液的比熱。糊狀區(qū)內(nèi)晶核結合水分子生成冰晶，當大量冰晶生成時會釋放出較多的相變潛熱，使這個區(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量有關，根據(jù)上面的解釋，這個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。

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 顯微鏡下凍結狀況Fig.3 Crystallization conditions under microscope

表1 5種液體的冰點和融冰潛熱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是各濃度液體導熱系數(shù)隨溫度變化圖，由圖可以看出各溶液的導熱系數(shù)在凍結區(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，液相區(qū)甘油濃度大的液體，導熱系數(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。對于處于液相區(qū)的5種溶液來說，原本磷酸鹽緩沖液的導熱系數(shù)隨溫度的升高而變小，甘油的導熱系數(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)混合液的導熱系數(shù)應隨著溫度的升高而減小，呈現(xiàn)如圖的趨勢。不難看出，液相區(qū)甘油對磷酸鹽緩沖液導熱系數(shù)的影響不但跟溫度有關，還與甘油的量有關。觀察各混合液在凍結區(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，可以看出相變潛熱對樣本的導熱系數(shù)有影響，即甘油影響著混合液在糊狀區(qū)的導熱性能。液體分子導熱理論［9］認為相變必然要破壞一部分分子鍵，而分子鍵數(shù)的變化會導致導熱率隨溫度變化的速率劇變，以放熱峰值點為凝固的臨界點，吸熱峰值點為融化的臨界點，在臨界點以前少量液體凍結或冰晶融化，只需破壞一部分分子鍵而保留較多數(shù)量的分子鍵，進入臨界點，剩下的分子鍵被破壞，分子鍵數(shù)發(fā)生第二次突變，故導熱率會出現(xiàn)如圖的U型變化。根據(jù)前面得到的結論，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導熱系數(shù)也是有抑制作用的。

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

4 結論

通過對甘油-磷酸鹽緩沖液進行DSC測試和對所得熱流圖的分析揭示了甘油濃度對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。同時，通過對5種溶液在低溫范圍內(nèi)(-50—0℃)導熱系數(shù)的測定和測量值的分析，發(fā)現(xiàn)甘油對磷酸鹽緩沖液導熱系數(shù)的影響不但與甘油的量有關還與磷酸鹽緩沖液本身所處狀態(tài)和溫度有關。

1 陳聰，李維仲.甘油水溶液氫鍵特性的分子動力學模擬［J］.物理化學學報.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.

3 Jeung H C，John C.A quantitative analysis on the thermal properties of phosphate buffered saline with glycerol at subzero temperatures［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2008，51:640-649.

4 劉振海，田山立子.分析化學手冊(第8分冊):熱分析［M］.北京:化學業(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甘油自擴散系數(shù)的影響.化學學報［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.

7 Nagoe A，Oguni M.Hydrogen-bond network formation of water molecules and its effects on the glass transitions in the ethylene glycol aqueous solutions:failure of the Gordon-Taylor law in the water-rich range and absence of the T(g)=115K rearrangement process in bulk pure water［J］.Journal of Physics-Condensed Matter，2010，22:325103.

8 張克武.論液體導熱機理與液體導熱率方程［J］.化學工程師，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

國家自然科學基金(51076117)。

王艷嬌，女，24歲，碩士研究生。