Физические методы исследования белков и нуклеиновых кислот - Лазуркина Ю.С.
Скачать (прямая ссылка):
г. Измерение вязкости
В лабораторной практике для измерения вязкости в диапазоне 0,01—0,1 пуаз, обычном при вискозиметрическом исследовании биополимеров, используются два основных типа вискозиметров: капиллярные и ротационные. Измерение вязкости при помощи капиллярных вискозиметров основано на известном законе Пуазейля (см., например, [15]), согласно которому объем жидкости V, протекающей через капилляр в единицу времени, связан с разностью давлений Ар в жидкости на концах капилляра и вязкостью Г| жидкости соотношением
яг4Др
(14)
8ц1
где г—радиус капилляра; I — его длина. В наиболее распространенном капиллярном вискозиметре типа Оствальда (рис. 5) жидкость протекает по капилляру 1 из резервуара-шарика 2 в приемный резервуар 3. Разность давлений создается столбиком жидкости, находящейся в капилляре. Измеряется время т истечения жидкости из шарика, объем которого* V0 известен. Очевидно,
_ V* _ 8У0
V7 лr*g0 р
Л, (15)
1 Если т? — молярная концентрация е'-го компонента с молекулярным весом
2/п.М;.
М;, то среднечисленным молекулярным весом называется величина М„ =-------------------- .
‘ " п 2 т.
2с;.Мг.
Средневесовой молекулярный вес Mw = ----------------, где ct = tniMl— весовая концент-
^ci
рация t-ro компонента.
так как Ap = plgo, где р—плотность жидкости; go — ускорение силы тяжести. Плотность исследуемого раствора при малых концентрациях практически не отличается от плотности растворителя, поэтому отношение времени истечения раствора к времени истечения растворителя равно относительной вязкости, которая и измеряется на капиллярном приборе.
Рис. 5. Вискозиметр Оствальда
Рис. 6. Вискозиметр Эйгнара
Так называемые многошариковые вискозиметры имеют несколько шариков, расположенных на разной высоте, для создания различных перепадов давления. Это приводит соответственно к разным скоростям истечения при различных средних градиентах скорости. Последнее особенно важно в случаях, когда необходимо получить значения вязкости при нескольких градиентах для последующей экстраполяции к g — 0. Один из таких приборов (вискозиметр Эйгнера) изображен на рис. 6. Следует
заметить, однако, что капиллярные вискозиметры недостаточно удобны для этой цели, поскольку градиент скорости потока капилляра непостоянен и меняется от некоторого максимального значения около стенок капилляра до нуля на его оси. В связи с этим вязкость г), входящая в выражения (14) и (15), не является истинной, во всяком случае для жидкостей или растворов, в которых имеется сильная зависимость вязкости от градиента скорости потока, и это обстоятельство при точных измерениях необходимо учитывать (см., например, {16]). Другой серьезный недостаток капиллярных вискозиметров — обилие источников ошибок при измерении. Основными из них являются ошибки измерения момента начала и конца истечения, ошибки, вызываемые действием капиллярных сил, и так называемый кинетический эффект, состоящий в том, что потенциальная энергия жидкости, находящейся в шарике, в основном расходуемая на работу против сил трения, частично переходит в кинетическую энергию движущейся по капилляру жидкости, что усложняет зависимость времени истечения от вязкости [17]. Точность измерений вязкости в капиллярных вискозиметрах зависит также от полноты опорожнения капилляра, присутствия частиц пыли в растворе, установки вискозиметра (строго вертикально) и от других причин. Имеется, однако, множество различных вариантов капиллярных вискозиметров и приспособлений к ним [17], применение которых позволяет значительно уменьшить все указанные ошибки.
Минимальный градиент скорости, получаемый при помощи капиллярных вискозиметров,— единицы сек~1 [18]. Исследование многих полимеров, в частности ДНК, требует еще меньших величин. Для удовлетворительной экстраполяции к ? = 0 в случае ДНК необходимы градиенты, равные 0,2—0,1 сек-1. Такие градиенты скорости потока могут быть получены при помощи ротационных вискозиметров (Куэтта, Эйзенберга [19], Зимма [20] и др.). Все они состоят из коаксиальных цилиндров или конусов, в зазоре между которыми помещена исследуемая жидкость. Один из цилиндров (конусов) вращается, другой, вовлекаемый в движение потоком жидкости, поворачивается на некоторый угол, либо закручивая упругую нить подвеса (Куэтт), либо сдвигая пластины электростатической системы (Эйзенберг). В обоих случаях противодействующий момент при данной скорости вращения ведущего цилиндра пропорционален вязкости исследуемой жидкости. Прост и оригинален ротационный вискозиметр Зимма [20], изображенный на рис. 7. Здесь в движение приводится только один цилиндр — внутренний — при помощи встроенного в него железного диска и внешнего вращающегося магнита. Подвижный цилиндр свободно плавает в исследуемой жидкости, заполняющей зазор между цилиндрами. При этом верхний край подвижного цилиндра отшлифован и
