[发明专利]一种液‑固扩散常数测定装置及测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用导电高分子材料和简单电流或电阻测试方法的特殊多层聚合物结构，特别涉及一种扩散常数的测定的方法和测定装置。

背景技术

扩散系数（diffusion coefficient）是表示气体（或液体）扩散程度的物理量。扩散系数是指当浓度为一个单位时，单位时间内通过单位面积的气体或液体量。物质的分子扩散系数表示它的扩散能力，是物质的物理性质之一。根据菲克定律，扩散系数是沿扩散方向，在单位时间每单位浓度降的条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数，扩散系数的大小主要取决于扩散物质和扩散介质的种类及其温度和压力等外界条件。扩散系数可分为自扩散系数、互扩散系数及内扩散系数。

液相扩散系数是研究传质过程、化工设计与开发、萃取过程、分离技术等的重要基础数据，已广泛应用于生化及环保等新兴行业中，研究和积累各类体系的扩散系数一直被视为是重要的应用基础研究。然而由于液体分子堆积密度较大，分子间平均距离远比气体分子小，又不及固体那样有规则排列，分子总处在较强相互作用的范围内，所以液相扩散系数的测量和理论描述远比气体及固体困难，试验数据相当缺乏。现有的测量液相扩散系数的方法很多，常用的例如：膜池法、全息干涉法、动态光散射方法、核磁共振法(NMR)、Taylor扩散法等。

膜池法是一种经典方法，让不同浓度的溶液通过一个微孔膜进行分子扩散，扩散一段时间后，测定膜两侧的浓度变化，根据菲克第一定律，计算液相扩散系数，该法虽然操作简单，对设备要求不高，但是该方法测定时间长，而且容易在膜两侧表面上存在一层极薄的滞留层，影响了测量的准确性；全息干涉法是普通干涉法与全息术结合的测量方法，具有测定快速、测定结果准确，但该方法需要专业的检测设备，对实验相关仪器设备要求较高；核磁共振(NMR)方法可以在无破坏性、真实地反映液体样品的自扩散行为的情况下测量溶液分子的自扩散系数，但是该方法也需要专业的检测设备，对实验相关仪器设备要求较高，而且相应的检测设备价格昂贵，不适于常规检测；Taylor扩散法适用于液-液、液体在多孔性介质中扩散系数的测定，尤其广泛应用于高温高压下的液-液扩散系数的测定，Taylor扩散法测定速度快，操作方便，近来发展较快，但是在测量时需要一根细长的内表面光滑的毛细管，这在实验中不易做到，而且，Talyor扩散法要求流动相以恒速通过精确的圆细管横截面，实际中难以做到，容易产生误差。

液体在固体中扩散有很多应用，比如研究药物在聚合物中的扩散行为；一些缓释技术中需要控制液体在固体中的扩散速度等。测量溶液在聚合物中的扩散系数情况还有一种浸入法，即把聚合物固体放在溶液中，不断的称重量的变化，直到重量不再变化时，说明溶液已经扩散到聚合物的中心，也即扩散距离为聚合物厚度的一半。这种浸入法适合一些在溶液中不易变软变形的聚合物，对聚合物的选择要求较高，同时由于这样的测定方法不能准确的对溶液扩散完毕后给出明显的现象或一种提示，造成其测量的时间有极大的不准确性，只能粗略的估计一下扩散系数，同时对一些扩散系数较小的聚合物，称量的误差也较大。

杨素华、陈义等人（第二届全国生命分析化学学术报告与研讨会、http://www.meeting.edu.cn/meeting/paper/paper!detail1.action?id=18857）等对液相扩散系数测定的方法做了新的探讨，该方法以爱因斯坦扩散公式为基础，结合溶质质点在毛细管中的稳态迁移公式和溶液中的修正欧姆定律，推导出了新的计算扩散系数的公式，在合适内标物系统下，可画出物质在出峰时间内电通量与该物质在无穷稀释条件下的扩散系数的扩散谱图。首先，对ISCO电泳仪进行了改造，编写了软件使其得到不同出峰时间内的电通量；其次，对缓冲液体统及内标物的选取进行了一系列筛选和验证；最后，得到了酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸等物质的扩散系数随浓度的变化趋势，该方法用于测定液-液扩散系数，使用改造的ISCO电泳仪，编写了软件使其得到不同出峰时间内的电通量，同时还需要筛选一些合适的内标物。其通过测定液体的浓度变化引起的电导性变化，由于外加电场会给带电离子的正常扩散迁移造成影响，也会产生一些电化学反应，导致测定的电通量存在误差，从而会影响扩散系数计算的结果。该法的优点是测速快，可以同时测量多种微量物质，适宜测定生物分子的扩散系数。