Криоскопический осмометр для исследования криобиологических жидкостей
Проанализированы факторы, влияющие на точность измерений температуры замерзания биологических жидкостей в криоскопическом осмометре: теплоемкость датчика температуры, масса образца, интегральная теплопроводность среды и разность температур между образцом и охладителем. Результаты анализа использов...
Gespeichert in:
| Datum: | 2011 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України
2011
|
| Schriftenreihe: | Проблемы криобиологии |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/44877 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Криоскопический осмометр для исследования криобиологических жидкостей / В.Н. Кучков, В.Д. Зинченко // Пробл. криобиологии. — 2011. — Т. 21, № 1. — С. 104-112. — Бібліогр.: 7 назв. — рос., англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-44877 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-448772013-06-07T03:06:43Z Криоскопический осмометр для исследования криобиологических жидкостей Кучков, В.Н. Зинченко, В.Д. Криогенное оборудование Проанализированы факторы, влияющие на точность измерений температуры замерзания биологических жидкостей в криоскопическом осмометре: теплоемкость датчика температуры, масса образца, интегральная теплопроводность среды и разность температур между образцом и охладителем. Результаты анализа использованы при разработке криоскопической ячейки для исследования жидкостей с повышенной склонностью к переохлаждению. Криоскопический осмометр с данной ячейкой позволяет измерять температуру замерзания таких систем с точностью ±0,005°С. Проаналізовано фактори, які впливають на точність вимірювань температури замерзання біологічних рідин у кріоскопічному осмометрі: теплоємність датчика температури, маса зразка, інтегральна теплопровідність середовища та різниця температур між зразком і охолоджувачем. Результати аналізу використані у розробці кріоскопічної комірки для дослідження рідин з підвищеною схильністю до переохолодження. Кріоскопічний осмометр з даною коміркою дозволяє вимірювати температуру замерзання таких систем з точністю ±0,005°С. The factors affecting the accuracy of temperature measurements in biological fluids in cryoscopic osmometer: heat capacity of temperature gauge, sample mass, integral heat conductivity of the medium and temperature difference between the sample and coolant, were analyzed. The results of analysis were used when designing cryoscopic cell to investigate the liquids with an increased inclination to overcooling. Cryoscopic osmometer with this cell enables the measuring of freezing temperature of such systems with ±0.005°C accuracy. 2011 Article Криоскопический осмометр для исследования криобиологических жидкостей / В.Н. Кучков, В.Д. Зинченко // Пробл. криобиологии. — 2011. — Т. 21, № 1. — С. 104-112. — Бібліогр.: 7 назв. — рос., англ. 0233-7673 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/44877 57.088.5:547.42 ru Проблемы криобиологии Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Криогенное оборудование Криогенное оборудование |
| spellingShingle |
Криогенное оборудование Криогенное оборудование Кучков, В.Н. Зинченко, В.Д. Криоскопический осмометр для исследования криобиологических жидкостей Проблемы криобиологии |
| description |
Проанализированы факторы, влияющие на точность измерений температуры замерзания биологических жидкостей в
криоскопическом осмометре: теплоемкость датчика температуры, масса образца, интегральная теплопроводность среды и
разность температур между образцом и охладителем. Результаты анализа использованы при разработке криоскопической
ячейки для исследования жидкостей с повышенной склонностью к переохлаждению. Криоскопический осмометр с данной
ячейкой позволяет измерять температуру замерзания таких систем с точностью ±0,005°С. |
| format |
Article |
| author |
Кучков, В.Н. Зинченко, В.Д. |
| author_facet |
Кучков, В.Н. Зинченко, В.Д. |
| author_sort |
Кучков, В.Н. |
| title |
Криоскопический осмометр для исследования криобиологических жидкостей |
| title_short |
Криоскопический осмометр для исследования криобиологических жидкостей |
| title_full |
Криоскопический осмометр для исследования криобиологических жидкостей |
| title_fullStr |
Криоскопический осмометр для исследования криобиологических жидкостей |
| title_full_unstemmed |
Криоскопический осмометр для исследования криобиологических жидкостей |
| title_sort |
криоскопический осмометр для исследования криобиологических жидкостей |
| publisher |
Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Криогенное оборудование |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/44877 |
| citation_txt |
Криоскопический осмометр для исследования
криобиологических жидкостей / В.Н. Кучков, В.Д. Зинченко // Пробл. криобиологии. — 2011. — Т. 21, № 1. — С. 104-112. — Бібліогр.: 7 назв. — рос., англ. |
| series |
Проблемы криобиологии |
| work_keys_str_mv |
AT kučkovvn krioskopičeskijosmometrdlâissledovaniâkriobiologičeskihžidkostej AT zinčenkovd krioskopičeskijosmometrdlâissledovaniâkriobiologičeskihžidkostej |
| first_indexed |
2025-07-04T03:26:55Z |
| last_indexed |
2025-07-04T03:26:55Z |
| _version_ |
1836685319092568064 |
| fulltext |
104
* Автор, которому необходимо направлять корреспонденцию:
ул. Переяславская, 23, г. Харьков, Украина 61015; тел.: (+38
057) 373-31-41, факс: (+38 057) 373-30-84, электронная почта:
vd_zin@mail.ru
* To whom correspondence should be addressed: 23,
Pereyaslavskaya str., Kharkov, Ukraine 61015; tel.:+380 57 373
3141, fax: +380 57 373 3084, e-mail: vd_zin@mail.ru
Institute for Problems of Cryobiology and Cryomedicine of the Na-
tional Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, Ukraine
Институт проблем криобиологии и криомедицины
НАН Украины, г. Харьков
УДК 57.088.5:547.42
В.Н. КУЧКОВ, В.Д. ЗИНЧЕНКО*
Криоскопический осмометр для исследования
криобиологических жидкостей
UDC 57.088.5:547.42
V.N. KUCHKOV, V.D. ZINCHENKO*
Cryoscopic Osmometer for Studying Cryobiological Fluids
Проанализированы факторы, влияющие на точность измерений температуры замерзания биологических жидкостей в
криоскопическом осмометре: теплоемкость датчика температуры, масса образца, интегральная теплопроводность среды и
разность температур между образцом и охладителем. Результаты анализа использованы при разработке криоскопической
ячейки для исследования жидкостей с повышенной склонностью к переохлаждению. Криоскопический осмометр с данной
ячейкой позволяет измерять температуру замерзания таких систем с точностью ±0,005°С.
Ключевые слова: криоскопический осмометр, криобиологические жидкости, криопротекторы, переохлаждение.
Проаналізовано фактори, які впливають на точність вимірювань температури замерзання біологічних рідин у
кріоскопічному осмометрі: теплоємність датчика температури, маса зразка, інтегральна теплопровідність середовища та різниця
температур між зразком і охолоджувачем. Результати аналізу використані у розробці кріоскопічної комірки для дослідження
рідин з підвищеною схильністю до переохолодження. Кріоскопічний осмометр з даною коміркою дозволяє вимірювати
температуру замерзання таких систем з точністю ±0,005°С.
Ключові слова: кріоскопічний осмометр, кріобіологічні рідини, кріопротектори, переохолодження.
The factors affecting the accuracy of temperature measurements in biological fluids in cryoscopic osmometer: heat capacity of
temperature gauge, sample mass, integral heat conductivity of the medium and temperature difference between the sample and coolant,
were analyzed. The results of analysis were used when designing cryoscopic cell to investigate the liquids with an increased inclination
to overcooling. Cryoscopic osmometer with this cell enables the measuring of freezing temperature of such systems with ±0.005°C
accuracy.
Key words: cryoscopic osmometer, cryobiological fluids, cryoprotectants, supercooling.
Cryoscopic osmometers have been applied for ana-
lyzing biological fluids for more than 50 years. In me-
dical practice the most popular are the osmometers
for investigation of osmotical state of blood, plasma,
urine, pharmaceutical preparations etc. On the market
of scientific professional equipment there are known
the produced in Germany cryoscopic osmometers
K-7400 of Knauer company, Osmomat of Gonotec,
OsmoLAB of Labtek Services, the devices of Preci-
sion Systems Inc. (USA), Arkray (Japan), SPC Bure-
vestnik (Russia). To measure the osmolality of certain
biological liquids there are designed narrowly-specia-
lized osmometers. For example, the Advanced Instru-
ments Inc. (USA) produces the cryoscopic nanoliter
osmometer (model 3100) allowing the determining of
tear osmolality [3, 4, 7 ], osmometer 3320 was designed
to control milk osmolality [5], Advanced Moel 20G Os-
mometer is widely applied when investigating the
osmotic state of cell suspensions of mammals, cultures
of plant cells, processes of bacterial fermentation [2].
However, when analyzing the available literature it has
been established that the designers of cryoscopic
Криоскопические осмометры применяются для
анализа биологических жидкостей на протяжении
более пятидесяти лет. В медицинской практике наи-
более распространены осмометры для исследо-
вания осмотического состояния крови, плазмы,
мочи, фармацевтических препаратов и т. п. На рын-
ке научного приборостроения известны произво-
димые в Германии криоскопические осмометры
K-7400 компании “Knauer”, “Osmomat” фирмы
“Gonotec”, “OsmoLAB” фирмы “Labtek Services”,
приборы фирм “Precision Systems Inc.” (США),
“Аркрей” (Япония), НПП “Буревестник” (Россия).
Для измерения осмоляльности конкретных биологи-
ческих жидкостей разрабатываются узкоспециали-
зированные осмометры. Например, фирмой “Ad-
vanced Instruments Inc.” (США) производится крио-
скопический нанолитровый осмометр (модель
3100), позволяющий определять осмоляльность сле-
зы [3, 4, 7], осмометр 3320 (Германия) разработан
для контроля осмоляльности молока [5], “Advanced
Model 20G Osmometer” (США) широко использует-
ся при исследовании осмотического состояния сус-
problems
of cryobiology
Vol. 21, 2011, №1
проблемы
криобиологии
Т. 21, 2011, №1
?
105 problems
of cryobiology
Vol. 21, 2011, №1
проблемы
криобиологии
Т. 21, 2011, №1
osmometers do not pay enough attention to the develop-
ment of the apparatuses for measuring the osmolality
of cryobiological fluids, i. e. biological fluids containing
cryoprotective agents (CPAs). The peculiarity of free-
zing of aqueous systems containing CPAs is the inclina-
tion to a stable long-term supercooling, that results in
quite complicated initiation of their crystallization in
cryoscopic osmometer.
The research aim is to develop the device for recor-
ding freezing temperature and osmolality in cryobiolo-
gical fluids; to increase the accuracy of cryoscopic
measurements to analyze the systems differing on
freezing temperatures not more than by 0.01°C.
To achieve this aim we have analyzed the factors
affecting the accuracy of freezing temperature measu-
rement for liquids by means of cryoscopic osmometer.
With basing on this analysis there was designed a
measuring cell of cryoscopic osmometer to investigate
cryobiological liquids.
Materials and methods
Cryobiological fluids were prepared on the base of
additionally purified cryoprotectants: 1,2-propane diol
(1,2-PD), glycerol and dimethyl sulfoxide (DMSO) of
"chemically pure" grade (Reakhim, Russia).
The solution under study was placed into cryoscopic
cell of the osmometer, thermosensitive gauge was
plunged into the sample, then the well was placed into
a coolant with the temperature below the one of ice
crystallization in the studied solution.
Fig. 1 shows the dependence of temperature of
the studied liquid in cryoscopic cell vs. time. In super-
cooled samples (point B in Fig. 1) ice crystallization
starts (sites BC for pure water and BC1 for aqueous
solution of osmotically active substance). During crys-
tallization the hidden heat of phase transition liberates,
and the temperature of supercooled sample in the cell
increases up to the value of cryoscopic temperature
(points C and C1), corresponding to "liquid-solid" phase
balance in the investigated system. Within certain time
the temperature in the cell is maintained at the same
level (site CD). After finishing of ice crystallization
the sample temperature decreases (site DE) and ap-
proaches to a coolant one. Thus by making measure-
ments on the site CD one can with a high accuracy
determine the temperature of "liquid-solid" phase
balance for the given system. At the first approximation
the temperature corresponding to the point C on a
cooling curve is assumed as freezing point.
Measurement of freezing temperature and osmola-
lity of cryobiological liquids is complicated with the need
of using the coolants, enabling the achieving of lower
temperature to obtain deep supercoolings of the studied
fluid. However, the increase in the difference of tempe-
ratures between coolant and cryoscopic cell rises the
пензий клеток млекопитающих, культур раститель-
ных клеток, процессов бактериального брожения
[2]. Однако при анализе доступной нам информации
установлено, что разработчики криоскопических
осмометров не уделяют достаточного внимания
разработке приборов для измерения осмоляльности
криобиологических жидкостей – биологических
жидкостей, содержащих криозащитные вещества.
Особенностью замерзания водных систем, содер-
жащих криопротекторы, является склонность к
устойчивому длительному переохлаждению, вслед-
ствие чего вызвать их кристаллизацию в криоскопи-
ческом осмометре достаточно сложно.
Цель работы – разработка прибора для ре-
гистрации температуры замерзания и осмоляль-
ности в криобиологических жидкостях; повышение
точности криоскопических измерений для анализа
систем, отличающихся по температуре замерзания
не более чем на 0,01°С.
Для достижения данной цели нами были проана-
лизированы факторы, влияющие на точность изме-
рения температуры замерзания жидкости при
помощи криоскопического осмометра, на основании
которых разработана измерительная ячейка крио-
скопического осмометра для исследования
криобиологических жидкостей.
Материалы и методы
Криобиологические жидкости готовили на
основе дополнительно очищенных криопротек-
торов: 1,2-пропандиола (1,2-ПД), глицерина и диме-
тилсульфоксида (ДМСО) марки “х. ч.” (“Реахим”
Россия).
Исследуемым раствором заполняли криоскопи-
ческую ячейку осмометра, в образец погружали
термочувствительный датчик, затем ячейку поме-
щали в охладитель с температурой ниже темпера-
туры начала кристаллизации льда в исследуемом
растворе.
На рис. 1 представлена зависимость темпера-
туры исследуемой жидкости в криоскопической
ячейке от времени. В переохлажденном образце
(точка B на рис. 1) начинается кристаллизация льда
(участки ВС – для чистой воды и ВС1 – для
водного раствора осмотически активного вещест-
ва). В ходе кристаллизации выделяется скрытая
теплота фазового перехода, и температура пере-
охлажденного образца в ячейке повышается до
значения криоскопической температуры (точки C
и C1), соответствующей фазовому равновесию
“жидкое-твердое” в исследуемой системе. В тече-
ние некоторого времени температура в ячейке
поддерживается на одном уровне (участок CD).
После завершения кристаллизации льда темпера-
тура образца понижается (участок DE) и стремится
106 problems
of cryobiology
Vol. 21, 2011, №1
проблемы
криобиологии
Т. 21, 2011, №1
rate of heat removal from a sample, thereby decreasing
the time of its crystallization (site CD).
In this work we analyzed in which way the length
of site CD affects the accuracy of freezing temperatu-
re measuring and proposed the method of increasing the
accuracy of measurements in cryoscopic osmometer.
To make the cryoscopic osmometer there was used
semi-conductor cooling system of the OMKA 1C-01
osmometer (Medlabortekhnika, Ukraine). Cryoscopic
cell was made of molybdenum glass C52-1 (All-Union
State Standards GOST 6709-72), the device was
calibrated on the solutions of sodium chloride of "pure
for analysis" grade in distilled water.
The findings were statistically processed using the
MS Office 2003 Excel software.
Results and discussion
Taking into account the fact that the sample tempe-
rature in cryoscopic cell in the moment of the appearing
of crystallization in liquid increases too sharply, the
change in temperature of thermosensitive gauge (ter-
mistor) on the site CD of thermogram may be presen-
ted as the establishing of heat balance between body
rapidly transferred from thermostat with T1 tempera-
ture into the one with T2 temperature (Fig. 2). Let's
believe that heat capacity of the second thermostat is
so high that its temperature is not changed when
introducing the body studied and heat conductivity of
the body itself is much higher than the heat conductivity
on its boundary with thermostat. To change the tempe-
rature of the body with heat capacity C by the value
dT it is necessary to apply the amount of heat to it:
dQ = CdT. (1)
The heat taken by thermostat within the time dt is
described by the expression:
dQ = –λ(T2 – T)dt, (2)
where λ is heat conductivity on the boundary between
body and thermostat; T and T2 are temperatures of
body and thermostat, correspondingly.
Heat dQ in (1) equals dQ in (2) therefore the right
parts of these equations may be set equal:
CdT = –l(T2 – T)dt. (3)
When integrating the expression (3) we will obtain
the change of body temperature with time:
1 2 2( )
t
CT T T e T
λ ⋅−
= − + , (4)
where T1 and T2 are temperatures of body and ther-
mostat in initial moment of time; t is time of body stay
in thermostat.
к температуре охладителя. Таким образом, проведя
измерения на участке СD, можно с высокой точ-
ностью определить температуру фазового равнове-
сия “жидкое-твердое” для данной системы. В пер-
вом приближении точкой замерзания раствора
принято считать температуру, соответствующую
точке С на кривой охлаждения.
Измерение температуры замерзания и осмо-
ляльности криобиологических жидкостей услож-
нено необходимостью использования охладителей,
позволяющих достигать более низкой температуры
для получения требуемых глубоких переохлаж-
дений исследуемой жидкости. Однако увеличение
разности температур между охладителем и крио-
скопической ячейкой повышает скорость отбора
тепла от образца, что уменьшает время его крис-
таллизации (участок CD).
В данной работе мы проанализировали, каким
образом протяженность участка CD влияет на
точность измерения температуры замерзания и
предложили способ повышения точности измере-
ний в криоскопическом осмометре.
Для изготовления криоскопического осмометра
использовали полупроводниковую охлаждающую
систему от осмометра ОМКА 1Ц-01 (“Медлабор-
техника”, Украина). Криоскопическая ячейка была
изготовлена из молибденового стекла С52-1 (ГОСТ
6709-72), калибровка прибора произведена по
растворам хлористого натрия марки "ч. д. а" в
дистиллированной воде.
Статистическая обработка полученных данных
осуществлялась с использованием приложения MS
Exсel пакета программ MS Office 2003.
0 50 100 150 200 250 300 350 400
-2,00
-1,75
-1,50
-1,25
-1,00
-0,75
-0,50
-0,25
0,00
0,25
0,50
b
D1C1
A
B
C D
E
a
Время, с Time, s
Те
м
пе
ра
ту
ра
з
ам
ер
за
ни
я,
°
C
Fr
ee
zi
ng
te
m
pe
ra
tu
re
, °
C
Рис. 1. Типичная кривая охлаждения водных систем: a –
чистого растворителя (воды); b – водного раствора
осмотически активного вещества (0,9% NaCl).
Fig. 1. Typical curve of cooling aqueous systems: a – pure
dissolvent (water); b – solution of osmotically active
substances (0.9% NaCl)
107 problems
of cryobiology
Vol. 21, 2011, №1
проблемы
криобиологии
Т. 21, 2011, №1
Fig. 2a shows the dependence (4) as the model of
setting the heat balance between the temperature
measuring device in cryoscopic cell and the studied
solution. Fig. 2b demonstrates the fragment of crystal-
lization thermogram (site CD), the point of the start of
solution crystallization (point C) is assumed for zero
on the time scale, which in the model experiment
corresponds to the moment of body transfer from
thermostat T1 into thermostat T2. It is obvious that the
error of temperature measurement in cell, ∆T (marked
with arrows in Fig. 2a) depends on crystallization time
of the solution (site CD length). The elongation of site
CD to CD′ results in the decrease of measurement
error down to ∆T′.
Let's consider how the heat exchange process of
cryoscopic cell with coolant affects the crystallization
time of the sample (the length of site CD).
Let’s emphasize that the sample is at cryoscopic
temperature Tcr, since at the crystallization moment
the sample temperature reaches the value of cryoscopic
temperature Tcr (Fig. 2b), which does not change within
the sample crystallization time.
The heat dQ released at crystallization of the mass
element of the sample dm with crystallization heat
(melting) L, is described by the expression:
dQ = L ⋅ dm. (5)
The heat is withdrawn from the sample due to the
difference of temperatures between the sample (Tcr)
and coolant (Tc):
Результаты и обсуждение
Принимая во внимание тот факт, что темпера-
тура образца в криоскопической ячейке в момент
возникновения кристаллизации жидкости повы-
шается очень резко, изменение температуры
термочувствительного датчика (термистора) на
участке CD термограммы (рис. 2) может быть
представлено как установление теплового равно-
весия между телом, быстро перенесенным из тер-
мостата с температурой Т1 в термостат с темпера-
турой Т2. Будем полагать, что теплоемкость вто-
рого термостата настолько велика, что его темпе-
ратура не изменяется при внесении исследуемого
тела, а теплопроводность самого тела намного
выше теплопроводности на его границе с термоста-
том. Чтобы изменить температуру тела, имею-
щего теплоемкость С, на величину dT необходимо
передать ему количество тепла:
dQ = CdT. (1)
Тепло, отбираемое термостатом в течение вре-
мени dt, описывается выражением:
dQ = –λ(T2 – T)dt, (2)
где λ – теплопроводность на границе между телом
и термостатом; Т и Т2 – температура тела и термо-
стата соответственно.
Тепло dQ в (1) равно dQ в (2), поэтому правые
части данных выражений можно приравнять:
CdT = –l(T2 – T)dt. (3)
Проинтегрировав выражение (3), получим
изменение температуры тела от времени:
1 2 2( )
t
CT T T e T
λ ⋅−
= − + , (4)
где Т1 и Т2 – температуры тела и термостата в
начальный момент времени; t – время пребывания
тела в термостате.
На рис. 2, а представлена зависимость (4) как
модель установления теплового равновесия между
измерителем температуры в криоскопической
Tcr
D
∆T'
T1
C D'
E
T2
∆T
Рис. 2. Временная зависимость температуры: A – тела,
перенесенного из термостата с температурой Т1 в термо-
стат с температурой Т2; B – образца в ячейке криоско-
пического осмометра; Тcr – температура кристаллизации
образца (криоскопическая температура).
Fig. 2. Time dependence of temperature: A – body trans-
ferred from thermostat with temperature T1 into thermostat
with temperature T2; B – sample in well of cryoscopic
osmometer; Tcr – temperature of crystallization (cryoscopic
temperature). Время Time
Те
м
пе
ра
ту
ра
Te
m
pe
ra
tu
re
A
B
108 problems
of cryobiology
Vol. 21, 2011, №1
проблемы
криобиологии
Т. 21, 2011, №1
dQ = –λ i(Tc – Tcr)dτ, (6)
where λ i is integral heat conductivity on the sample/
coolant boundary; τ is release time of hidden heat of
crystallization.
Since the heat dQ in the left part of the expressions
(5) and (6) has an equal values, then when setting equal
the right parts we will derive the equation of heat
balance for the sample plunged into coolant [1]:
L ⋅ dm = –λ i(Tc – Tcr)dt (7)
When integrating the expression (7) we obtain the
crystallization time of the sample with mass m:
( )ccr TT
mL
−
⋅=
λ
τ . (8)
This expression with some approximation (heat
capacity of the sample and cells are not taken into
account) describes the dependence of the length of
site CD in thermogram vs. heat physical parameters
of the device.
Crystallization time of the sample increases with
the rise of its mass m, reduction of integral heat con-
ductivity λ i and difference of temperatures between
the sample and coolant (Tcr – Tc). However, when
designing the device there are certain restrictions in
varying these parameters. When studying biological
liquids as a rule the investigator has a small amount of
material, which limits possible rise of the sample mass.
The reduction of temperature difference (Tcr – Tc), i. e.
decrease of the sample supercooling, leads to the
reduced probability of crystallization of fluids, requiring
deeper supercooling.
So, an actual way for increasing the accuracy of
measurements due to the rise in the time of sample
crystallization (site CD) is the decrease of integral heat
conductivity λi.
This idea was фзздшув by us when designing the
cell of cryoscopic osmometer. To reduce the heat
exchange of the sample with coolant there was created
an air gap between them.
After calibration the device was tested in the
standard calibrating NaCl solutions with the known
values of freezing temperature.
The procedure of the device calibration consisted
of two stages: at the first one the temperature depen-
dence of termistor resistance was recorded, with
temperature regulating by means of thermostated
coolant of osmometer; at the second stage there was
examined the relationship between freezing tempe-
rature (osmolalty) of calibrating solutions and termistor
resistance.
ячейке и исследуемым раствором. На рис. 2, б изо-
бражен фрагмент термограммы кристаллизации
(участок CD), за нуль на шкале времени принята
точка начала кристаллизации раствора (точка С),
которая в модельном эксперименте соответствует
моменту перенесения тела из термостата Т1 в тер-
мостат Т2. Видно, что от времени кристаллизации
раствора (протяженности участка CD) зависит
погрешность измерения температуры в ячейке ∆T
(отмечена стрелками на рис. 2, а). Увеличение
протяженности участков СD до СD′ приводит к
снижению погрешности измерения до ∆T ′ .
Рассмотрим, каким образом процесс теплооб-
мена криоскопической ячейки с охладителем
влияет на время кристаллизации образца (протя-
женность участка CD).
Примем во внимание, что образец находится при
криоскопической температуре Tcr, поскольку в
момент кристаллизации температура образца дос-
тигает значения криоскопической температуры Тcr
(рис. 2, б), которая не изменяется в течение време-
ни кристаллизации образца.
Тепло dQ, выделившееся при кристаллизации
элемента массы образца dm с теплотой кристал-
лизации (плавления) L, описывается выражением:
dQ = L ⋅ dm. (5)
Тепло отводится от образца за счет разности
температур между образцом (Тcr) и охладителем
(Тc):
dQ = –λ i(Tc – Tcr)dτ , (6)
где λi – интегральная теплопроводность на границе
образец/охладитель; τ – время выделения скрытой
теплоты кристаллизации.
Поскольку тепло dQ в левой части выражений
(5) и (6) имеет одинаковое значение, то, приравняв
правые части, получим уравнение теплового ба-
ланса для образца, погруженного в охладитель [1]:
L ⋅ dm = –λ i(Tc – Tcr)dt (7)
Проинтегрировав выражение (7), получим время
кристаллизации образца массой m:
( )ccr TT
mL
−
⋅=
λ
τ . (8)
Данное выражение с некоторым приближением
(не учтены теплоемкости образца и ячейки) опи-
сывает зависимость длины участка CD на термо-
грамме от теплофизических параметров прибора.
109 problems
of cryobiology
Vol. 21, 2011, №1
проблемы
криобиологии
Т. 21, 2011, №1
It is seen that temperature dependence of termistor
resistance within the temperature range of –10…10°C
is quite well described with linear law (Fig. 3), the
deviation from which does not exceed 0.5% from mean
resistance within this temperature range. The second
stage comprised the direct calibration: there was mea-
sured the osmolality of the standard calibration NaCl
solutions. The findings of the device trials together with
statistical processing are presented in Table 1.
The device testing has shown that the lowering of
freezing temperature with the rise in salt concentration
is of linear character within all the ranges of measu-
rements. Standard error of osmolality value vs. the
mean made not more than 1.15 mOsm.
When comparing technical parameters of the devi-
ce with those of similar class (Table 2) (see cryoscopic
osmometers of the companies Advanced Instruments,
Precision Systems, USA; Gonotec, Labtek Services,
Germany; Arkray, Japan etc.) one can conclude that
it is highly competitive to analogues.
The facilities of the device were assessed on the
results of temperature measurements for aqueous
solutions of CPAs prepared with physiological solution
within the range of low concentrations (Fig. 4).
The figure shows that within the range of low
concentrations of aqueous solution the device accuracy
enables the reliable recording of linear dependence of
freezing temperature of the examined solutions vs.
CPAs concentration. This dependence is characteristic
for the solutions with low concentrations of the dis-
solved substance, approaching by their properties the
ideal ones [6].
-12-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
Температура, °C Temperature, °C
С
оп
ро
ти
вл
ен
ие
,
кО
м
R
es
is
ta
nc
e,
k
O
hm
Рис. 3. Сопротивление термистора криоскопического ос-
мометра в тестовом термостате: – охлаждение; –
нагревание.
Fig. 3. Resistance of termistor of cryoscopic osmometer in
test thermostat: – cooling; – heating.
Время кристаллизации образца возрастает при
увеличении его массы m, снижении интегральной
теплопроводности λi и разности температур между
образцом и охладителем (Tcr – Tc). Однако при
конструировании прибора существуют определен-
ные ограничения в варьировании данных парамет-
ров. При исследовании биологических жидкостей,
как правило, исследователь располагает малым
количеством материала, это ограничивает возмож-
ность увеличения массы образца. Уменьшение
разности температур (Tcr – Tc), т. е. уменьшение
переохлаждения образца, приводит к снижению ве-
роятности кристаллизации жидкостей, требующих
более глубокого переохлаждения.
Следовательно, реальным путем повышения
точности измерений за счет увеличения времени
кристаллизации образца (участок CD) является
снижение интегральной теплопроводности λi.
Данную идею мы использовали при конструи-
ровании ячейки криоскопического осмометра. Для
уменьшения теплообмена образца с охладителем
был создан воздушный зазор между ними.
После калибровки прибор тестировали по стан-
дартным калибровочным растворам NaCl с извест-
ными значениями температуры замерзания.
Процедура калибровки прибора состояла из двух
этапов: на первом – снимали температурную зави-
симость сопротивления термистора, регулируя
температуру при помощи термостатированного
охладителя осмометра; на втором – устанавливали
соответствие между температурой замерзания
(осмоляльностью) калибровочных растворов и со-
противлением термистора.
Видно, что температурная зависимость сопро-
тивления термистора в диапазоне температур
–10…10°С достаточно хорошо описывается линей-
ным законом (рис. 3), отклонение от которого не
превышает 0,5% от среднего значения сопротивле-
ния в данном температурном интервале. На втором
этапе выполняли непосредственно калибровку –
измеряли осмоляльность стандартных калибровоч-
ных растворов NaCl. Полученные результаты
испытаний прибора вместе со статистической об-
работкой представлены в табл. 1.
Проведенное тестирование прибора показало,
что понижение температуры замерзания с увеличе-
нием концентрации соли имеет линейный характер
во всех диапазонах измерений, стандартное откло-
нение значения осмоляльности от среднего значе-
ния составляло не более 1,15 мОсм.
Сопоставляя технические характеристики при-
бора с характеристиками приборов подобного
класса (табл. 2) (см. криоскопические осмометры
фирм “Advanced Instruments”, “Precision Systems”
(США), “Gonotec”, “Labtek Services” (Германия),
ьтсоньляломсО
огонтраднатс
аровтсар
,)яамеадижо(
мсОм
foytilalomsO
noitulosdradnats
msOm,)detcepxe(
мсОм,)яаннеремзи(аровтсарьтсоньляломсО
msOm,)derusaem(noitulosfoytilalomsO
еендерС
еинечанз
eulavnaeM
анаидеМ
naideM
еонтраднатС
еиненолкто
dradnatS
noitaived
1 2 3 4
001 101 101 99 001 52,001 5,001 69,0
002 002 002 102 002 52,002 002 5,0
672 772 572 772 572 672 672 51,1
003 103 003 003 003 52,003 003 5,0
323 023 223 223 023 123 123 51,1
004 004 104 004 993 004 004 28,0
005 105 005 005 994 005 005 28,0
0001 8001 7001 8001 6001 52,7001 5,7001 69,0
0051 4051 3051 5051 4051 4051 4051 28,0
0002 2002 0002 0002 1002 57,0002 5,0002 69,0
0052 0052 2052 2052 0052 1052 1052 51,1
0003 2003 4003 2003 4003 3003 3003 51,1
110 problems
of cryobiology
Vol. 21, 2011, №1
проблемы
криобиологии
Т. 21, 2011, №1
Таблица 1. Значения осмоляльности стандартных калибровочных растворов NaCl,
измеренные осмометром с улучшенной криоскопической ячейкой
Table 1. Values of osmolality of standard calibration NaCl solutions,
measured by means of osmometer with improved cryoscopic well
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40
-0,63
-0,62
-0,61
-0,60
-0,59
-0,58
-0,57
-0,56
-0,55
-0,54
-0,53
Концентрация криопротектора, %
Cryoprotectant concentration, %
Те
м
пе
ра
ту
ра
з
ам
ер
за
ни
я,
°
C
Fr
ee
zi
ng
te
m
pe
ra
tu
re
, °
C
Рис. 4. Температура замерзания растворов криопротек-
торов, содержащих 0,9% NaCl: – глицерин; – 1,2-
пропандиол; – ДМСО.
Fig. 4. Freezing temperature of solutions of CPAs con-
taining 0.9% NaCl: – glycerol; – 1,2-propane diol; –
DMSO.
“Аркрей” (Япония) и др.), можно сделать вывод,
что он не уступает зарубежным аналогам.
Возможности прибора оценивали по результа-
там измерения температуры замерзания водных
растворов криопротекторов, приготовленных на
физиологическом растворе в диапазоне низких
концентраций (рис. 4).
Из графика видно, что в диапазоне низких
концентраций водных растворов точность прибора
позволяет надежно регистрировать линейную за-
висимость температуры замерзания исследуемых
растворов от концентрации криопротекторов. Такая
зависимость характерна для растворов с низкими
концентрациями растворенного вещества, прибли-
жающимся по своим свойствам к идеальным [6].
Таким образом, прибор может быть использо-
ван для измерения температуры замерзания крио-
биологических жидкостей и других водных систем,
требующих глубокого переохлаждения для возник-
новения в них кристаллизации водного компонента.
Выводы
Проведен теоретический анализ основных ис-
точников погрешностей криоскопического осмо-
акитсиреткараХ
sretemaraP
робирпйыннатобарзаР
eciveddengiseD )cetonoG(010tamomsO
elgniS0523ledoMdecnavdA -
decnavdA(retemomsOelpmaS
).cnIstnemurtsnI
лкм,ацзарбомеъбО
,emulovelpmaS µl 021-05 05 052-002
ним,яинеремзиямерВ
nim,emittnemerusaeM 5-1 1 3-2
воцзарбоовтсечилоK
еинеремзиондоаз
enorepselpmasforebmuN
gnirusaem
1 1 1
гк/мсОм,еинешерзаР
gk/msOm,noituloseR 1 1 1
ьтсомидовзиорпсоВ
ytilibicudorpeR
то%5,0<еиненолктоеонтраднатС
яинечанзогончоворбилак
morf%5.0<noitaivedtradnatS
eulavnoitarbilac
то%5,0<еиненолктоеонтраднатС
яинечанзогончоворбилак
morf%5.0<noitaivedtradnatS
eulavnoitarbilac
то%5,0<еиненолктоеонтраднатС
яинечанзогончоворбилак
morf%5.0<noitaivedtradnatS
eulavnoitarbilac
ьтсонйениЛ
ytiraeniL
;гк/мсОм2±:гк/мсОм574од0тО
то%5,0±:гк/мсОм0003-574
иинилйомярп
:gk/msOm574ot0morF
;gk/msOm2±
morf%5,0±:gk/msOm0003-574
ecnednepedraenil
-
;гк/мсОм2±:гк/мсОм004од0тО
то%5,0±:гк/мсОм0004-004
иинилйомярп
:gk/msOm004ot0morF
;gk/msOm2±
morf%5,0±:gk/msOm0004-004
ecnednepedraenil
,йинеремзинозапаиД
гк/мсОм
,stnemerusaemfoegnaR
gk/msOm
0003-0 - 0004-0
цясемвгк/мсОм,фйерД
htnomrepgk/msOm,tfirD 1 - 1
ыткеффэеынрутарепмеТ
tceffeerutarepmeT
Нгк/мсОм1<
2
С°5еыджаканО
ыдерсйещюажурко
Hgk/msOm1<
2
C°5hcaerepO
erutarepmettnemnorivnefo
-
Нгк/мсОм1<
2
С°5еыджаканО
ыдерсйещюажурко
Hgk/msOm1<
2
C°5hcaerepO
erutarepmettnemnorivnefo
111 problems
of cryobiology
Vol. 21, 2011, №1
проблемы
криобиологии
Т. 21, 2011, №1
Thus the device may be successfully used to
measure freezing temperature of cryobiological fluids
and other aqueous systems, requiring a deep super-
cooling for appearance of crystallization of aqueous
component in them.
Conclusions
The main sources of errors of cryoscopic osmo-
meter were theoretically analyzed, there was designed
and made a crysocopic cell to record freezing tempera-
ture and osmolality in cryobiological fluids with an
increased ability to supercooling. There was increased
the accuracy of measurements for osmolality and
freezing temperature of liquids with low concentration
of osmotically active substances.
Таблица 2. Характеристики криоскопического осмометра для исследования криобиологических жидкостей
Table 2. Parameters of cryoscopic osmometer to be used in cryobiological fluids
Литература
Лыков А.В. Теория теплопроводности.– М.: Высш. шк.,
1967.– 600 с.
Britta B., Markus F., Birger H. Freezing point osmometry of
milk to determine the additional water content – an issue in
general quality control and German food regulation //
Chemistry Central Journal.– 2008.– Vol. 2, N6.– P. 1–7.
Farris R.L., Stuchell R.N., Mandel I.D. Tear osmolarity varia-
tion in the dry eye // Trans. Am. Ophth. Soc.– 1986.– Vol. 84.–
P. 250–268.
Farris R.L. Tear osmolarity – a new gold standard? // Adv.
Exp. Med. Biol.– 1994.– Vol. 350.– P. 495–503.
Garry E., Pesta M., Zampa N. Performance characteristics
of a new single-sample freezing point depression osmome-
ter [Электронный документ] // [веб-сайт] http://
References
Lykov A.V. Theory of heat conductivity.– Moscow: Vysshaya
shkola, 1967.– 600 p.
Britta B., Markus F., Birger H. Freezing point osmometry of
milk to determine the additional water content – an issue in
1.
2.
3.
4.
5.
1.
2.
метра, разработана и изготовлена криоскопическая
ячейка для регистрации температуры замерзания
и осмоляльности в криобиологических жидкостях,
характеризующихся повышенной способностью к
переохлаждению. Повышена точность измерения
осмоляльности и температуры замерзания жидкос-
тей с низкой концентрацией осмотически активных
веществ.
advancedinstruments.silverscapelive.com/documents/file/
3320-Brochure-Web.pdf (11.10.2010).
Reif-Acherman S. The pre-history of cryoscopy: what was
done before Raoult? // Quimica Nova.– 2009. – Vol. 32, N6.–
P. 1677–1684.
Tomlinson A., Khanal S. Assessment of tear film dynamics:
quantification approach // Ocul. Surf.– 2005.– Vol. 3, N2.–
P. 81–95.
Поступила 02.11.2010
Рецензент Л.Ф. Розанов
112 problems
of cryobiology
Vol. 21, 2011, №1
проблемы
криобиологии
Т. 21, 2011, №1
general quality control and German food regulation //
Chemistry Central Journal.– 2008.– Vol. 2, N6.– P. 1–7.
Farris R.L., Stuchell R.N., Mandel I.D. Tear osmolarity varia-
tion in the dry eye // Trans. Am. Ophth. Soc.– 1986.– Vol. 84.–
P. 250–268.
Farris R.L. Tear osmolarity – a new gold standard? // Adv.
Exp. Med. Biol.– 1994.– Vol. 350.– P. 495–503.
Garry E., Pesta M., Zampa N. Performance characteristics
of a new single-sample freezing point depression osmome-
ter [Electronic resource] // [web-site] http://
advancedinstruments.silverscapelive.com/documents/file/
3320-Brochure-Web.pdf (11.10.2010).
Reif-Acherman S. The pre-history of cryoscopy: what was
done before Raoult? // Quimica Nova.– 2009. – Vol. 32, N6.–
P. 1677–1684.
Tomlinson A., Khanal S. Assessment of tear film dynamics:
quantification approach // Ocul. Surf.– 2005.– Vol. 3, N2.–
P. 81–95.
Accepted in 02.11.2010
3.
4.
5.
6.
7.
6.
7.
|