泰勒分散分析(TDA)介绍和概述

泰勒分散分析(TDA),或Taylor-Aris分散,技术迅速确定分子的扩散系数。扩散系数的值,可以确定分子的流体力学半径。泰勒描述TDA方法首次在他的经典论文,介绍了测量的溶质脉冲注入的分散在毛细管流动的液体。阿里斯的方法进一步发展时,他考虑了纵向扩散的分子。

根据泰勒,对流的流体的横向速度和径向扩散的分子溶质驱散。流的驱使液体的圆柱形管泊肃叶层流条件下经历的流体径向速度下降最多,u_马克斯中心的缸,至少,u_最小值汽缸壁。图1显示了这个速度分布的影响溶质注入脉冲的形象。

图1所示。轴向传播的溶质对流。

溶质脉冲传播方向的轴向流动,称为对流。脉冲前后结束开始锋利接口,成为抛物线形状,因为流体的层流。没有任何其他分散机制,轴向传播将继续随着时间的推移,越来越分散管的长度,导致一个不对称的浓度分布。

扩散通常被认为是一种传播机制由于溶质分子从高浓度区域转移到低浓度区域。反之,在泰勒分散,径向扩散限制轴向传播,因为对流(图2)。

图2。径向扩散的作用。

脉冲的前端,溶质的浓度大于气缸中心比汽缸的墙壁,导致径向扩散的溶质分子向汽缸壁。然而,扩散溶质分子的平均轴向速度降低,溶质分子的运动速度更快比汽缸壁的中心。

相反,溶质的浓度比在中心在墙上脉冲的屁股,导致溶质分子向中心的径向扩散。反过来,这增加的平均轴向速度扩散溶质分子。一般来说,径向扩散的作用是加速落后于接口,但减慢的主要接口。这使得更紧凑的溶质分布在轴向方向上,相比单独对流。

轴向传播由于径向扩散和对流允许溶质脉冲注入开发一个对称的浓度分布,称为泰勒分散。溶质分子的扩散也发生在一个平行于流动方向。的贡献远远小于整体轴向色散。这叫做Taylor-Aris色散。

泰勒分散分析

溶质的量分散在溶剂流与溶质的扩散系数负相关。的色散量可以表示为时间的函数和流中的溶质的位置:

(1)

在哪里C=溶质浓度平均在毛细管直径在y方向和流轴成直角x(图3)k=弥散系数,这是相关的扩散系数(D)如下:

(2)

在哪里r=毛细管半径和u=流体的平均速度。

图3。是平均浓度在y方向上,垂直于x轴流。

有一个逆水力半径之间的关系(R_h)和扩散系数表达的斯托克斯定律:

(3)

在哪里k_B=玻尔兹曼常数,T=温度和h=溶剂粘度。

根据初始条件,方程1的可能的解决方案描述浓度剖面的演变作为时间的函数和空间(图4)。

图4。产生的浓度剖面注入一个小nanoliter-scale采样脉冲。

浓度剖面(或Taylorgram)期间获得样品的初始浓度区域内一个小点x= 0。的浓度,C,在一个点x和时间t沿着毛细管表示为:

(4)

在哪里C₀=初始浓度和示例t₀=x/u(停留时间)。时间的停留时间约等于峰值浓度(图4)。方程4被称为时间高斯分布,它可以用一个近似高斯分布的值t使用:

(5)

在弥散系数k高斯的宽度相关联的年代”如下:

(6)

公式4和5是基于的假设C₀区域内一个无限小的点吗x= 0,这是几乎不可能的。因此,介绍了修正方程6通过考虑的有限宽度注入样品。可以避免需要校正通过测量沿毛细管分散在两个点。这是因为我们可以推导出弥散系数通过比较分散的演变之间的两个观察点。弥散系数可以与高斯分布的宽度以下列方式:

(7)

这是通常被称为two-window解决方案。

需要满足两个条件方程的解决方案2、4、5和7是有效的。观察时间t必须远高于所需的时间在毛细管溶质分子的径向扩散,可表达的无量纲停留时间t:

(8)

此外,溶液的轴向扩散必须与它的色散:相比微不足道

(9)

在哪里P_e沛克莱数=。

自从Taylor-Aris色散占轴向扩散的影响,它不需要第二个条件。Taylor-Aris解决方案相当于用方程与方程2 10:

(10)

TDA UV-Selective检测使用莫尔文Panalytical Viscosizer

的莫尔文Panalytical Viscosizer系统可以快速确定分子的水力半径,使质量加权大小的小分子和蛋白质系统在生物配方用TDA UV-selective检测。

此外,相对粘度测量微细管流中可以执行在同一样本的莫尔文Panalytical Viscosizer系统补充这些TDA-based测量。非常小的样本容量足以运行所有测试协议下的自动化方法。

分子大小,TDA将最优水力半径的0.2 -50海里。紫外线(UV)光成像数组是用来测量注入样品的吸光度作为时间的函数,因为它是由压力通过一个狭窄的孔熔融石英毛细管和两个检测窗口。

尺寸测量,毛细管直径75毫米左右,典型的运行压力是140 mb。这些值,随着两个检测窗口的位置,被选择上述两种条件满足广泛的典型的流体力学半径。运行缓冲用于设置测量基线。

TDA可以基线运行缓冲和评估目标分子的大小和行为注入脉冲选择性样本,为新的实验能力执行铺平了道路label-free分析复杂,监测血清中药物分子等与生物相关矩阵。此外,系统的能力来确定此类复杂样本矩阵的粘度为扩散系数提供了有意义的补充数据。

图5展示了一个示意性的测量装置,和图6描述了吸光度配置文件。

图5。示意图的莫尔文Panalytical Viscosizer测量装置。

图6。Taylorgram显示在两个检测窗口吸光度的概要文件。

样本的紫外吸光度与其浓度有关C的比尔-朗伯定律如下:

(11)

在哪里e=消光系数,这取决于分子,通过样品的光的路径长度。因此,样品的吸光度变化的分布比例浓度。样品在毛细管内的色散可以使用其吸光度测量资料。

吸光度概要文件是配备了一个模型基于方程4获得宽度和停留时间t₀使用莫尔文的Taylorgram Panalytical Viscosizer。k是决定使用two-window方案方程(7),D和R_h的样本估计方程(2和3)。

除了同质样本、多组分的混合物,如单体和二聚体或其他低聚物的物种,或聚合的样品可以使用泰勒分散方法分析。在这种情况下,估计水力半径从一个适合Taylorgram是一个个人的价值加权平均水力半径。因此,计算流体力学半径的变化相应的信号变化的低聚物或聚合物样品。

获得优化的结果,个人的贡献的Taylorgram样本进行估计的每个组成组件的半径和相对比例的宽度和地区Taylorgrams组件。oligomerisation或聚合的注入样品然后量化使用结果。

这些信息已经采购,审核并改编自莫尔文Panalytical提供的材料。亚博网站下载

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