纳米微粒对乙二醇溶液过冷度的影响

高志新 郝保同 刘宝林 王 欣 周国艳

1 引言

与平衡冻结过程相比，过冷度大的溶液往往形成尖细的树枝状晶体，细胞和细胞间隙组织更容易受到这种针尖状晶体的机械损伤［1］。因此，通过提高低温保护剂溶液的成核温度，有效的降低溶液的过冷度，对细胞和组织的成功保存是非常重要的。

羟基磷灰石纳米微粒由于具有极强的亲水性表面和较小的体积，易在水溶液中悬浮，而且对细胞和生物组织没有毒性，可诱发保护剂冻结过程的异相成核，提高过冷度。已有文献证明了纳米微粒在常温状态下可以增强流体的导热系数［2］、传热效率［3］以及临界热流量［4］等。正是由于纳米微粒在常温状态下表现的优良特性，有些学者尝试将纳米微粒引入低温生物学领域。Han［5］等将纳米微粒加入到低温保护剂中，发现纳米微粒能提高溶液相变点以上的导热系数和降低溶液的反玻璃化温度，并从纳米微粒显著促进冰晶的成核过程做了初步解释。但是纳米微粒在相变点温度以下，能显著的增加溶液的粘度，影响低温保护剂的分子结构，进而影响了纳米低温保护剂的在降温过程中的冻结特性，关于这方面的研究还鲜有报道。本实验利用DSC研究了HA纳米微粒对乙二醇溶液降温过程的冻结参数，为进一步完善低温保护剂的配置和细胞的成功保存提供了理论与方法支持。

2 材料与方法

2.1 材料

乙二醇(威尔昆化学试剂有限公司)为实验用分析纯试剂，纯度＞99.8%。羟基磷灰石(HA)纳米微粒纯度为99.99%，形状为半球形或者球形(南京埃普瑞纳米材料有限公司)。溶液配制和仪器标定均采用二次蒸馏水。标定用的环戊烷(上海生化试剂公司)为色谱标准试剂，标定用水和溶液配制用水均为本实验室生产的二次蒸馏水。乙二醇在使用前用CaH2处理并经减压蒸馏。二次蒸馏水使用前用0.2 um微孔滤纸过滤。

2.2 差示扫描量热仪(DSC)

本实验用差示扫描量热仪为DSC-Pyris Diamond(美国Perkin-Elmer公司)。温度标定采用环戊烷的晶-晶转变点(外推起始温度为-135.06℃)和二次蒸馏水的熔融温度0℃(均采用外推起始温度)进行两点标定［6］。液氮冷却采用CryofillTM，Perkin-Elmer公司的液氮容器控制。样品冲洗气体为高纯度氦气(纯度 ＞ 99.999%)，流量30 mL/min保持不变。样品皿为标准液体铝皿(美国Perkin-Elmer公司)，样品量为 5 mg—15 mg，精确到 ±0.01 mg。天平采用赛多利斯的BP211D，精确到0.01 mg。

2.3 试验方法

溶液均以质量浓度配置。乙二醇溶液的浓度分别为 0，1%，5%，15%20%，30%，40%。羟基磷灰石纳米微粒的质量浓度分别为0.05%，0.1%，和0.2%，粒径分别为20 nm，40 nm，60 nm。纳米微粒加入乙二醇溶液后采用细胞超声震荡粉碎仪震荡，定时90分钟，超声功率为350 kW。样品皿采用标准液体铝皿，并用液固通用压机(美国)压制密封。每一个样品都必须按照相同升降温程序对样品皿、标准物质皿和空皿进行扫描，然后再进行下一个样品。为消除试样的热历史，加样后首先将试样以150℃/min快速升温到所需温度区间的上限，然后以150℃/min快速降温到所需温度区间的下限。如此重复2—3次，调至实验起始温度，恒温3 min—5 min，然后以相同的降温和升温速率扫描并记录热流数据，扫描速率为10℃/min。待热流稳定后开始采集数据。每个样品作3个平行样，实验结果取其平均值。

2.4 数据分析

转变温度采用热分析软件Pyris Software(美国Perkin-Elmer公司，5.0版本)读取。在相变前后比热变化不大时，用标准基线，变化较大时使用“S”形基线。成核温度取台阶上升沿斜率最大点和基线交点对应的温度即外推起始温度。熔融温度取熔融峰顶点温度(peak)［7］。如图1所示为40%乙二醇溶液降温和复温DSC热流曲线。为方便起见，在取实验结果时，将每个浓度对应的6组数据舍弃最大值和最小值，取4个数据的平均值作为分析的依据。

图1 0.1%HA纳米微粒+15%EG溶液降温曲线Fig.1 DSC cooling thermograms of 0.1%HA nanoparticles and 15%EG solution

3 结果与讨论

基于冰晶的成核理论［1］，在结晶过程中，母相中产生稳定的新相核的过程称为成核过程。根据成核机理的不同分为均相成核和异相成核。均相成核过程是由于液相内的能量和密度的随机起伏涨落，系统内的分子不时的聚集成团而自发的成核过程。与均相成核相比异相成核更常见，异相成核是由于溶液中参杂了外来的杂质颗粒或者接触已有的界面如容器壁面等，这些不纯物质和界面起到了晶种的作用。这样的成核过程为异相成核。因此本实验所说的成核温度指的是异相成核温度。

不同浓度的溶液其平衡冻结点是不同的，降温时，溶液只有先过冷到其平衡冻结点以下的某个温度，溶液中的水才开始冻结。溶液的平衡冻结点与成核温度之差称为溶液冻结的过冷度［8］。

3.1 HA纳米微粒对不同浓度乙二醇溶液成核温度的影响

由图2可知加入HA纳米微粒的乙二醇溶液与纯乙二醇溶液相比较，在一定的浓度范围内，降温或升温过程所表现的相行为有许多相似之处。在降温过程中，溶液均要先过冷到某一温度才开始冻结，且冻结温度随着溶液浓度的增加而降低，原因是乙二醇分子与水分子之间有较强的氢键作用，这些氢键的存在降低了形成冰晶所需要的相变驱动力［9］。同结晶过程相比较，熔融过程在较宽的范围内完成的。在质量浓度低于20%时，加入纳米微粒后溶液成核温度变化不明显，但是当溶液浓度高于20%时，加入纳米微粒能显著的提高溶液的成核温度。可能的原因是，当溶液的浓度与纳米微粒的加入量均较小时，此时溶液中水分子占据主导作用，因此溶液的成核特性更多的表现为纯水的冻结特性。纳米微粒，乙二醇分子及水分子之间的相互作用还不足以对溶液的冻结过程产生较大的影响。溶液冻结的随机性比较大。但是随着溶液浓度的增加，溶质-溶剂之间的相互作用开始对溶解过程产生明显的影响，主要表现在大大降低了溶液冻结的随机性。

图2 不同浓度的乙二醇溶液成核温度Fig.2 Nucleation temperature of different concentrations of EG solution

3.2 不同粒径和不同质量浓度的HA纳米微粒对EG溶液过冷度的影响

由表1可知对40%的乙二醇溶液加入不同粒径和不同质量浓度的HA纳米微粒，溶液的成核温度与过冷度均显著的降低。加入HA纳米微粒的粒径越大或者质量浓度越大，溶液过冷度降低的越显著。

表1 用DSC测得加入HA纳米微粒的乙二醇溶液的成核温度和熔融温度Table 1 Nucleation temperature and melting temperature of different concentrations of EG solution measured by DSC

将HA纳米微粒加入乙二醇溶液中，HA纳米微粒便起到了成核基体的作用，在异相成核过程中成核界面是已经存在的，晶体的生长是由低能量的晶核和成核基体取代原先的界面，这种界面取代比界面产生所需能量小。即其成核势垒小，所以异相成核将在比较小的过冷度下发生。在低浓度区间溶液的冻结随机性较大，但是在中高浓度区间，由于溶液内各组分之间的相互作用，有效的抑制了这种随机性，溶液的冻结表现出较强的规律性。但是溶液的微观结构与溶液的宏观性质-过冷度到底存在一个什么样的定量关系，单纯的依靠DSC是很难做出解释的。依靠异相成核的机理，定性的分析了HA纳米微粒加入乙二醇溶液后的成核现象以及对溶液过冷度的影响。

图3所示为异相成核示意图。将HA纳米微粒看成半径为Rn的成核基体，晶胚为半径是r的球冠，θ为其接触角。异相成核时的临界晶核半径r*和临界成核势垒ΔG*

其中:

式中:σ12是纳米粒子与流体之间的比表面自由能;σ23是晶核与纳米粒子之间的比表面自由能;σ12是晶核与流体之间的比表面自由能。

图3 异相成核示意图

图4给出了f(η，x)随x的变化情况，由图可见随x增大，f(η，x)是减小的，这时ΔG*也减小，这表明当Rn增大时溶液容易成核，与实验得出的结果相同。同时由于-1≤η≤1，对相同的x，η越大成核势垒越小，较大的η也反映了湿润程度大，这时杂质基体与晶体之间的界面能σ23较小，故而利于成核。HA纳米微粒具有较大的面积与体积比，和极强的亲水性，即晶胚与纳米微粒的湿润程度较大，更加有利于冰晶的成核。

4 结论

利用差热扫描热仪(DSC)研究了HA纳米微粒对乙二醇溶液的成核温度和过冷度的影响。证明纳米微粒能显著的促进晶核的形成和降低溶液的过冷度。并通过异相成核简要分析了纳米微粒对保护剂溶液的作用机理。深入的分析纳米低温保护剂在降温、复温过程中产生的一系列热力学变化以及纳米微粒与溶液分子间的相互作用，为改进生物材料的低温保存和研究纳米微粒在低温领域中的应用提供了理论基础。

图4 f(η，x)随x的变化Fig.4 Relationship between f(η，x)with changes of x

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3 Choi SUS，Zhang Z G，Grulke E A .Anomalous thermal conductivity enhancement in nanotube suspensions［J］.Appl Phys Lett.，2001，79:2252-2254.

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7 高 才，周国燕，华泽钊，等.乙二醇和丙三醇水溶液冻结特性的研究［J］.物理化学学报.2004，20(2):123-128.

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