Способ определения относительной кинематической вязкости биологической жидкости

Изобретение относится к медицине, а именно к биохимии, и может быть использовано для определения реологических характеристик биологических жидкостей (моча, кровь, лимфа и др.), а также для экспресс-анализа вязкости жидкости.

Известен способ измерения относительной вязкости жидкости [патент RU №92003769, 1996 г.] капиллярным вискозиметром истечения, в котором измерение уровня исследуемой жидкости производят не менее двух раз в произвольные моменты времени, а вязкость определяют из функциональной зависимости: где x₀ - начальный уровень жидкости, измеренный в момент времени t₀, х_i - уровень жидкости в момент времени t_i, А - константа прибора, g - ускорение свободного падения, ν - кинематическая вязкость.

Недостатком известного способа является то, что в этом способе не учитывают силы адгезии, которые вносят существенный вклад в движение жидкости по капилляру, в результате уравнение движения жидкости по вертикальному капилляру существенно отличается от уравнения, предлагаемого в данном способе.

Наиболее близким по техническому результату является способ измерения относительной вязкости жидкости медицинским вискозиметром Гесса [Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. Учеб. для мед. вузов. - М.: Высшая школа, 1987 - 638 с., стр.176], в котором по двум проградуированным капиллярам втягивают эталонную и исследуемую жидкости, причем сначала в один из капилляров набирают эталонную жидкость до определенного уровня и перекрывают его с помощью крана, затем набирают во второй капилляр исследуемую жидкость до этого же уровня, далее, открывая кран, продолжают втягивать обе жидкости в капилляры и по отношению длин растекания в какой-то момент времени определяют вязкость исследуемой жидкости относительно эталонной.

Недостатками известного способа являются

- малый диапазон измерения относительной вязкости, так как трубки выбираются одинакового диаметра, поэтому при большом отличии вязкости измерения подобным вискозиметром осуществить достаточно сложно, так как, например, спирт заполнит капилляр очень быстро, а жидкость с высокой вязкостью почти не сдвинется с места;

- пренебрежение силами адгезии, которые вносят существенный вклад в движение жидкости по горизонтальному капилляру, особенно в областях перехода от узкого капилляра к широкому и от широкого к узкому, эти входные и выходные эффекты существенно сказываются на пуазейлевском профиле скорости течения, вызывая его деформацию, поэтому коэффициент пропорциональности между вязкостью и физико-геометрическими параметрами будет меняться в зависимости от вида жидкости, что усложняет работу с подобным прибором.

Сущность изобретения заключается в том, что предварительно определяют высоту капиллярного поднятия эталонной жидкости в поле тяжести для обоих капилляров, затем определяют высоту поднятия исследуемой жидкости в поле тяжести, далее измеряют длины одновременного растекания эталонной и исследуемой жидкостей по горизонтальным капиллярам и определяют кинематическую вязкость из соотношения

где ν_э, ν - кинематические вязкости эталонной и исследуемой жидкостей,

h_э, h - высоты капиллярного поднятия эталонной и исследуемой жидкостей в поле тяжести,

R_э, R - радиусы капилляров, по которым текут соответственно эталонная и исследуемая жидкость,

L_э, L - длина растекания эталонной и исследуемой жидкостей,

α - коэффициент пропорциональности, который зависит от адгезионных свойств материала капилляров и профиля скорости течения жидкости по капилляру.

Заявляемый способ поясняется работой устройства, показанного на фиг.1 и 2.

Техническим результатом заявляемого способа является увеличение диапазона измерения относительной вязкости за счет различных диаметров капилляров для исследуемой и эталонной жидкостей и учета сил адгезии и профиля скорости по сечению капилляров, что позволяет более достоверно определить относительную кинематическую вязкость биологических жидкостей.

Технический результат способа достигается тем, что предварительно капилляры располагают под углом к горизонту и определяют высоту капиллярного поднятия обоих жидкостей; затем в сосуды, сообщающиеся с горизонтальными капиллярами с различными внутренними диаметрами, помещают две жидкости эталонную и исследуемую с неизвестной вязкостью. С другой стороны капилляры закрывают трехходовым вентилем, добиваясь при этом одинакового начального положения жидкостей. После этого открывают вентиль и фиксируют одновременное движение жидкостей, движущихся под действием сил поверхностного натяжения и вязкости в обоих капиллярах, кинематическую вязкость исследуемой жидкости определяют из соотношения (1).

Соотношение (1) можно получить из рассмотрения движения жидкости по горизонтальному капилляру. Уравнение движения жидкости по горизонтальному цилиндрическому капилляру имеет вид

где m=ρπR²L - масса жидкости в капилляре,

R - радиус капилляра,

L - длина растекания жидкости в капилляре,

cosϕ - краевой угол,

μ - динамическая вязкость жидкости.

Далее заменим градиент скорости по сечению капилляра средним значением

где V - расходная скорость, а в определяется из усреднения градиента скорости по сечению капилляра. Подставляя соотношение (3) в (2), получим дифференциальное уравнение относительно длины растекания L

После первого интегрирования получаем

Оценка уравнения (5) показала, что примерно через 0,1 с экспоненциальным членом можно пренебречь. Тогда, производя второе интегрирование, получим

Движение жидкости в капилляре происходит главным образом за счет силы адгезии, определяющий параметр которой можно измерить по высоте поднятия жидкости в капилляре h

где С - коэффициент пропорциональности, который зависит от адгезионных свойств материала капилляра. Объединяя соотношения (6) и (7), получаем

Тогда кинематическая вязкость исследуемой жидкости, растекающаяся на длину L за время t по капилляру радиуса R определяется по формуле

где α'=С/θ - коэффициент пропорциональности, который зависит от материала капилляра и от профиля скорости исследуемой жидкости в капилляре, h - высота капиллярного поднятия исследуемой жидкости в поле тяжести. Кинематическая вязкость эталонной жидкости v_э, растекающаяся на длину L_э, за это же время t по капилляру радиуса R_э, определяется по формуле

где α" = C_э/θ_э - коэффициент пропорциональности, который зависит от материала капилляра и от профиля скорости эталонной жидкости в капилляре, h_э - высота капиллярного поднятия эталонной жидкости в поле тяжести. Коэффициент пропорциональности в соотношении (1) также зависит от адгезионных свойств материала капилляров и профиля скорости по сечению капилляров.

Поясняющее способ устройство для определения относительной вязкости биологических жидкостей состоит из корпуса 1, на котором находятся сосуды 2, сообщающиеся с горизонтальными капиллярами 3 и 4, выполненными из стеклянных трубок различным внутренним диаметром, которые крепятся к корпусу 1 с помощью крепежной планки 5. С другой стороны капилляры 3 и 4 сообщаются с помощью гибких трубок 6, которые проходят через зажимы 7 корпуса 1 с трехходовым вентилем 8. Крепежная планка 5 крепится с помощью винта 9 к одной из стоек 10 корпуса 1, другие стойки 10 удерживают сосуды 2 на корпусе 1.

Способ измерения относительной вязкости биологической жидкости осуществляется следующим образом.

Для тарировки в сосуды 2 устройства наливают эталонную жидкость, например спирт. Корпус 1 помещают под углом к горизонту (в экспериментах этот угол составлял 30°) и определяют высоту капиллярного поднятия жидкости в капиллярах 3 и 4. Затем корпус 1 располагают горизонтально, с помощью груши или шприца выдувают жидкости из капилляров и перекрывают трехходовой вентиль 8. С помощью зажимов 7 корпуса 1 добиваются одинакового начального положения жидкостей в капиллярах 3 и 4. Далее открывают трехходовой вентиль 8 и при одновременном движении жидкости фиксируют длины ее растекания по капиллярам 3 и 4 с помощью измерительной ленты, укрепленной на корпусе 1. Полученные данные подставляют в соотношение (1), принимая ν=ν_э, определяют коэффициент пропорциональности который зависит от адгезионных свойств материала капилляров и профиля скорости по сечению капилляров (эксперимент показал, что когда в качестве эталонной жидкости берут или спирт, или трансформаторное масло, то α в пределах точности эксперимента оказался одинаков и составил ≈ 1,3).

После этого в одну из емкостей 2, сообщающуюся с капилляром 3, имеющим больший диаметр, наливают исследуемую жидкость с большей вязкостью и вновь корпус 1 помещают под углом к горизонту и определяют высоту капиллярного поднятия исследуемой жидкости. Затем корпус 1 располагают горизонтально, с помощью груши или шприца выдувают жидкости из капилляров и перекрывают трехходовой вентиль 8. С помощью зажимов 7 корпуса 1 снова добиваются одинакового начального положения жидкостей в капиллярах 3 и 4. Далее открывают трехходовой вентиль 8 и при одновременном движении эталонной жидкости в капилляре 4 и исследуемой в капилляре 3 фиксируют длины их растекания с помощью измерительной ленты. Полученные данные подставляют в соотношение (1) и получают значение относительной вязкости исследуемой жидкости.

Достигаемый в предлагаемом способе измерения вязкости биологических жидкостей положительный эффект заключается в следующем:

1. Увеличивается диапазон измерения относительной кинематической вязкости за счет увеличения диаметра капилляра для исследуемой жидкости (в экспериментах была получена вязкость технического масла Мобил ˜100 мПа·с относительно этилового спирта, при диаметрах капилляров 0,59 мм и 0,31 мм соответственно), а учет сил адгезии и профиля скорости по сечению капилляров позволяет определять это значение более достоверно.

2. Добавляется дополнительная возможность оценки коэффициента поверхностного натяжения жидкостей по максимальной высоте поднятия жидкости в капиллярах.

Вообще говоря, использование разных капилляров для относительного измерения вязкости сопряжено с неоднозначностью трактовки относительного движения. Так как капилляры, изготовленные даже из одной марки стекла, могут иметь различные адгезионные свойства, которые зависят как от способа изготовления стеклянного капилляра, так и от истории его использования. В предполагаемом способе ошибка, возникающая за счет неизвестных адгезионных свойств разных капилляров, сводится к минимуму.

Способ определения относительной кинематической вязкости биологической жидкости в двух капиллярах, при котором судят о вязкости исследуемой жидкости по ее движению относительно эталонной, отличающийся тем, что предварительно капилляры располагают под углом к горизонту и определяют высоту капиллярного поднятия эталонной жидкости в поле тяжести и высоту капиллярного поднятия исследуемой жидкости в поле тяжести, затем корпус располагают горизонтально, измеряют длины одновременного растекания эталонной и исследуемой жидкостей по горизонтальным капиллярам с помощью измерительной ленты и определяют относительную кинематическую вязкость из соотношения

где ν_э, ν - кинематические вязкости эталонной и исследуемой жидкостей,

h_э, h - высоты капиллярного поднятия эталонной и исследуемой жидкостей в поле тяжести,

R_э, R - радиусы капилляров, по которым текут соответственно эталонная и исследуемая жидкость,

L_э, L - длина растекания эталонной и исследуемой жидкостей,

α - коэффициент пропорциональности.