تعادل و رفتار اسمزی دینامیک محلول های آبی با غلظت های مختلف در حجم ثابت و متغیر

اسمز برای موجودات زنده ضروری است. در سیستم های بیولوژیکی این فرآیند معمولاً در حجم های محدود رخ می دهد و ممکن است ویژگی های خاصی را بیان کند. فشار اسمزی در محلول های آبی به صورت تجربی در اینجا به عنوان تابعی از غلظت املاح (0. 05-0. 5 M) در دو رژیم مختلف مورد مطالعه قرار گرفت: حجم محلول ثابت و متغیر. ساکارز، یک ماده فعال بیولوژیکی، به عنوان محلول مرجع برای آزمایش های پیچیده انتخاب شد. یک سلول اسمزی سفارشی استفاده شد. یک رویکرد تجربی عملیاتی جدید، با استفاده از تنوع محدود حجم محلول، برای این منظور توسعه و اعمال شد. مقادیر تعادل تعیین شده فشار اسمزی مطابق با انتظارات نظری است و هیچ تفاوت آشکاری برای هر دو رژیم نشان نمی دهد. در مقابل، وابستگی‌های جنبشی به‌دست‌آمده، واگرایی قابل توجهی را در نرخ‌های فرآیند در حجم محلول ثابت و متغیر برای غلظت‌های املاح مربوطه نشان می‌دهند. افزایش فشار در حجم محلول ثابت بسیار سریعتر است، در حالی که هجوم حلال در رژیم حجم متغیر چندین برابر بیشتر است. نتایج به‌دست‌آمده یک مکانیسم عملی را برای روشی که در آن سلول‌های زنده به سرعت به تعادل اسمزی بر اساس تغییرات در محیط دست می‌یابند، پیشنهاد می‌کنند.

1. معرفی

اسمز نقش اصلی را در سیستم های بیولوژیکی ایفا می کند. تبادل ماده با محیط در همه موجودات زنده در چنین حالتی اتفاق می افتد. اسمز یک فرآیند فیزیکوشیمیایی است که در آن اختلاف غلظت بین دو محلول باعث ایجاد اختلاف فشار (فشار اسمزی) در سراسر یک غشای نیمه‌تراوا جداکننده می‌شود. انتقال حلال از محلول رقیق تر به محلول با غلظت بالاتر تا رسیدن به تعادل انجام می شود. Van’t Hoff اولین کسی بود که فرمولی (قانون van’t Hoff) را برای فشار اسمزی پیشنهاد کرد.

، توسط جریان حلال از طریق غشاء اعمال می شود:

که در آن (mol/m3) غلظت مولی ماده محلول، (8. 314 J/mol K) ثابت گاز جهانی و (K) دمای مطلق است. تعدادی از فرمول های پیچیده تر از زمان [2-7] تولید شده اند. با این حال، در طول کار، دریافتیم که قانون اصلی van’t Hoff برای وظایف خاص مطالعه ما کاملاً کافی است.

اسموز در اصل یک فرایند انتشار است ، بنابراین انتظار می رود که از قوانین انتشار پیروی کند ، اما ویژگی خاص آن این است که گونه هایی که از طریق غشای پخش می شوند ، از حلال هستند. علاوه بر این ، در سیستم های بیولوژیکی اسمز معمولاً در حجم های محدود رخ می دهد ، که ممکن است ویژگی آن را نیز تحمیل کند. کروستف و همکاران.[8] اصطلاح "اسمز غیرمترقبه" را معرفی کرده است ، که به عنوان "... اسمز" تعریف شده است که در آن حجم محلول عملاً ثابت با تأثیر مکانیکی خارجی حفظ می شود و در نتیجه افزایش فشار هیدرواستاتیک در این جلد است. "

برای مدت طولانی از زمان کشف این که غشای سلولی زنده از لایه های لیپیدها ساخته شده است ، به طور طبیعی فرض بر این است که آب این سازه ها را به سادگی با انتشار نفوذ می کند. با این حال ، چنین انتشار به تنهایی برای توضیح نفوذپذیری غشای کاملاً کافی نیست ، همانطور که با بافت های سلول واقعی تعیین می شود [9]. مسیر دیگری بسیار غالب تر بود: وجود کانال های پروتئینی با ظرفیت بسیار بالاتر برای حمل و نقل آب ، مانند آکواپورین ها [10 ، 11]. به همین دلیل ، در سالهای اخیر ، کشف نقش آکواپورین ها به عنوان منافذ انتخابی در حمل و نقل آب ، به نظر می رسد که اوسموز را نه تنها تحقیقات بیولوژیکی بلکه از عملکرد فناوری نیز مورد توجه قرار داده است.

مطالعات تعادل اسمز ، چه نظری یا تجربی ، در ادبیات غالب است. با این وجود ، علاقه به جنبه های جنبشی این روند هرگز طی دهه ها ، در گذشته [12-15] ، و همچنین در سالهای اخیر محو نشده است [16-19].

تعادل اسمزی از دیدگاه ترمودینامیکی بهتر درک می شود و موانع جدی ایجاد نمی کند. از طرف دیگر ، جنبه های پویا این فرآیند غالباً اثرات جدید و حتی غافلگیر کننده ای را نشان می دهد ، که توضیح آن در قاب های مدل های سنتی سنتی دشوار است.

هدف از تحقیقات فعلی ما این بوده است که با مقایسه مقادیر موجود در محلول های آبی تحت شرایط تعادل و پویا به عنوان تابعی از غلظت و زمان املاح ، در حالی که از یک غشای نیمه قابل حمل مصنوعی و استفاده از دو رژیم آزمایشی مختلف استفاده می کنیم ، به دنبال اثرات خاص احتمالی باشیم. و حجم راه حل متغیر. ما معتقدیم که چنین مطالعه ای از ما می تواند نتایج مربوط به ارتباط با فرآیندهای موجود در ماده زندگی و بسیاری از کاربردهای فناوری را به همراه داشته باشد.

در غشای کلاسیک ، اسمی سنجی به طور مستقیم با مقدار فشار هیدرواستاتیک ایجاد شده در "حالت باز" تعیین می شود - از طریق افزایش سطح مایع در محفظه محلول. البته ، چنین رویکردی فقط در ارتفاع متوسط - از ترتیب Decimeters - مناسب است که به همین ترتیب ، به معنای اختلاف غلظت کوچک است: حداکثر چند ده میلی متر در هر لیتر (نگاه کنید به (1)). یک حالت جایگزین ، بدون چنین محدودیتی ، روند کار را در یک حجم ثابت بسته [3 ، 4 ، 7] انجام می دهد و با استفاده از یک سنسور فشار مناسب تعیین می شود. وظایف خاص تحقیقات حاضر نیاز به رویکرد جدید و اصلاح مجموعه آزمایشی کلاسیک دارد. در اینجا ما یک روش ترکیبی عملیاتی را ارائه می دهیم ، که مزایای این دو مورد فوق را ترکیب می کند: این شامل تغییر کنترل شده حجم محلول است ، که امکان اندازه گیری سطح فشار بسیار بالاتر در "حالت باز" را فراهم می کند.

در اصل ، اهداف مطالعه ما اثرات ناشی از فشار اسمزی در موجودات زنده است ، جایی که بزرگی آن معمولاً به مقادیر نسبتاً کم محدود می شود ، به ندرت فراتر از کسری از یک جو. با این وجود ، در رژیم حجم متغیر ، ما دامنه غلظت کاوش شده را به 0. 5 مول در لیتر افزایش داده ایم تا به وضوح بیشتر اثرات تعیین شده را بیان کنیم. برای آزمایش های پیچیده ما ساکارز را انتخاب کرده ایم ، یک ترکیب جرم مولکولی کم ، که بارها به عنوان مرجع در مطالعات اسمزی استفاده می شود [3-6 ، 13].

2. مواد و روشها

تست های خاص ، به ویژه مقایسه بین نرخ اسمزی در حجم رایگان (متغیر) و حجم محدود (ثابت) ، نیاز به اصلاحات بیشتر دارد. در اینجا اصلاح ترکیبی ما از سلول با تغییر محدود مقدار محلول توسط حجم جزئی اضافی انجام می شود. لوله های پلاستیکی به طول 1. 3 متر نازک از شعاع 2 میلی متر به محفظه محلول وصل شد تا سطح محلول در حجم متغیر افزایش یابد. بنابراین ، با ظرفیت اولیه محفظه محلول 60 میلی لیتر ، لوله متصل حجم اضافی 16. 5 میلی لیتر ، یعنی احتمال تغییر تا حداکثر تا حدود را فراهم می کند. 25 ٪ما این را برای هدف فعلی خود کافی می دانیم. البته ، ما می توانستیم حتی بیشتر از تغییرات حجم را نیز تأمین کنیم ، اما چنین گامی به دلیل رقیق شدن قابل توجه محلول مورد مطالعه در زمان ، عارضه بیشتری را به وجود می آورد. هر دو نسخه از سلول اسمزی اندازه گیری به صورت شماتیک در شکل 1 ارائه شده است.

(آ)

(ب)

(الف) (ب)

البته همانطور که طبق قوانین گاز مورد نیاز است ، در صورت تغییر حجم (

) وابستگی "هجوم حلال در مقابل فشار" خطی نیست. این شار به طور پیوسته با ایجاد فشار اسمزی کاهش می یابد ، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است ، اما به منظور مقایسه ما در اینجا چنین غیرخطی مشکلی ایجاد نمی کند. غلظت محلول نهایی با استفاده از میزان حلال منتقل شده از غشای حاصل شد. فشار اسمزی مربوطه توسط یک سنسور فشار الکترونیکی 16 نوار ثبت می شود (خواندن < SPAN> شماتیک از دو رژیم اسمزی آزمایشی: (الف) سلول باز (حجم متغیر) ؛ (ب) سلول بسته (حجم ثابت).