激光实时全息干涉法测量甘氨酸水溶液扩散系数

    引言 

    氨基酸是构成蛋白质的基本单位，参与生物体的多种代谢，和生命活动有密切的联系，是重要的活性物质。甘氨酸又名氨基乙酸，是结构最简单的氨基酸，广泛应用于医药、农药、食品、饲料、电镀和有机合成等领域。研究证明，甘氨酸具有良好的拮抗内毒素的特性，能有效地对抗内毒素所致的心机损害，能防止心机缺血性损伤，能保护心脏，改善心功能。目前，工业上甘氨酸大量用于生产新型除草剂—草甘膦，这种除草剂具有低毒、易分解、强效、无残留等优点，具有良好的发展前景。在上述的研究和应用过程中，甘氨酸在水溶液中的扩散是一个经常遇到的基本问题。因此，对其在水溶液中及生物体内扩散行为的研究具有十分重要的意义。然而，由于液体分子结构紧密堆积，运动杂乱无章，分子间作用难以准确定位。迄今为止，仍没有一个确切且能广泛适用的理论来描述液相扩散过程。为此，目前的研究仍是以实验为主来获取数据。

　　近几年的研究证明，激光全息干涉技术是一种较好的研究液相扩散方法。尤其是与计算机图像处理技术相结合，可以得到较精确的数值结果。本文选取了甘氨酸作为研究对象，采用单波长实时激光全息干涉法研究其水溶液的扩散行为。 

    原理

　　实时全息干涉法，就是使全息图的再现相与实际物体相重叠，如果两个状态相比发生变化，在重叠区就会出现干涉条纹。随着时间的推移，实际物体的状态发生变化，干涉条纹就会随之变化，反映出实际物体的变化。对于稀溶液浓度的微小变化，溶液的折射率与浓度的变化呈线性关系。因此，由全息图记录的折射率变化，就可得到被测溶液的浓度变化，进而得到溶液的液相扩散系数。假定光线平行于z轴，折射率在xy平面内变化。改变相位差使之产生垂直于界面的参考条纹，条纹间距S，光的波长 ，则浓度未变化时，条纹为垂直于界面的平行条纹，间距相等；浓度发生变化后，条纹随浓度变化发生偏移。在任意同一条纹上取两点：A(X0,Y0)，B(X,Y)，根据干涉原理，有：（2）式中，H为条纹偏移量，即图中的(Y－Y0)， 为模拟盒厚度， 为主体未发生浓度变化时的折射率，n为点x截面处的折射率。

    实验

　　试验装置由两部分组成：一是激光全息干涉系统；一是液液传质扩散系统。实验中光路图见文献，为解决全息干版的精确复位问题，采用一个能够固定全息干版的液门，以便在显影、定影和冲洗时不改变干版的位置；为提高干涉条纹的清晰度，在扩束镜、准直镜、液液传质模拟装置前分别设置遮光屏，将照明光与杂散光用黑纸隔开。对于扩散槽，要求光束通过的前后两面严格平行，确保光束通过后不发生变化；为减小两种液体加入时所带来的湍流和返混，在扩散槽底部连接一个毛细管。

　　实验时，密度大的溶液位于扩散槽的底部，密度小的溶液位于扩散槽的顶部。首先在t1时刻记录一张全息图，使干版在原位显影、定影，然后微调光路，使接收屏上出现间距合适的竖直条纹，用CCD采集接收,存贮到计算机中，实现对扩散过程的实时测量。以蔗糖水溶液为例，给出不同时刻下的干涉条纹图，条纹的变化主要体现在以下两个方面：一是条纹的偏移量不断增大，这表明传质程度不断增强；一是条纹弯曲区域不断增宽，这表明传质区域不断变宽。

　　折射率的测量与扩散系数的计算

　　首先，利用WZS-I型阿贝折射仪测量甘氨酸水溶液在298.15K不同浓度下的折射率，并与浓度进行关联，可得到浓度与折射率关系式 为高斯误差函数的反函数， 分别为扩散槽上下的初始浓度，x为扩散方向， 为记录的两个不同时刻。

    结果与分析

　　为验证激光全息干涉装置的可靠性，选用被广泛研究并作为测量标准的蔗糖水溶液。测定了其在298.15K下的扩散系数，测定结果如表1，总相对误差为0.84%，可见此激光全息干涉装置是可靠的。
　　用上述方法，本文测定了甘氨酸水溶液不同浓度下的二元扩散系数，并计算得到了不同浓度下距液液界面不同位置浓度梯度下的扩散系数及各浓度下的平均扩散系数.
 
    可以看出，在扩散发生的距离内，每一浓度下的扩散系数都随着x的增大而增大，这是因为由于扩散而使得各x处的浓度梯度不同。x越小，扩散程度越大，浓度梯度也越大，则扩散系数小；随着x增大，扩散程度减弱，扩散系数随浓度梯度的变小而增大。例如，浓度为0.5045mol.L-1时，x从0.52mm增加到2.60mm，扩散系数从9.7243×10-6cm2.s-1增加到9.7270×10-6cm2.s-1。可以看出，平均扩散系数随着浓度的增大而逐渐减小，这是因为溶液浓度的增大导致分子间的摩擦增强，阻碍了分子扩散。蔗糖水溶液在298.15K的扩散系数 .