LABORATORIUM BIOFIZYKA
Ćwiczenie nr 3
„Uwalnianie substancji z maści i żeli”
Imię i nazwisko prowadzącego: mgr inż. Sylwia Wiśniewska-Kubka
| Wykonawcy: | Anna Bielat Patrycja Grzybowska Ewa Kania 185784 Alicja Mostyńska 185771 |
|---|---|
| Godzina, grupa: | pn, godz. 12.15-14.45 |
| Termin zajęć: | 05.12.2011r. |
Cel i przebieg doświadczenia:
Badanie właściwości substancji na podstawie analizy uwalniania poprzez membranę celulozową roztworu DCPIP (2,6 dichrolofenoloindofenol ) w postaci użelowanej i płynnej do płynu akceptorowego (woda destylowana) w procesie dyfuzji.
Doświadczenie polegało na umieszczeniu niewielkiej ilości substancji w postaci żelowej i nieżelowej do specjalnych komór zawierających membranę celulozową. Następnie komory te zostały zanurzone w wodzie destylowanej. Dla porównania ilości uwalnianej substancji w postaci użelowanej i płynnej dokonane zostały pomiary absorbancji próbek pobranych z obu ośrodków w stałych odstępach czasu.
Wstęp teoretyczny1:
Dyfuzja – (dyfuzja chemiczna) - zjawisko samorzutnego ruchu cząsteczek w ośrodku składającym się z dwóch różnych roztworów. Cząsteczki rozprzestrzeniają się w celu wyrównania stężeń w danym ośrodku.
Stosujemy dwa prawa Ficka, które opisują procesy zachodzące podczas dyfuzji.
Pierwsze prawo Ficka - dotyczy sytuacji, gdy strumień dyfuzji nie zmienia się w czasie: „strumień cząstek dyfuzji jest proporcjonalny do gradientu stężenia”
gdzie:
J - strumień składnika (masa molowa składnika przepływająca przez jednostkowy przekrój w jednostce czasu)
D - współczynnik dyfuzji
φ – stężenie molowe
x - współrzędna osi, wzdłuż której zachodzi dyfuzja
Drugie prawo Ficka - dotyczy sytuacji, gdy dyfuzja jest lokalnie zmienna w czasie:
gdzie:
D - współczynnik dyfuzji,
φ - stężenie
x - odległość od źródła dyfundującej substancji
t - czas [s]
Współczynnik dyfuzji, D [m2/s] – wielkość charakteryzująca dyfuzję , zależna od temperatury i ciśnienia. Liczbowo D jest równy ilości składnika dyfundującego przez jednostkową powierzchnię w czasie, przy jednostkowym gradiencie stężenia wywołującego dyfuzję.
Dla dyfuzji gazowej:
gdzie:
λ – średnia droga swobodna dyfundujących drobin
u – średnia kwadratowa prędkość dyfundujących drobin
Dla dyfuzji w cieczach:
gdzie:
v – mechaniczny współczynnik ruchliwości równy U/F
(U – dodatkowa średnia prędkość drobin wywołana przez wymuszającą dyfuzję średnią siłę F działającą na drobinę)
k – stała Boltzmanna
T – temp. bezwzględna
3. Przebieg ćwiczenia:
3.1. Wyznaczenie krzywej kalibracyjnej roztworu o znanym stężeniu
stężenie roztworu wyjściowego: C0 = 11mM
Przygotowanie roztworu o stężeniu CK:
Objętość składnika o stężeniu C0: V0 = 1ml
Objętość wody: VWODY = 10ml
Objętość roztworu: VR = V0 + VWODY = 1ml + 10ml = 11ml = 11•10−3dm3
$$C = \frac{n_{S}}{V_{R}}\text{\ \ } \rightarrow \text{\ \ }n_{S} = C \bullet V_{R}$$
$$\mathbf{n}_{\mathbf{S}} = C_{0} \bullet V_{R} = 11 \bullet 10^{- 3}\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \bullet 11 \bullet 10^{- 3}\text{dm}^{3} = \mathbf{11}\mathbf{\bullet}\mathbf{10}^{\mathbf{-}\mathbf{6}}\mathbf{\text{mol}}$$
Stężenie roztworu:
$$\mathbf{C}_{\mathbf{K}} = \frac{n_{S}}{V_{R}} = \frac{11 \bullet 10^{- 6}\text{mol}}{11 \bullet 10^{- 3}\text{dm}^{3}} = 10^{- 3}\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} = \mathbf{1}\mathbf{\text{mM}}$$
| ROZCIEŃCZANIE |
|---|
| Lp. |
| 1 |
| 2 |
| 3 |
Tab. 1 Tabela pomiarowa do sporządzenia krzywej kalibracyjnej
*Pobrana ilość przygotowanego roztworu - Vi
* Absorbancja mierzona przy długości fali 600nm
Przykładowe obliczenia stężeń:
V1 = 3 cm3 = 3 • 10−3dm3
$$\mathbf{n}_{\mathbf{S1}} = C_{K} \bullet V_{1} = 10^{- 3}\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \bullet 3 \bullet 10^{- 3}\text{dm}^{3} = \mathbf{3}\mathbf{\bullet}\mathbf{10}^{\mathbf{-}\mathbf{6}}\mathbf{\text{mol}}$$
$$\mathbf{C}_{\mathbf{1}} = \frac{n_{S}}{V_{R}} = \frac{3 \bullet 10^{- 6}\text{mol}}{11 \bullet 10^{- 3}\text{dm}^{3}} = {2,(72) \bullet 10}^{- 4} \approx \mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{27273}\mathbf{\text{mM}}$$
Wykres 1
3.2. Uwalnianie substancji – wyznaczenie stężeń
| lp | Roztwór płynny | Roztwór żelowy |
|---|---|---|
| czas uwalniania | absorbancja | |
| t [min] | t [s] | |
| 1 | 5 | 300 |
| 2 | 10 | 600 |
| 3 | 15 | 900 |
| 4 | 20 | 1200 |
| 5 | 25 | 1500 |
| 6 | 30 | 1800 |
| 7 | 35 | 2100 |
| 8 | 40 | 2400 |
Tab. 2 Tabela pomiarowa
* Na żółto zaznaczono wyniki znacznie odbiegające od pozostałych i pominięte przy obliczeniach
* Absorbancja mierzona przy długości fali 600nm
Obliczenia:
Równanie prostej:
y = 11, 977x − 0, 0409
Na osi y zaznaczone są zmierzone absorbancje, na osi x - stężenia, więc chcąc wyliczyć stężenie znając absorbancję, musimy podstawić wartość absorbancji za y a wartość stężenia C wyznaczyć jako x:
$$x = \frac{y + 0,0409}{11,977}$$
Przykładowo:
$$C = x = \frac{0,00798 + 0,0409}{11,977} = 0,004081156mM \approx 0,00408\text{mM}$$
Wykres 2
Wykres 3
3.3. Wyznaczenie stężenia substancji w zlewce (200ml wody) po uwolnieniu całości
Stężenie początkowe uwalnianej substancji: C0 = 11mM
Objętość substancji uwalnianej: V0 = 0, 5ml
Objętość wody w zlewce (do której uwalniana jest substancja): VWODY = 200ml
Liczba moli substancji:
$$\mathbf{n}{= C}_{0} \bullet V_{0} = 11 \bullet 10^{- 3}\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \bullet 0,5 \bullet 10^{- 3}\text{dm}^{3} = \mathbf{5}\mathbf{,}\mathbf{5}\mathbf{\bullet}\mathbf{10}^{\mathbf{-}\mathbf{6}}\mathbf{\text{mol}}$$
Obliczenie stężenia po uwolnieniu całości:
$$\mathbf{C}_{\mathbf{C}} = \frac{n}{V_{\text{WODY}} + V_{0}} = \frac{5,5 \bullet 10^{- 6}\text{mol}}{200 \bullet 10^{- 3}\text{dm}^{3} + 0,5 \bullet 10^{- 3}\text{dm}^{3}} = 2,743142145 \bullet 10^{- 5}\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \approx \mathbf{0}\mathbf{,}\mathbf{02743}\mathbf{\text{mM}}$$
3.4. Wyznaczenie czasu po jakim uwolni się całość substancji:
Na osi y zaznaczone są obliczone stężenia, na osi x – czas uwalniania, więc chcąc wyliczyć czas po jakim uwolni się całość substancji, znając stężenie roztworu CC=0,02743mM po uwolnieniu całości substancji, musimy podstawić wartość stężenia za y a wartość czasu t wyznaczyć jako x:
ROZTWÓR PŁYNNY
Równanie prostej na wykresie kinetyki uwalniania w czasie
y = 1 • 10−6x + 0, 0038
$$x = \frac{y - 0,0038}{10^{- 6}}$$
$$t = x = \frac{0,02743 - 0,0038}{10^{- 6}} = 23631,42145s \approx 394min$$
ROZTWÓR ŻELOWY
Równanie prostej na wykresie kinetyki uwalniania w czasie
y = 1 • 10−6x + 0, 0037
$$x = \frac{y - 0,0037}{10^{- 6}}$$
$$t = x = \frac{0,02743 - 0,0037}{10^{- 6}} = 23731,42145s \approx 396min$$
Otrzymane wyniki zostały umieszczone w tabeli:
| MAKSYMALNY CZAS UWALNIANIA |
|---|
| roztwór płynny |
| t [s] |
| 23631,42145 |
Tab. 3 Czas uwalniania substancji
3.5. Maksymalny strumień uwalnianej substancji:
dla roztworu płynnego
| ROZTWÓR PŁYNNY |
|---|
| l.p. |
| 1. |
| 2. |
| 3. |
| 4. |
| 5. |
| 6. |
| 7. |
Tab. 4 Strumień dla roztworu płynnego
dla roztworu żelowego
| ROZTWÓR ŻELOWY |
|---|
| l.p. |
| 1. |
| 2. |
| 3. |
| 4. |
| 5. |
| 6. |
| 7. |
Tab. 5 Strumień dla roztworu żelowego
*ze względu na błąd powstały przy wykonywaniu pomiarów, przekreślone wartości nie zostały uwzględnione przy dalszej analizie wyników
Przykładowe obliczenia:
Powierzchnia okna uwalniania w komorze pomiarowej:
$$S = \pi\left( \frac{d}{2} \right)^{2} = \pi*\left( \frac{0,01}{2} \right)^{2} \cong 0,00007854\ \lbrack m^{2}\rbrack$$
gdzie:
d – średnica okna uwalniania w komorze pomiarowej [mm]
Strumień uwalnianej substancji:
$$J = \frac{n}{St} = \frac{C_{m}*V}{S*t} = \frac{5,34*10^{- 7}*0,5}{0,00007854*300} = 1,13*10^{- 5}\ \left\lbrack \frac{\text{mol}}{m^{2}s} \right\rbrack$$
4. Analiza wyników, wnioski:
Na podstawie analizy czasu uwalniania substancji [Tab.3] , można zauważyć, że szybciej uwalniana jest substancja w postaci niezżelowanej, co potwierdza dodatkowo fakt, że obserowany strumień substancji zżelowanej w danej chwili jest znacznie mniejszy niż dla substancji niezżelowanej (proces przenoszenia masy przez błonę celulozową jest znacznie wolniejszy). Wynika z tego, że modyfikując podłoże substancji czynnej, możemy osiągnąć pożądany stopień uwalniania substancji czynnej i w ten sposób wpływać na szybkość dyfuzji np. substancji leczniczej z preparatu na skórę [1].
6. Bibliografia:
[1] www.kwadryga.pl/upload/Dokumenty/.../Gf_2_09_34-36.pdf
[2] http://pl.wikipedia.org/wiki/Dyfuzja
[3] http://pl.wikipedia.org/wiki/Prawa_Ficka
[4] http://chemia.waw.pl/dyfuzja.htm
[5] http://portalwiedzy.onet.pl/74295,,,,dyfuzji_wspolczynnik,haslo.html
Wyszukiwarka