Способ определения различных форм воды в биологических и физических объектах

 

Использование: медицина, физика, для определения различных форм воды в биологических и физических объектах. Сущность изобретения: нагревают образец в сосуде, промываемом потоком газа, измеряют массу образца и непрерывно детектируют содержание водяного пара в газовом потоке. Водяной пар перед детектированием преобразуют в водород на раскаленном железе. 3 ил.

Изобретение относится к определению воды в биологических и физических объектах, касается оценки функционального состояния биологического объекта и может быть применено в практике клинической и спортивной медицины. Изобретение может быть также применено при исследовании физических объектов различного агрегатного состояния, содержащих воду в различных формах: полимеров, минералов, продуктов сельского хозяйства, лекарств, пищевых продуктов и т.д.

Известны различные способы определения воды в веществах, определяемые воздействием на объект исследования и методами регистрации воды.

Изобретение относится к способам определения воды в веществах, включающим высушивание анализируемого образца в сосуде, который продувается газом (динамический режим), и измерение количества воды, унесенного потоком газа.

Известен способ определения малых количеств воды в полимерах, в котором предложено нагревать пробу полимера в течение 20 мин при температуре более 100^оС в потоке гелия, поглощать десорбированную воду из потока гелия прокаленным хлоридом кальция, хлоридом бария или их смесью, десорбировать из соответствующих солей воду при нагревании и определять ее количество методом газовой хроматографии.

Недостатком этого способа является то, что с его помощью можно измерить лишь общее содержание воды в материале и нельзя определить различные ее формы. Кроме того, хлориды кальция и бария непрерывно поглощают и накапливают воду, присутствующую в малых концентрациях, что при десорбции дает систематическую ошибку.

Наиболее близким к изобретению является способ определения различных форм воды при термическом анализе почв, в котором в процессе разложения образца в камере стандартного дериватографа выделяющиеся водяные пары поступают вместе с газом-носителем в детектор, соединенный с камерой. Сигнал детектора записывается на диаграмме в виде кривой, по которой судят о присутствии различных форм воды в образце.

Недостатком известного способа является низкая чувствительность. Предел обнаружения выделяющихся паров воды составляет 2-3 мг, поэтому для исследования берут большие пробы (около 500 мг). Для некоторых объектов исследования, например, биологических, использование проб такой величины затруднительно или невозможно. Другим недостатком известного способа является замедление и потеря информации вследствие адсоpбции воды на стенках газовых линий, ведущих к детектору и в самом детекторе. Особенно велик этот отрицательный эффект в области малых концентраций, где образующиеся в результате адсорбции "хвосты" не фиксируются малочувствительным детектором.

Предлагаемый способ решает задачу повышения чувствительности определения различных форм воды и задачу ускорения определения.

Согласно предлагаемому способу определения различных форм воды в биологических и физических объектах образец нагревают в сосуде, промываемом потоком газа, измеряют массу образца, водяной пар в потоке газа перед детектированием преобразуют в водород на раскаленном железе и непрерывно детектируют в потоке.

Отличием от прототипа является то, что водяной пар в потоке газа перед детектированием преобразуют в водород на раскаленном железе.

На фиг.1 приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 и 3 кривые, иллюстрирующие этот способ.

Устройство состоит из сосуда с нагревателем (испаритель) 1, в который помещают образец, сосуда с нагревателем, содержащего реактивное железо (конвертер) 2, детектора 3, измерительной схемы 4 и самописца 5.

Через последовательно соединенные испаритель, конвертер и детектор пропускают газ-носитель аргон. Образец вещества взвешивают и помещают в испаритель. Испаритель с образцом нагревают в необходимом режиме. Выделяющаяся из образца вода в виде пара переносится газом-носителем в конвертер с реактивным железом, нагретым до 600^оС. В результате реакции вода дает эквивалентное количество водорода. Водород в смеси с газом-носителем поступает в детектор по теплопроводности. Сигнал детектора преобразуется измерительной схемой и записывается самописцем в виде кривой. Запись продолжают до окончания процесса испарения, о чем судят по выходу пера самописца на нулевую линию. После этого образец снова взвешивают.

Площадь под кривой определяет общее содержание воды в образце, а ее отдельные части (пики) содержание ее различных форм. Градуировку прибора проводят путем введения проб воды известной массы в испаритель и измерения площадей получаемых пиков.

Вследствие большой разницы в теплопроводности водорода и аргона предел обнаружения воды предлагаемым способом составляет 1-2 мкг, т.е. на три порядка ниже, чем у прототипа. Масса образца при этом составляет 1-2 мг. Поскольку водород в отличие от воды не сорбируется на стенках аппаратуры, измерение выделившейся воды и соответственно ее форм в образце предлагаемым способом является более быстрым и точным.

П р и м е р 1. Определение различных форм воды в молодых эритроцитах крови.

Через систему испаритель конвертер детектор (фиг.1) непрерывно пропускают сухой аргон со скоростью 45 мл/мин. Температура испарителя в начале опыта равна 37^оС. Образцы эритроцитов получают центрифугированием крови в гепаринизированных капиллярах. От пограничного слоя с плазмой берут 5% длины капилляра, заполненного форменными элементами крови, что соответствует 1-2 мкл молодых эритроцитов. Образец переводят в предварительно взвешенную алюминиевую лодочку и вводят в испаритель. Под действием потока газа из образца выделяется вода в виде пара, преобразуется на конвертере в водород, который записывается детектором в виде кривой, соответствующей формам: I свободная вода и II слабосвязанная вода (см. фиг.2). По окончании записи этой кривой температуру испарителя поднимают до 110^оС. В результате выделяется и записывается в виде пика форма III прочносвязанная вода. По окончании опыта извлекают сухой остаток в лодочке из испарителя и взвешивают.

Массовую долю X_i i-й формы воды в образце, выраженную в определяют по формуле X_i= · 100, (1) где S_i площадь под кривой, соответствующая i-й форме воды, см²; f градуировочный коэффициент устройства, мг/см²; m масса сухого остатка, мг.

Общее содержание Х воды, в рассчитывают по формуле X · 100. (2) Площади, соответствующие формам I, II и III воды, равны: S₁ 19,40 см²; S_II 18,55 см²; S_III 1,29 см²; градуировочный коэффициент f 0,0270 мг/см²; масса сухого остатка m 0,54 мг. Подставив эти величины в (1) и (2), получаем массовые доли воды, в разных форм в образцах: Х_I 32,75% Х_II 31,1% X_III2,19, и общее содержание воды Х 66,25% П р и м е р 2. Определение различных форм воды в ржавчине.

Через систему испаритель конвертер детектор непрерывно пропускают сухой аргон со скоростью 35 мл/мин. Температура испарителя в начале опыта равна 25^оС. В испаритель вводят образец ржавчины массой 7,32 мг. Под действием потока газа из образца выделяется свободная вода, преобразуется на конвертере в водород, который записывается детектором в виде пика IV (см. фиг.3). По окончании записи пика IV производят непрерывный программированный нагрев испарителя, в результате чего выделяются и записываются на диаграмме три пика V, VI и VII связанной воды при 135, 210, 370^оС соответственно. Чтобы пики поместились на диаграмме, чувствительность прибора была заглублена в 10 раз. Эти пики идентифицированы как результат разложения гидроксидов железа: V αFeO(OH); VI Fe(OH)₂; VII Fe(OH)₃.

Расчеты из серии опытов дают следующее соотношение форм воды в долях массы: IV 0,132 ± 0,010, V 0,275 ± 0,015, VI 0,464 ± 0,015, VII 0,129 ± 0,010, что соответствует следующему соотношению воды и гидроксидов железа: IV свободная вода 0,22 V 0,48 VI 0,40 VII 0,09 Как видно из приведенных примеров, предлагаемый способ позволяет определять различные формы воды в биологических и физических объектах с высокой чувствительностью и оперативностью.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ ВОДЫ В БИОЛОГИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ путем нагревания образцов в сосуде, промываемом потоком газа, измерения массы образца и непрерывного детектирования водяного пара в газовом потоке, отличающийся тем, что водяной пар перед детектированием преобразуют в водород на раскаленном железе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3