Способ определения микровязкости растворов Советский патент 1991 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к молекулярной спектроскопии и может быть использовано для определения микровязкости растворов, биологических и технических молекулярных мембран, жидких кристаллоп и т.д.

Цель изобретения - повьшение достоверности определения точности за счет исключения влияния на величину r(t) светоиндуцированного вращения молекул растворенного вещества.

Иа фиг 1 показана кинетика ани- 3OTj oraffl испускания глицериновога раствора З-амино-Ы-метилфтапимида (ЗАЯШ) в обы1шом (кривые t, 2) и полулогарифмическом (кривые 3, 4) масаггабе для двух, длин воля Возбуаде- нйя Ag « 390 нм, кривые 1, 3, и Age 455 нм, кривые 2, 4). .

На фиг. 2 предетавлеиа блок-схема устаирвкй дпя реализации способа.

При возбуждении раствора на длинноволновом склоне спектра поглощения излучением лазера с определенной частотой л), названной впоследствии частотой нулевого ориентационного воз- -буждения, отсутствует временной сдвиг мгновенных спектров испускания, в то время, как для возбуждения частотами )g V и Vg ; V эти спектры со временем смещались в красную и синюю область, соответственно. Полученные экспериментальные результаты и их теоретический анализ позволили сделать вывод, что при возбуждении pljcTBOpa частотами Vg и Vg л происходит вьщеление избытка конфи- гурационной энергии в элементарной ячейке (сольвате), состоящей из молекулы растворенного вещества и молекул растворителя из первой координационной сферы. При возбуждении раствора частотой ) избыток конфигурационной энергии в сольвате отсутствует, чем и объясняется неизменность во времени положения мгновенного -спектра испускания. До настоящего момента считалось, что выделение избытка энергии межмолекулярных взаимодействий в сольнате, т.е. конфигурационная релаксагщя,включает поступательное и вращательное движение только молекул растворителя элементарной ячейки.

Однако эксперимент показал, что при межмолекулярной релаксации в растворе происходит также поворот молекул растворенного вещества. Анизотропию испускания в общем случае необходимо описывать двухэкспоненциальным зако- .

r(t) const, exp(-t/fc) + /1) + const jexpC-tX-Jg) ,

где первая экспонента связана со све гоиндуцированным вращением молекул с постоянной скоростью этого процес- са f , а вторая экспонента отвечает за тепловое броуновское вращение молекул с постоянной скоростью f g.

Наличие светоиндуцированного вра щения .молекул затрудняет точное изме- ренке микровязкости , т,к. величина С(. точно не известна и ее трудно измерить, В этом случае, также нельзя точно измерить tg из-за наложения на тепловое вращение молекул вращения, индуцированного лазерным возбуждением.

Только в случае возбуждения раствора частотой нулевого ориентацион- ного возбуждения iJ, r(t) описывается одноэкспоненциальным законом, что позволяет точно измерить Cg по r(t) и по известной формуле определить микровязкость

1

К Т

15.

(2)

..где К - постоянная Болыу ана; Т - темйература среды .V - объем люминесцирующёй молеку;1ы;

Си - время вращательной диффузии. Исследуемый объект возбуждали им- пульсбм лазера на красителе Гном-2 с дпительностью 1 не, что на порядок меньше длительности затухания лшми- несценция указанного раствс/ра 1 10 НС. ЛинеЙ ная поляризация возбуждающего .излучения обеспечивалась оп

5

°

5

Q

0

5

0

5

тическим поляризатором, размещенным между лазером на красителях и кюветой с рас твором. Компоненты люминесценции, поляризованные параллельно j(t) и перпендикуляпно J- (t) вектору возбуждающего света, вьщелялись анализатором, расположенным под пря. мым углом к направлению возбуждающего излучения.

Регистрация кинетики анизетропий испускания осуществлялась с помощью установки, блок-схема которой изображена на фиг. 2, Установка включает азотный лазер 5(Р„ 150 кВт, t 0,5 Ч С f/«.кс 50 Гц) , лазер на красителях 6 (ширина линии излучения 1-2 А), поляризатор 7, кювету с исследуемым веществом 8 и анализатор 9. Регистрир.ующая часть установки включает монохроматор 10 и стробоскопический осциллограф 11 (С7-8), исследуемый сигнал на который поступает с фотоэлектронного умножителя

12 (18-ЭЛУ-ФМ). Синхронизация осциллографа 11 осуществляется сигналом с фотоэлемента 13 (ФЭК-16), на который с помощью пластинок 14 ответвляется часть излучения. Регистрируемые сигналы накапливаются в анализаторе импульсов 15 .(АИ-256-6) и затем

.выводятся через блок 16 (Ф-253) на перфоратор 17 .(ПЛ-150Н). Синхронизация разверток монохроматора 10 осциллографа 11 и анализатора импульсов 15 осуществляется с помощью блока согласования 18. Ввод информации в микро-ЭВМ 19 (Электроника-60) осуществляется с помощью фотосчитывателя

20(СП-3). Обработанные данные в графическом виде выводятся на самописец

21(ВДП4-002), дисплей 22 и цифропе- чатное устройство 23 (СМ6312-01). Монохроматором 10 фиксируется определенная длина волны спектра. .Стробоскопический осциллограф 11 работает в режиме автоматической развертки, регистрируя сигналы с фотоэлектронного умножителя 12, Подобным образом регистрируются кривые затухания люминесценции для компонент, поляризованных параллельно J 4t) и перпендикулярно J- -Ct) вектору возбуждающего света. Затем с помощью ЭВМ из зависимостей J (t), J-(t) рассчитьюается

.кинетика анизотропии испускания r(t). Из кинетики анизотропии испускания r(t) непосредственно определяется время вращательной диффузии L, по

которому с помощью (2) рассчитывается микросвязь среды ,

Пример 1. Исследовались глицериновые растворы 3-амино-М-метил- фталимида (ЗАНМФ) при комнатной температуре (Т , С 10- Моль/л),

На фиг. 1 представлены полученные с помощью описанной установки кривые зависимости r(t) в обычном и полулогарифмическом масштабе для 2-х частот возбуждения глицеринового раствора ЗА№№ Ад 390 нм и 55 им. Регистрация кинетики анизотропии испускания в обоих случаях осуществлялась на длинноволновом склоне спектра испускания на длине волны pf, 540 нм. Из рисунка видно, что при возбуждении растяора частотой нулевого ориентациоиного возбуждения А( 455 нм зависимость r(t) носит однозкспоненту1альньп1 характер. Это позволяет точно.определить время вращательной ди(тх|5узии, которое для ЗАКЙФ в глицерине составило i. 17,0 НС, Так как объем молекулы известен и равен V О, 1 гтм , то в соответствии с формулой (2) : микровязкость глицерина составляет 1 300 спз.

Данные, приваденные на фиг. .1, позволяют также оценить на сколько увеличивается достоверность определения 1 с помощью предлагаемого способа Если значение времени вращательной диффузии определить из наклона усред- иенной зависимости r(t) (зта зависимость показана п)триховой линией на фиг. 1) для случая стоксового возбуждения (кривые 2, 4), то оно окажется равным Lg 15 НС. Следовательно, ошибка значений микровяз- кости ( по этим значениям времени вращательной диффузии составляет 12%.

Пример 2. Исследованы свойства флуоресцентного зонда 2-фенкл- фтиламина (2-ФНА) в биологической фосфолипидной биослойной мембране при комнатной температуре. Ниослой- ная мембрана готовилась в виде так называемых везикул, представляющих собой замкнутые шаровидные структуры, плавающие в воде. 2-ФНА в подобной структуре занимает положение в нескольких ангстремах от поверхности мембраны в области глицеринового остатка молекул фосфолипидов. ,

Для двух длин волн возбуждения А е- 395 нм и 410 нм регистрация ани

10

15

20

25

30

35

40

4S

0

5

зотропии люьшнесценции осуществлялась на длинноволновом склоне спектра люминесценции ff,- 475 нм и 480 нм соответственно. При возбуждении исследуемой системы н стоксовой области ( f, 395 нм) зависимость анизотропии испускания от времени носит ярко вьфаже.нньй неэкспопенциальный характер, так что встает проблема - на каком участке r(t) определять время вращательной диф(})узии. Если аппроксимировать функцию r(t) для данного случая прямой, то время враЩа- тельной диффузии, определенное из ее наклона,составляет Tj 8,5 не.

При Бозбулсдении системы 2-1№А в мембране частотой нулевого ориента- ционного возбуждения 410 нм изменение анизотропии испускания во времени описывается одной экспонен- той, т.к. энергетическая релаксация отсутствует. Время вращательной диффузии в этом случае составляет f,,

D

28,5 НС. Если рассчитывать для каждого случая мик зовязкость, то он% будет отличаться на 80%. Следовательно, точность определения микровязкости при возбуждении системы частотой 410 нм увеличивается на 80%

Таким образом, способ позволяет повысить достоверность при определении микровязкостей среды за счет выбора частоты возбуждения.

Формула изобретения

Способ определения микровязкости растворов, включающий возбуждение люминесценции исследуемого объекта поляризованным излучением лазера с импульсом короче, чем длительность люминесценции и с частотой из области спектра поглощения объекта, регистрацию кинетики анизотропии люминесценции г(и) и определение времени вращательной диффузии, по величине которого проводится расчет микровязкости, отличающийся тем, что, с целью повьапения достоверности определения за счет исключения влияния на величину r(t) светоиндуцированного вращения молекул растворенного вещества, возбуждение люминесценции про- эодят излучением с частотой нулевого ориентационного возбуждения на длин- НОВОЛНОВСЯ4 участке спектра поглощения объекта.

OflwM

iMM

Изобретение относится к молекулярной спектроскопии. Цель - повышение достоверности способа определения микровязкости растворов. Микро - вяэкость люминесцирутощего объекта определяется при возбуждении его ( излучением лазера с частотой нулевого рркентационного возбуждения. 2 ил.

ю

mitl

20

it не

Редактор Н.Тимоннна

фиг.г

Составитеп О.Бадтиева

Техред М.Ходанич Корректор Э,Лончакова

Заказ 2567

Тираж 415

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д« 4/5

-4

-w

Подписное