СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ВЕЩЕСТВА МАЛОГО ОБЪЕМА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING VISCOSITY COEFFICIENT OF SMALL-VOLUME SUBSTANCE AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение предназначено для определения коэффициента вязкости жидкости малого объема с помощью электрофореза и может быть использовано в офтальмологии для определения коэффициент вязкости биологических жидкостей малых объемов, например, коэффициента вязкости слезной жидкости.
Способы определения значения коэффициента вязкости жидкостей достаточно хорошо разработаны, но все они применимы для сравнительно больших объемов жидкости.
Капиллярный метод Осальда показан на фиг. 1, использующийся для определения коэффициента вязкости крови, в основе действия которого лежит закон Пуазейля, определяющий объем  жидкости, протекающей за время t капилляр длиной
0
0
Определенный объем жидкости вливают в широкое колено вискозиметра, а затем с помощью груши поднимают уровень жидкости в узком колене так, чтобы он поднялся чуть выше отметки А. Сняв грушу, наблюдают за понижением этого уровня. Когда мениск проходит метку А, включают секундомер, а при прохождении метки В - выключают. Так находят время прохождения жидкости между метками А и В. С целью исключения определения параметров капилляра и давления проводят последовательно измерения для крови и эталонной жидкости (дистиллированная вода). Из закона Пуазейля определяют коэффициенты вязкости крови и воды для Одного и того же объема капилляра. Находя соотношения между этими коэффициентами, определяют рабочую формулу для определения коэффициента вязкости крови  Здесь η и t - коэффициент вязкости крови и время ее протекания через капилляр, η и t - коэффициент вязкости воды и время ее протекания через капилляр.
K
Широко распространенным методом измерения коэффициента вязкости биологических жидкостей является метод вискозиметрии Гесса. В основе его действия также лежит закон Пуазейля. Схема прибора показана на фиг. 2. На панели П установлены два совершенно одинаковых капилляра, а и 6, соединенные с проградуированными трубками А и Б. Концы трубок А и Б соединены тройником В с краном Г. В капилляр 6 помощью резиновой трубки Д со стеклянным наконечником Е набирается биологическая жидкость, коэффициент вязкости которой мы измеряем, в капилляр а при закрытом кране Г набирается эталонная жидкость, дистиллированная вода, коэффициент вязкости которой известен заранее. Затем кран Г открывают и одновременно из капилляров с помощью трубки Д и наконечника Е извлекают обе жидкости до тех пор, пока кровь не дойдет до деления 1, а вода, как менее вязкая (по сравнению с исследуемой жидкостью), дойдет до более высокой метки. Время истекания жидкостей из трубок одинаковы, но объемы ушедших из одинаковых трубок жидкостей различны из-за различия коэффициентов вязкости. Находя соотношение объемов жидкостей  и принимая V=1, находим относительную вязкость крови по показаниям делений на капилляре с водой.
Известны методы определения коэффициента вязкости с помощью ротационных вискозиметров, в которых коэффициент вязкости измеряется в пространстве между двумя роторами при ламинарном течении жидкости на основе зависимости вращательного момента сил сопротивления от коэффициента вязкости.
Нам известны запатентованные методы определения коэффициента вязкости с использованием ротационных вискозиметров (патент №№164550, заявка №2016106880, класс МПК G01N 11/14, дата приоритета 25.02.2016, дата публикации 10.09.2016). Наряду со многими достоинствам и у ротационных вискозиметров имеется один существенный недостаток - выделение теплоты в слое исследуемой жидкости, что осложняет исследование и заставляет пересчитывать результаты с поправкой на тепловые эффекты.
ж
ш
В лабораторной практике коэффициент вязкости определяют часто методом Стокса, обосновавшего, что вязкость проявляется не только при движении жидкости по трубе, но и при движении тел в жидкости. Поэтому для определения жидкости этим методом в цилиндр, наполненный исследуемой жидкостью плотностью ρ, бросают шарик с известной плотностью ρ.
Рассматривая равномерное прямолинейное движение шарика, что соответствует обтеканию шарика жидкостью при ламинарном движении, составляют уравнение равномерного прямолинейного движения шарика по установленному пути, определяют скорость V движения шарика и, решая уравнение относительно V, определяют коэффициент вязкости по формуле:  где r - радиус шарика, g - ускорение свободного падения.
Все рассмотренные методы являются удобными в работе, но для их осуществления требуется большой объем испытываемой жидкости, и они не пригодны для определения коэффициента вязкости жидкостей малых объемов, например, слезной жидкости.
При этом вопрос определения вязкости слезы в диагностической практике является актуальным и очень важным.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность исследования жидкостей различной степени вязкости в малых объемах от 0,2 до 1 мл.
-
Мы предлагаем способ определения коэффициента вязкости вещества малого объема при помощи электрофореза на лакмусовой бумаге, основанный, как и метод Стокса, на равномерном движении иона OH под действием постоянного электрического тока. Теоретическое обоснование метода приводится ниже:
В постоянном электрическом поле на ионы в растворе электролита действуют две силы: сила со стороны электрического поля
(здесь q - заряд иона, E - напряженность электрического поля) и сила сопротивления между гидратированным ионом и раствором электролита (исследуемая жидкость)
где R - радиус гидратированного иона, η - вязкость электролита. Движение иона можно рассматривать как равномерное и прямолинейное, поэтому:
Подставляя в данное выражение формулы (1) и (2), получим:
откуда
Если обозначить  то
Коэффициент b называют подвижностью ионов. Из формулы (3) следует, что
Подвижность ионов характеризует скорость движения ионов в растворе электролита при напряженности электрического поля 1 В/м. Подвижность ионов зависит от природы иона; температуры, вязкости и концентрации раствора электролита. Подвижность ионов является величиной специфичной, характерной для различных ионов, поэтому по подвижности ионов можно определить вид иона или, если имеется смесь ионов, разделить их в электрическом поле.
Чтобы определить подвижность ионов исследуемого электролита, необходимо знать скорость ионов и напряженность электрического поля Е, в котором они перемещаются. Скорость ионов при равномерном движении можно вычислить по формуле:
где x - расстояние, на которое ион перемещается за время t.
p
Установим зависимость между напряженностью и разностью потенциалов электрического поля. Работа ΔА, совершаемая силой F электрического поля напряженностью Е по перемещению заряда q из данной точки на расстояние  вдоль линии напряженности, равна  Эта работа совершается силами поля за счет убыли потенциальной энергии заряда на величину ΔW=qΔϕ, где Δϕ - соответствующее изменение потенциала.
Приравниваем два последних равенства:  откуда
где U - напряжение,  - расстояние, на котором происходит падение напряжения. Подставив (5) и (6) в выражение (4), получим формулу для вычисления подвижности ионов:
Сравнивая выражение (7) с выражением  получаем
Откуда определим для исследуемой жидкости
Как мы уже говорили, подвижность ионов является величиной специфичной, характерной для различных ионов. Если мы, не меняя условий опыта, повторим опыт для другой жидкости, коэффициент вязкости этой жидкости определится как
Составляя отношение формул (8) и (9), получим
Из этого соотношения следует, что если коэффициент вязкости второй жидкости известен (это даст нам основание назвать вторую жидкость эталонной), и экспериментально определить путь, пройденный за одно и то же время одинаковым ионом в каждой из этих жидкостей, то можно определить коэффициент вязкости исследуемой жидкости как
-
1
2
Предлагается способ определения коэффициента вязкости вещества малого объема при помощи электрофореза на лакмусовой бумаге. При этом методе определяются пути, пройденные ионом OH на лакмусовой бумаге, смоченной исследуемой жидкостью, x, и смоченной эталонной жидкостью, x, известным коэффициентом динамической вязкости, между электродами, подключенными к источнику постоянного тока. Напряжение постоянного тока рациональнее взять не более допустимого по технике безопасности, т.е. не более 80 В. Нижнюю границу можно определить от 1В. В качестве источника постоянного тока следует взять аппарат для гальванизации, применяемый в клиниках для осуществления электрофореза. Фактически аппараты для гальванизации являются выпрямителями переменного тока.
-
Опыт показывает, что при таких напряжениях за время 2-3 минуты ион ОН проходит путь около 2÷3 мм, что удобно для измерения штангенциркулем. Поскольку путь, проходимый ионом за время 2-3 минуты, оказывается не более 3 мм, то и длина лакмусовой бумаги может быть выбрана не более 5 см, что сильно сокращает объем исследуемой жидкости для смачивания лакмусовой бумаги.
-
-
Ион ОН вносится в поле на простой нити, смоченной гидроксидом натрия, NaOH, помещаемой поперек лакмусовой бумаги по ее центру (рис. 3). При движении к положительно заряженному электроду, ион ОН окрашивает бумагу в синий цвет.
Сущность заявленного технического решения и аналоги показаны на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, где на фиг. 1 и фиг. 2 показаны аналоги, на фиг. 3 заявленное устройство для выполнения способа.
Для выполнения способа определения коэффициента вязкости вещества малого объема при помощи электрофореза предлагается прибор, включающий подложку под лакмусовую бумагу, два электрода, источник тока, вольтметр фиг. 3. На фиг. 3 обозначено:
1 - подложка из диэлектрика (вещество, с удельным сопротивлением
2 - лакмусовая бумага, заправленная под шайбы клемм, к которым прикручены электроды;
3 - нить, смоченная в гидроксиде натрия;
-
4 - след длиной x, оставляемый на лакмусовой бумаге ионом ОН во время эксперимента;
5 - вольтметр;
- расстояние между электродами.
Подчеркиваем, что условия проведения измерений, т.е. расстояние между электродами, значения напряжения и время измерения, должны быть одинаковы как для исследования с исследуемой жидкостью, так и для исследования с эталонной жидкостью. После проведения исследования коэффициент вязкости определяем по предлагаемой формуле, формуле (11),
где:
1
η - коэффициент вязкости исследуемого вещества;
2
η - коэффициент вязкости вещества с известной вязкостью (эталонная жидкость);
1
-
x - расстояние на лакмусовой бумажке, пройденное ионом ОН в исследуемом веществе (длина окрашенного следа, оставленного ионом;
2
-
x -- расстояние на лакмусовой бумажке, пройденное ионом ОН в вещества с известной вязкостью (эталонная жидкость).
1
2
Расстояния x и x измеряются с помощью штангенциркуля в двух последующих друг за другом экспериментах - сначала с эталонной жидкостью, затем с исследуемой жидкостью. При этом строго выполняется требование - напряжение и время измерения строго одинаковы для обоих исследований.
Признаки формулы изобретения, «лакмусовая бумага», «электрический ток», «электрическое напряжение», «расстояние», «фиксация времени», являются существенными.
Предлагаемый способ и прибор позволяют измерять вязкость жидкостей, забор которых возможен в очень маленьких объемах, например слезная жидкость. Все признаки формулы изобретения в совокупности позволяют достигать заявленный технический результат. При этом использование только лакмусовой бумаги и нити, смоченной гидроксидом натрия, позволяют проводить исследования жидкости именно в малых объемах, что является важным и актуальным при диагностике в офтальмологии.
Способов измерения вязкости слезной жидкости, доступных для использования в поликлиниках и стационарах небольших региональных больниц, не известно.
При этом дорогостоящие импортные приборы не всегда доступны по цене. Предлагаемый способ определения коэффициента вязкости вещества малого объема и прибор с успехом могут применяться в порядке импортозамещения и по эффективности не уступать зарубежным аналогам.