不同浓度甘油-磷酸盐缓冲液低温下物性分析

王艳娇 诸 凯 安 娜 王雅博

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

不同浓度甘油-磷酸盐缓冲液低温下物性分析

王艳娇 诸 凯 安 娜 王雅博

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

通过利用差示扫描量热仪和热常数分析仪，在低温下对含不同质量分数甘油的磷酸盐缓冲液进行冰点、比热、潜热、导热系数等热物性参数的测定，定量分析了甘油浓度对甘油—磷酸盐缓冲液的热物性影响。结果表明:甘油能有效降低磷酸盐缓冲液的冰点，减少相变潜热量，同时影响着混合液的比热值和导热系数值。

DSC 热常数分析仪 甘油 热物性参数

1 引言

甘油分子小且柔性强，被认为是最有前途的低温保护溶剂［1］。目前，中国国内关于甘油在低温冻存方面的研究多是以甘油为冷冻保护剂，研究其浓度对细胞和组织冻存效果的影响，而对甘油影响作用机理方面的研究甚少。甘油-磷酸盐缓冲液低温过程中能维持细胞内环境的稳定性和等渗性，同时减少胞内冰晶的形成，对细胞和组织冻存起着关键性作用。而甘油对磷酸盐缓冲液相变过程中热物性参数的影响还缺乏数据和理论支撑。首先对5种不同甘油浓度的甘油-磷酸盐缓冲液的冰点，比热、潜热进行了测定，再对其在低温范围内(-50—0℃)进行导热系数的测定，并对5种不同浓度液体的冻结过程进行了直接观察。

2 实验材料和方法

2.1 实验材料

溶液:质量分数为10%，20%，30%，40%，50%的甘油-磷酸盐缓冲液。

2.2 实验设备

热流补偿型差示扫描量热仪(DSC)，HotDisk热常数分析仪，微电脑恒温恒湿试验机，低温显微系统。

2.3 实验方法

首先，用DSC对五种不同质量分数的甘油-磷酸盐缓冲液样品进行测试，同时用热常数分析仪测试其导热系数。实验过程中为避免样品过冷对实验结果造成的影响，同时进行了样品预核和不预核两种测试程序，每种样品重复实验3次，然后用低温显微镜对5种不同浓度液体的冻结现象进行了直接观察。具体温控程序如下:

3 实验结果与分析

图1a是质量分数为10%的甘油-磷酸盐缓冲液在预核情况下的温度-热流图，所谓预核是指将液体慢速率(5℃/min)降温至其凝固温度以下使其结冰，然后又升温至融化温度使大量冰融化，在消除其热历史的同时只余较少冰核以冰种的方式存在于液体中。采用5℃/min的慢速温变程序，是因为在这个速率下可以认为该冷却过程为冰晶的发展提供了足够的时间，保证了相同实验条件下冰晶生成的最大化，同时可认为系统内部进行的是准平衡相变过程［3-4］。图1b是相同质量分数的甘油-磷酸盐缓冲液在不预核情况下的温度-热流图。吸热峰表示大量冰开始融化，按照热分析的通常做法［5］将放热峰的外推起始温度，即在放热峰上升侧的拐点处做切线，切线与基线的交点所对应的温度定为试样的冻结温度。吸热峰的顶点温度定为试样的冰点。比较两图可以发现相较于不预核的情况，预核状况下样品的冻结温度稍高，说明预核过程有利于样品结晶和晶体生长，这与液体过冷是密切相关的，液体的过冷态非常不稳定，即使其温度低于凝固点但仍不凝固或结晶，需投入少许该物质的晶体来诱发结晶，当液体中残留少量的冰核时，一旦液体温度到达其凝固温度，这些冰核将以外扰的形式诱发溶液结晶。

图2是5种样品在预核状况下的冷却放热过程，放热峰与基线所围面积为结晶潜热，由图可看出随着甘油浓度的增大，结晶潜热变小，结晶温度降低。结晶潜热是水固化成冰时放出的热量，其值减小说明溶液中生成冰晶的数量有所减少，即甘油抑制了磷酸盐缓冲液的结晶过程。图3依次是由低温显微镜拍摄的质量分数为10%，20%，30%，40%，50%的甘油-磷酸盐缓冲液在预核状况下的冻结过程，从图中可以看出随着甘油质量分数的增大，冰晶体积变小，这表明甘油抑制了冰晶的成长。糊状区晶核向冰晶生长得益于与之结合生成冰晶的水分子，在处于过冷态的甘油-磷酸盐缓冲液体系中，晶核聚集水分子向冰晶的生长与水分子的扩散有关。氢键结构和溶液动力学分析［6-8］表明，甘油-水溶液中水分子的扩散可以用甘油-水氢键和甘油-甘油氢键来解释，甘油分子中含有3个氧原子，水分子中含有2个氧原子，大多数情况下一个氧原子参与一个氢键，随着甘油浓度的增大，平均每个甘油分子参与的甘油-水氢键会减少参与的甘油-甘油氢键会增多，也即是甘油-水氢键作用会不断减弱，甘油-水氢键相互作用会使甘油分子扩散速度加快，水分子扩散速度变慢，因此，随着甘油浓度的增大，在过冷状态下与晶核结合生成的冰晶量减少，所释放的潜热量就会减少。表1给出5种样本随甘油浓度增大冰点和融冰潜热的变化。

图4是5种液体在预核状况下比热随温度的变化图，由图可以看出，对于一定浓度的混合液来说，冻结区比热＜液相区比热＜糊状区比热，冻结区比热随着甘油浓度的增大而增大，糊状区和液相区比热随着甘油浓度的增大而减小，即甘油对磷酸盐缓冲液比热值的影响与溶液所处状态有关。根据比热容的一般规律，大部分固体的比热容小于液体比热容，因此冻结区的比热小于混合液的比热。糊状区内晶核结合水分子生成冰晶，当大量冰晶生成时会释放出较多的相变潜热，使这个区的比热值显著增加甚至高于液相区，而释放出的潜热量又与冰晶的成长量有关，根据上面的解释，这个量和甘油浓度成反比，因此糊状区的比热也和甘油浓度成反比。在液相区比热主要受水和甘油的影响，由于水的比热大于甘油的比热，因此随着甘油所占百分比的增大，混合液的比热呈下降趋势。

图2 冷却过程下的热流-温度图Fig.2 Changes of heat flow over temperature under cooling process

图3 显微镜下冻结状况Fig.3 Crystallization conditions under microscope

表1 5种液体的冰点和融冰潜热Table 1 Latent heat and freezing temperatwres of five different solutions

图4 比热-温度图Fig.4 Changes of specific heat over temperature

图5是各浓度液体导热系数随温度变化图，由图可以看出各溶液的导热系数在冻结区随温度的降低而增大，随甘油浓度的增大而减小，糊状区出现U型波动，液相区甘油浓度大的液体，导热系数随温度的升高而升高，甘油浓度小的液体随温度的升高而下降。对于处于液相区的5种溶液来说，原本磷酸盐缓冲液的导热系数随温度的升高而变小，甘油的导热系数随温度的升高而变大，且前者随温度的变化速率大于后者，所以在液相区混合液的导热系数应随着温度的升高而减小，呈现如图的趋势。不难看出，液相区甘油对磷酸盐缓冲液导热系数的影响不但跟温度有关，还与甘油的量有关。观察各混合液在冻结区和液相区的规律性变化，以及其在糊状区内的U型波动，可以看出相变潜热对样本的导热系数有影响，即甘油影响着混合液在糊状区的导热性能。液体分子导热理论［9］认为相变必然要破坏一部分分子键，而分子键数的变化会导致导热率随温度变化的速率剧变，以放热峰值点为凝固的临界点，吸热峰值点为融化的临界点，在临界点以前少量液体冻结或冰晶融化，只需破坏一部分分子键而保留较多数量的分子键，进入临界点，剩下的分子键被破坏，分子键数发生第二次突变，故导热率会出现如图的U型变化。根据前面得到的结论，甘油抑制了冰晶的形成和融化，减少了分子键的破坏，因此，在糊状区内随着甘油浓度的增大其对导热系数也是有抑制作用的。

图5 导热系数-温度图Fig.5 Changes of thermal conductivity over temperature

4 结论

通过对甘油-磷酸盐缓冲液进行DSC测试和对所得热流图的分析揭示了甘油浓度对磷酸盐缓冲液热物性参数的影响。分析表明甘油能有效抑制磷酸盐缓冲液在低温过程中冰晶的生长和融化过程，减小其相变潜热量，且抑制作用随着甘油浓度的增大而增强。同时，通过对5种溶液在低温范围内(-50—0℃)导热系数的测定和测量值的分析，发现甘油对磷酸盐缓冲液导热系数的影响不但与甘油的量有关还与磷酸盐缓冲液本身所处状态和温度有关。

1 陈聪，李维仲.甘油水溶液氢键特性的分子动力学模拟［J］.物理化学学报.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 刘振海，田山立子.分析化学手册(第8分册):热分析［M］.北京:化学业出版社，2000.71-92.

5 陈聪，李维仲等.甘油-水-氯化钠三元溶液中甘油浓度对甘油自扩散系数的影响.化学学报［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 张克武.论液体导热机理与液体导热率方程［J］.化学工程师，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

国家自然科学基金(51076117)。

王艳娇，女，24岁，硕士研究生。