Физические методы определения толщины мембраны кратко

Обновлено: 02.07.2024

Перенос молекул (атомов) через мембраны, уравнение Фика

Явления переноса - самопроизвольные необратимые процессы, в которых благодаря молекулярному движению из одной части системы в другую переносится какая-либо физическая величина.

К явлениям переноса, в частности, относятся диффузия (перенос массы) и электропроводность (перенос электрического заряда).

7. перенос заряженных частиц через мембрану. Уравнение нернста планка. Перенос заряженных частиц через мембрану

Пассивный транспорт ионов.

В том случае, когда изменяется концентрация вещества и электрический потенциал, уравнения для потоков незаряженных и заряженных частиц сходны: Φ = – uc (dG/dx).

Если изменяется еще и стандартный электрохимический потенциал, то уравнение для потока вещества описывается уравнением Теорелла: Φ = – cu • (dμ/dx), где μ – электрохимический потенциал, который зависит от природы вещества и природы растворителя.

Если во всей рассматриваемой области диффузии отсутствуют химические превращения вещества и растворитель одинаков, то в этом случае уравнение Теорелла сводится к электродиффузному уравнению Нернста-Планка: Φ = –uRT (dc/dx) –cuz• Fdφ/dx. Это уравнение описывает пассивный перенос частиц в условиях существования градиентов концентрации вещества и электрического потенциала в растворе или в однородной незаряженной мембране.

Если известны концентрации ионов по обе стороны мембраны, трансмембранная разность потенциалов и коэффициент проницаемости, то величину пассивного потока ионов описывают с помощью уравнения Гольдмана: Φ = • <[c2exp(zFΔφ/RT) -c1]/[1-exp(zFΔφ/RT]>.

Если потоки направлены противоположно, то их отношение описывается уравнением Уссинга-Теорелла: Φ2/Φ1 = c1/c2exp[- zFΔφ/RT].

Вывод: пассивный транспорт ионов может происходить только в случае наличия на мембране градиентов концентрации или электрического потенциала и описывается в общем случае уравнениями Нернста-Планка, Гольдмана или Уссинга-Теорелла. Невыполнение этих уравнений свидетельствует о том, что перенос ионов осуществляется активно или через мембранные каналы, где невозможно существование независимых ионных потоков.

Уравнение Нернста. В живом организме по обе стороны любой биологической мембраны находятся ионные растворы, причем концентрации одного и того же иона по обе стороны часто отличаются. Одной из причин установления и поддержания этих градиентов концентраций является различная проницаемость мембраны для тех или иных ионов. В этом случае градиент концентрации одного вещества может поддерживаться за счет наличия градиента концентрации другого вещества и/или разности потенциалов по обе стороны мембраны (так называемой трансмембранной разности потенциалов). Условием установления равновесия между двумя растворами, разделенными полупроницаемой мембраной, с различными концентрациями одинаковых ионов является равенство электрохимических потенциалов по одну и другую сторону мембраны. Значение разности электрических потенциалов, которая устанавливается на мембране при наличии градиента концентраций, рассчитывается с помощью уравнения Нернста: Δφ = φi - φ0 = (RT/zF)•lg (c0/ci).

8. Пассивный транспорт веществ через мембану. Разновидности.
Пассивный траспорт – перенос молекул и ионов через мембрану, который осузествляется в направлении меньшей концентрации. Идет без затраты энергии. Типы: 1) Простая диффузия через липидный слой. Она подчиняется уравнению нернста планка. В живой клетке такая диффузия обеспечивает прохождение кислорода и углекислого газа, ряда лекарственных веществ. 2) Транспорт веществ через каналы (поры). Канал - участок мембраны, включающий белковые молекулы и липиды, который образует в мембране проход. Этот проход допускает проникновение чрез мембрану молекул воды, крупных ионов. 3) Облегченная диффузия – Перенос ионов специальными молекулами переносчиками за счет диффузии переносчика вместе с веществом. 4) Эстафетная передача. В этом случае молекулы переносчики образуют временную цепочку поперек мемброаны и передают друг другу диффундиующую молекулу.

9. Активный транспорт веществ. Опыт Уссинга.
Активный транспорт – перенос молекул и ионов, который происходит с затратой химической энергии в направлении от меньших значений величин к большим. При этом нейтральные молекулы переносятся в область большей концентрации , а ионы переносятся против сил, действующих на нх со стороны электрического поля. Существование активного транспорта веществ через мембрану впервые было доказано в опытах Уссинга (1949г) на примере переноса ионов натрия через кожу лягушки. Экспериментальная камера Усиинга , заполненная нормальным раствором Рингера, была разделена на две части свежеизолированной кожи лягушки. Наблюдались потоки ионов натрия через кожу лягушки, слева направо от наружной к внутренней поверхности и справа налево – о внутренней к наружной поверхности. На коже лягушки , разделяющей раствор Рингера, возникла разность потенциалов, причем внутренняя сторона кожи имела положительный потенциал по отношению к наружному. Экспериментальные данные свидетельств. О том, что перенос ионов натрия чере кожу лягушки не подчиняется уравнению пассивного транспорта. Следовательно, имеет место активный перенос.

10. Мембранные потенциалы. Потенциал покоя.
Одна их важнейших функций биологической мембраны – генерация и передача биопотенциалов. Это явление лежит в основе мяшечного сокращения , возбудимости клеток, ргеуляции внутриклеточных процессов, работы нервной системы, всех видов рецепции. Если электрические потенциалы цитоплазмы и внеклеточной жидкости различны, то разность этих потенциалов приложна именно к мембране. Эта разность потенциалов называется трансмембранным потенциалом или просто мембранным потенциалом. Мембранные потенциалы подразделяются на потенциалы покоя и потенциалы действия. Потенциал покоя – стационарная разность электрических потенциалов, региструемая между внутренней и наружной поверхностью мембраны в невозбужденном состоянии.Потенциал покоя определяетя разной концентрацией ионов по разные стороны мембраны и диффузией ионов через мембрану.


11. Формула Нернста. Уравнение Гольдмана. Уравнение Томаса.

С появлением электронного микроскопа (см. § 23.2) впервые открылась возможность познакомиться со строением мембран. Тогда обнаружилось, что плазматическая мембрана животных и растительных клеток выглядит как трехслойная структура. На рис. 11.7 изображена электронная микрофотография плазматической мембраны эритроцита. Видно, что мембрана состоит из светлого слоя, соответствующего фосфолипидам бислоя, и двух темных слоев — они представляют собой полярные головки и белки. Толщина мембран в зависимости от вида составляет величину от 4 до 13 нм.

Измерение подвижности молекул мембран и диффузии частиц через мембрану свидетельствует о том, что билипидный слой ведет себя подобно жидкости. В то же время мембрана является упорядоченной структурой. Эти два фактора заставляют думать, что липиды в мембране при ее естественном функционировании находятся в жидкокристаллическом состоянии (см. § 8.2). Вязкость липидного бислоя на два порядка больше вязкости воды и соответствует приблизительно вязкости растительного масла. Однако при понижении температуры происходит фазовый переход, в результате которого липиды бислоя


Проницаемость мембран для различных веществ зависит от поверхностного заряда, который создается заряженными головками липидов, придающими мембране преимущественно отрицательный заряд. Это приводит к тому, что на границе мембрана — вода созда­ется межфазный скачок потенциала (поверхностный потенциал) того же знака, что и заряд на мембране. Величина этого потенциала играет большую роль в процессах связывания ионов мембраной. Помимо поверхностного потенциала, для нормального функциони­рования ферментных и рецепторных мембранных комплексов огромное значение имеет трансмембранный потенциал, природа ко­торого будет рассмотрена ниже. Величина этого потенциала составляет 60—90 мВ (со знаком минус со стороны цитоплазмы). Из-за очень малой толщины мембран напряженность электрического поля в них достигает величины около (6—9) • 10 6 В/м.

Мембрана по своей структуре напоминает плоский конденсатор, обкладки которого образованы поверхностными белками, а роль диэлектрика выполняет липидный бислой. Емкость такого конденсатора составляет значительную величину (табл. 18). Используя формулу плоского конденсатора, можно оценить диэлектрическую проницаемость e гидрофобной и гидрофильной областей мембран, зная пределы изменения толщины мембраны. Такие оценки дают для фосфолипидной области мембраны значение e = 2,0—2,2, а для гидрофильной части e = = 10—20.

В табл. 18 приведены некоторые физические параметры биологических мембран и в сравнении с ними — те же параметры для искусственно приготовленных липидных бислоев.

Таблица 18. физические свойства биологических мембран и липидных бислоев

Физические параметры Биологические мембраны Липидные бислой
Толщина, нм 4—13 4,6—9,0
Электрическое сопротивление, Ом • см 2 10 2 — 10 5 10 3 — 10 9
Электроемкость, мкФ • см -2 0,5—1,3 0,3—1,3
Потенциал покоя, мВ 20—200 0—140
Показатель преломления 1,55 1,37
Поверхностное натяжение, мН • м -1 0,03—3 0,2—6,0
Коэффициент проницаемости для воды,
10 4 см • с -1 25—33 5—10
Напряжение пробоя, мВ 150—200
Плотность липидного бислоя, кг/м 3 760—900
Эффективный модуль упругости, Па 0,45 0,3—0,5

Мембраны обладают высокой прочностью на разрыв, устойчи­востью и гибкостью. По электроизоляционным свойствам они значительно превосходят многие изоляционные материалы, при­меняемые в технике. Общая площадь мембран в органах и тканях достигает огромных размеров. Так, суммарная площадь клеточ­ных мембран печени крысы, весящей всего 6 г, составляет не­сколько сотен квадратных метров. Клетки, как правило, имеют микроскопические размеры, поэтому отношение их поверхности к объему очень велико. Благодаря этому клетки располагают до­статочной площадью для обеспечения многочисленных процес­сов, протекающих на мембранах. Одним из наиболее важных из них является процесс переноса веществ из клетки и в клетку.




С появлением электронного микроскопа (см. § 23.2) впервые открылась возможность познакомиться со строением мембран. Тогда обнаружилось, что плазматическая мембрана животных и растительных клеток выглядит как трехслойная структура. На рис. 11.7 изображена электронная микрофотография плазматической мембраны эритроцита. Видно, что мембрана состоит из светлого слоя, соответствующего фосфолипидам бислоя, и двух темных слоев — они представляют собой полярные головки и белки. Толщина мембран в зависимости от вида составляет величину от 4 до 13 нм.

Измерение подвижности молекул мембран и диффузии частиц через мембрану свидетельствует о том, что билипидный слой ведет себя подобно жидкости. В то же время мембрана является упорядоченной структурой. Эти два фактора заставляют думать, что липиды в мембране при ее естественном функционировании находятся в жидкокристаллическом состоянии (см. § 8.2). Вязкость липидного бислоя на два порядка больше вязкости воды и соответствует приблизительно вязкости растительного масла. Однако при понижении температуры происходит фазовый переход, в результате которого липиды бислоя


Проницаемость мембран для различных веществ зависит от поверхностного заряда, который создается заряженными головками липидов, придающими мембране преимущественно отрицательный заряд. Это приводит к тому, что на границе мембрана — вода созда­ется межфазный скачок потенциала (поверхностный потенциал) того же знака, что и заряд на мембране. Величина этого потенциала играет большую роль в процессах связывания ионов мембраной. Помимо поверхностного потенциала, для нормального функциони­рования ферментных и рецепторных мембранных комплексов огромное значение имеет трансмембранный потенциал, природа ко­торого будет рассмотрена ниже. Величина этого потенциала составляет 60—90 мВ (со знаком минус со стороны цитоплазмы). Из-за очень малой толщины мембран напряженность электрического поля в них достигает величины около (6—9) • 10 6 В/м.

Мембрана по своей структуре напоминает плоский конденсатор, обкладки которого образованы поверхностными белками, а роль диэлектрика выполняет липидный бислой. Емкость такого конденсатора составляет значительную величину (табл. 18). Используя формулу плоского конденсатора, можно оценить диэлектрическую проницаемость e гидрофобной и гидрофильной областей мембран, зная пределы изменения толщины мембраны. Такие оценки дают для фосфолипидной области мембраны значение e = 2,0—2,2, а для гидрофильной части e = = 10—20.

В табл. 18 приведены некоторые физические параметры биологических мембран и в сравнении с ними — те же параметры для искусственно приготовленных липидных бислоев.

Таблица 18. физические свойства биологических мембран и липидных бислоев

Физические параметры Биологические мембраны Липидные бислой
Толщина, нм 4—13 4,6—9,0
Электрическое сопротивление, Ом • см 2 10 2 — 10 5 10 3 — 10 9
Электроемкость, мкФ • см -2 0,5—1,3 0,3—1,3
Потенциал покоя, мВ 20—200 0—140
Показатель преломления 1,55 1,37
Поверхностное натяжение, мН • м -1 0,03—3 0,2—6,0
Коэффициент проницаемости для воды,
10 4 см • с -1 25—33 5—10
Напряжение пробоя, мВ 150—200
Плотность липидного бислоя, кг/м 3 760—900
Эффективный модуль упругости, Па 0,45 0,3—0,5

Мембраны обладают высокой прочностью на разрыв, устойчи­востью и гибкостью. По электроизоляционным свойствам они значительно превосходят многие изоляционные материалы, при­меняемые в технике. Общая площадь мембран в органах и тканях достигает огромных размеров. Так, суммарная площадь клеточ­ных мембран печени крысы, весящей всего 6 г, составляет не­сколько сотен квадратных метров. Клетки, как правило, имеют микроскопические размеры, поэтому отношение их поверхности к объему очень велико. Благодаря этому клетки располагают до­статочной площадью для обеспечения многочисленных процес­сов, протекающих на мембранах. Одним из наиболее важных из них является процесс переноса веществ из клетки и в клетку.

Разнообразие материалов и методов формирования полупроницаемых мембран, а также возможных сфер их применения требует создания стандартных методик оценки их структуры и технологических свойств. Однако сегодня ситуация такова, что единой и универсальной методики не существует. Это объясняется различным теоретическим подходом к объяснению массопереноса, а также различной интерпретацией результатов измерений.

Характеризуя каждую конкретную мембрану, можно говорить о ее структуре и о технологических параметрах.

Структура мембраны - это макрохарактеристика ее с точки зрения наличия, количества, размера пор. Конкретно структура мембраны оценивается пористостью, размером пор и распределением пор по размерам. К технологическим параметрам относятся удельная производительность, селективность, соответствующие характеристики диффузионных мембран.

Общая пористость

Пористость П - это доля объема твердого тела, не заполненного его материалом.

Другой признак, по которому твердое тело относится к пористым системам, - это дискретность свободного объема. Иными словами свободный объем разделен на простейшие структурные элементы - поры, отличающиеся размером, формой, характером связи между собой. Чаще поры формируют непрерывную в пределах мембраны открытую пористую структуру, иногда поры изолированы друг от друга.

В реальной мембране поры могут быть сквозными, т.е. пронизывающими всю толщу материала, тупиковымииполостными.

По генезису все пористые материалы, и мембраны тоже, делятся на системы сложения (корпускулярные структуры) и системы вычитания (губчатые структуры). Образование первых происходит сложением большого числа отдельных элементов структуры (ткани, бумаги, керамика, углерод, металлы). Развитие структур вычитания - результат превращений, пиролитического разложения, выщелачивания и т.п. компонентов твердого тела (пористые стекла, полимерные мембраны, трековые мембраны и др.).

Поры в системах сложения представляют собой промежутки между частицами, соединяющиеся в извилистые пересекающиеся каналы с переменным диаметром. Анизотропия мембран обусловлена только разным размером частиц.

Поры в системах вычитания представляют собой лабиринтную сеть каналов между глобулами, пачками, кристаллитами твердой фазы. Анизотропия мембран обусловлена числом, ориентацией и размером пор.

Рассмотрим способы оценки пористой структуры. Она оценивается рядом параметров, в зависимости от назначения материала: суммарным объемом, общей пористостью, удельной поверхностью, средним или максимальным размером пор и распределением пор по размерам.

Общая пористость выражается в процентах и часто не коррелируется с транспортными свойствами мембран из-за наличия закрытых и тупиковых пор. Поэтому иногда для мембран вводят понятие "эффективная" пористость. Экспериментальное определение эффективной пористости очень затруднено и оценивается косвенными методами. Общая пористость П может быть рассчитана, если известен элементный состав мембраны:

П = [ 1 - — ( — + … + — ) ] 100% (4.20)

где m - масса образца; V - общий его объем; a – доля составного элемента; ρ – его плотность.

Наиболее простой способ измерения П - это пропитка образца абсолютно смачивающей жидкостью и определение массы до и после пропитки

где ρж- плотность жидкого; ρт - плотность твердого состояния образца.

Обычно общая пористость асимметричных полимерных мембран составляет 60-80%, трековых мембран - 2-10%, неорганических мембран - 20-50%.

Общую пористость мембран, находящихся в набухшем состоянии, определяют в обратном порядке, т.е. сначала определяют массу набухшего, а потом высушенного образца.

Размер пор

Все методы исследования пористой структуры можно разделить на транспортные, связанные с переносом жидкости или газа через мембрану, и нетранспортные. В любом случае нельзя забывать, что реальные поры очень сильно отличаются от идеализированных пор, которые положены в основу различных моделей мембран (рис.4.62).


Рис. 4.62. Сравнение идеальной и реальной структуры разделительного слоя пористой мембраны

1. Электронная микроскопия

Различают два варианта такого анализа - сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и трансмиссионная или просвечивающая (ТЭМ). Первый вариант более прост и информативен, поэтому используется чаще. На рисунке 4.63 дана принципиальная схема СЭМ.


Рис. 4.63. Принципиальная схема сканирующей электронной микроскопии

Узкий пучок электронов направляется на исследуемый образец. Эти электроны называются первичными и имеют высокую энергию - до 25 кV. От поверхности образца отражаются вторичные низкоэнергетические электроны, которые выбиваются первичными из электронных оболочек атомов образца. Узкий пучок первичных электронов перемещают построчно по образцу, ощупывая (сканируя) его поверхность. Вторичные электроны улавливают, усиливают, преобразуют в электрический сигнал и реконструируют в изображение на экране.

Для получения лучшей контрастности поверхность образца подтеняют слоем металла (Cr, Рt, Аu, Рd и др.). Иногда, если изучаемый материал неустойчив под действием электронного пучка, после покрытия металлом изучаемой поверхности, т.е. получения слепка (реплики), материал удаляют растворением и исследуют реплику.

Иногда для отверждения образца используют криометод, т.е. образец быстро замораживают жидким азотом, а лед сублимируют под вакуумом.

Среди трудностей, связанных с использованием электронной микроскопии для изучения пористой структуры мембран, необходимо указать на возможность изменения последней при высушивании и замораживании образцов, а также на сложность получения их ультратонких срезов, что приводит к неадекватности исследуемой структуры первоначальной. Полностью избежать указанных изменений, по всей видимости, невозможно, поэтому электронная микроскопия, несмотря на очевидные достоинства, не может быть признана абсолютным и исчерпывающим методом анализа пористой структуры мембран.

Метод основан на том, что жидкость, не смачивающая твердое тело, проникает в его поры лишь при воздействии внешнего давления. Объем жидкости, проникшей в поры, является функцией давления, что позволяет судить о распределении пор по размерам. Самой не смачивающей жидкостью является ртуть, поэтому ее и используют.

Ртутно-порометрические установки содержат два основных узла: систему создания давления для внедрения ртути в объемы пор и систему измерения объема вдавленной в поры ртути. Все установки снабжены также оборудованием для вакуумирования образца перед измерением. Расчет результатов основан на уравнении Лапласа:

где σ – поверхностное натяжение ртути; Р – давление; θ – краевой угол смачивания материала ртутью.

Поскольку угол смачивания материала мембран ртутью почти всегда 141°, а поверхностное натяжение ртути 0,48 Н/м, то расчетное уравнение упрощается:

На рисунке 4.64 представлен типичный результат измерения.


Рис4.64. Объем поглощенной ртути как функция приложенного давления

При низком давлении заполняются большие поры, затем все более мелкие согласно уравнению Лапласа. При достижении насыщения можно по кривой рассчитать и распределение пор по размерам.

3.Метод "точка пузырька"

Метод относится к группе транспортных и определяет только сквозные поры, в то время как предыдущие позволяли обнаружить и тупиковые, и даже замкнутые поры. Поэтому с его помощью можно характеризовать пористую структуру разделительного слоя мембраны, правда, только со стороны крупных пор.

Метод "точка пузырька" был разработан Бехольдом в начале века. Схема аналитической установки показана на рисунке 4.65.

В измерительную ячейку помещают исследуемую мембрану и заливают слой жидкости высотой 3-5 мм, обычно воду. Затем начинают ступенчато повышать давление сжатого газа, регулируя его с помощью вентиля 6 и выдерживая 1-2 мин. на каждой ступени, до проскока первого пузырька 9 через мембрану. На рис.4.66 представлено изображение происходящего процесса.

Рис. 4.66. Принцип метода "точка пузырька"

Связь между давлением и радиусом поры, через которую прорвался пузырек, дается уравнением Лапласа:

Расчет ведут при допущениях, что пора имеет правильную цилиндрическую форму и смачиваемость мембраны жидкостью абсолютная (cos θ =1). Тогда для системы вода-воздух получается примерно такое соотношение:

Р,бар 0,14 1,4 14,5
d,мкм 1,0 0,1 0,01

Для понижения давления иногда заменяют воду жидкостью с малым поверхностным натяжением, чаще всего изопропанолом, если в нем не набухает мембрана. Нетрудно убедиться, что для одного и того же значения точки пузырька рассчитанный размер пор в предположении их круглого сечения больше, чем для эллипсоподобного, что приводит к завышению размеров реальных пор, сечение которых ближе по форме к эллипсу.

Определенную погрешность в оценку размеров пор вносит и допущение об идеальной смачиваемости мембран (соs θ =1). Тем не менее, доступность метода "точки пузырька" позволяет широко использовать его для первичной характеристики мембран и проверки их целостности. Иногда в каталогах дают коэффициент соотношения rmax/rcp, для оценки этим методом rcp.

4. Проточная порометрия

Перенос жидкости или газа через пористую среду связан с параметрами этой среды. Проточный метод изучения пористой структуры основан на зависимости удельной производительности от параметров пористости. Расчет основан на уравнении Пуазейля:

Модель упрощена до представления мембраны как пористого тела с прямыми цилиндрическими порами. Реальность поры, т.е. ее извилистость, шероховатость, анизотропность, учитывается эмпирическими коэффициентами.


Рис. 4.67. Ячейка для определения среднего размера пор в мембранах:
1-верхняя крышка;

5-сетка; 6-нижняя крышка;

Для стандартизации условий испытаний используют ячейки с постоянной площадью мембраны (рис.4.67). На дно нижней крышки 6 помещают металлическую сетку 5, затем подложку 4, испытываемую мембрану 3, уплотнительное кольцо 2. Толщину мембраны предварительно измеряют микрометром. Регулируют давление сжатого воздуха и измеряют производительность образца по жидкости, заливаемой в ячейку.

Если бы поры в мембране были все одинаковы, мы имели бы графическую зависимость проницаемости от давления как на левой части рис.4.68. Сначала мембрана остается непроницаемой, поскольку для продавливания жидкости через любую пору необходимо некоторое давление. Величина Рmin определяется смачиваемостью мембраны жидкостью и размером самых больших пор.


Рис. 4.68. Зависимость удельной производительности мембраны от приложенного давления для идеальной (слева) и реальной (справа) мембраны

В реальной мембране всегда существует некоторое распределение пор по размерам, поэтому кривая проницаемости сначала имеет S-образный участок, а затем линейный. Уравнение Пуазейля можно записать для выражения количества жидкости, прошедшей через мембрану площадью S с числом пор N на единице площади за время t:

В свою очередь N = П/ π r 3 , где П - общая пористость мембраны, отсюда

Расчет, проведенный по данным линейного участка зависимости на рис.4.68, даст величину среднего размера пор мембраны, что для мембран с узким распределением пор является достаточной характеристикой.

Принимаемые в методе допущения (о цилиндричности и неизвилистости пор, постоянстве сечения по всей длине отдельных пор, равенстве общей и эффективной, т.е. участвующей в транспорте жидкости, пористости мембраны) вносят определенные погрешности в оценку среднего размера пор ультрафильтрационных мембран. В частности, извилистость реальных пор приводит при расчетах к заниженным значениям их размеров. К заниженным результатам приводит и различие в общей и эффективной пористости мембран вследствие ориентационной упорядоченности пор.

К уменьшению величины эффективной пористости по сравнению со значениями, используемыми в расчетах, а, следовательно, и занижению результатов, приводит наличие в мембранах не участвующих в течении пристенных слоев связанной воды.

Толщина таких гидродинамически неподвижных слоев составляет примерно 1 нм и, следовательно, вклад этого фактора становится весьма ощутимым для сравнительно тонкопористых мембран.С другой стороны, асимметрия структуры мембраны приводит к завышенным значениям средних размеров пор. Это в определенной мере нивелирует их занижение вследствие неучета пристенных слоев воды, извилистости и ориентационной упорядоченности пор.

Итак, в реальной мембране существуют поры разного размера, поэтому зависимость G от ΔР на рисунке 4.67 имеет S-образный характер, т.е. по мере повышения давления в работу включаются все меньшие поры. Если проводить ступенчатое по ΔР исследование, то на каждый прирост ΔР наложится прирост в G (рисунок 4.69).

Рис. 4.69. Графическая дифференциация зависимости удельной производительности мембраны от приложенного давления

В расчете будем использовать модифицированные уравнения Пуазейля и Лапласа:

Измерение подвижности молекул мембраны и диффузия частиц через мембрану свидетельствует о том, что билипидный слой ведет себя подобно жидкости. Однако мембрана есть упорядоченная структура. Эти два факта предполагают, что фосфолипиды в мембране при ее естественном функционировании находятся в жидкокристаллическом состоянии. При изменении температуры в мембране можно наблюдать фазовые переходы: плавление липидов при нагревании и кристаллизацию при охлаждении. Жидкокристаллическое состояние биослоя имеет меньшую вязкость и большую растворимость различных веществ, чем твердое состояние. Толщина жидкокристаллического биослоя меньше, чем твердого.

Структура молекул в жидком и твердом состояниях различна. В жидкой фазе молекулы фосфолипидов могут образовывать полости (кинки), в которые способны внедряться молекулы дифференцирующего вещества. Перемещение кинка в этом случае будет приводить к диффузии молекулы поперек мембраны.

Перенос молекул (атомов) через мембраны

Важным элементом функционирования мембран является их способность пропускать или не пропускать молекулы (атомы) и ионы. Вероятность такого проникновения частиц зависит как от направления их перемещения (например, в клетку или из клетки), так и от разновидности молекул и ионов.

Явления переноса – это необратимые процессы, в результате которых в физической системе происходит пространственное перемещение (перенос) массы импульса, заряда или какой-либо другой физи30б ческой величины. К явлениям переноса относят диффузию (перенос массы вещества), вязкость (перенос импульса), теплопроводность (перенос энергии), электропроводность (перенос электрического заряда).

На мембране существует разность потенциалов, следовательно, в мембране имеется электрическое поле. Оно оказывает влияние на диффузию заряженных частиц (ионов и электронов). Перенос ионов определяется двумя факторами: неравномерностью их распределения (т. е. градиентом концентрации) и воздействием электрического поля (уравнение Нернста-Планка):


Уравнение устанавливает связь плотности стационарного потока ионов с тремя величинами:

1) проникаемостью мембран для данного иона, которая характеризует взаимодействие мембранных структур с ионом;

2) электрическим полем;

3) концентрацией ионов в водном растворе, окружающем мембрану.

Явления переноса относятся к пассивному транспорту: диффузия молекул и ионов происходит в направлении меньшей их концентрации, перемещение ионов – в соответствии с направлением силы, действующей на них со стороны электрического поля.

Пассивный транспорт не связан с затратой химической энергии, он осуществляется в результате перемещения частиц в сторону меньшего электрохимического потенциала.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

2. Термодинамические параметры. Термодинамические показатели. Баланс напряжений

2. Термодинамические параметры. Термодинамические показатели. Баланс напряжений Любая ТДС характеризуется параметрами: температура, давление, плотность, концентрация, мольный объем. В любой ТДС обязательно протекают процессы, и они могут быть равновесными,

Познать физические свойства — значит научиться измерять

Познать физические свойства — значит научиться измерять Попробуйте при случае подсчитать, сколько цветов в радуге. Эту задачу выполнить невозможно. Между полосами красной и оранжевой, синей и голубой, как и между любыми соседними полосами, нет резких границ, между ними

Физические условия изменяют спектры

Физические условия изменяют спектры Мы уже говорили, что оптические спектры зависят от тех условий, в которых находятся атомы. Сильные магнитные поля изменяют оптические спектры атомов; они расщепляют спектральные линии. Таково же действие сильных электрических полей.

ЛЕКЦИЯ V КИСЛОРОД СОДЕРЖИТСЯ В ВОЗДУХЕ. ПРИРОДА АТМОСФЕРЫ. ЕЕ СВОЙСТВА. ДРУГИЕ ПРОДУКТЫ ГОРЕНИЯ СВЕЧИ. УГЛЕКИСЛОТА, ЕЕ СВОЙСТВА

ЛЕКЦИЯ V КИСЛОРОД СОДЕРЖИТСЯ В ВОЗДУХЕ. ПРИРОДА АТМОСФЕРЫ. ЕЕ СВОЙСТВА. ДРУГИЕ ПРОДУКТЫ ГОРЕНИЯ СВЕЧИ. УГЛЕКИСЛОТА, ЕЕ СВОЙСТВА Мы уже убедились, что водород и кислород можно получить из воды, полученной нами при горении свечи. Вы знаете, что водород берется из свечи, а

22. Физические вопросы гемодинамики

22. Физические вопросы гемодинамики Гемодинамикой называют область биомеханики, в которой исследуется движение крови по сосудистой системе. Физической основой гемодинамики является гидродинамика.Существует связь между ударным объемом крови (объемом крови,

28. Физические свойства нагретых и холодных сред, используемых для лечения

28. Физические свойства нагретых и холодных сред, используемых для лечения В медицине с целью местного нагревания или охлаждения применяют нагретые или холодные тела. Обычно для этого выбирают сравнительно доступные среды, некоторые из них могут оказывать при этом и

29. Физические процессы в биологических мембранах

29. Физические процессы в биологических мембранах Важной частью клетки являются биологические мембраны. Они отграничивают клетку от окружающей среды, защищают ее от вредных внешних воздействий, управляют обменом веществ между клеткой и ее окружением, способствуют

34. Физические основы электрокардиографии

39. Свойства магнетиков и магнитные свойства тканей человека

39. Свойства магнетиков и магнитные свойства тканей человека Молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля магнитные моменты. При отсутствии магнитного поля эти моменты расположены хаотически и их намагниченность равна нулю. Степень упорядоченности магнитных

ФИЗИЧЕСКИЕ КОРРЕЛЯТЫ

ФИЗИЧЕСКИЕ КОРРЕЛЯТЫ Основная проблема заключается в том, что противоречия между наукой и религией уходят намного глубже конкретных формулировок. Даже если речь не идет о буквальном толковании каких бы то ни было текстов, проблема не решается. Религия и наука опираются

ОЖИДАЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОТЛА

Литературно-физические пародии

Литературно-физические пародии Г. Копылов Пародия на газетную статью о науке Микромир среди лесовТишину хвойного леса, подступающего вплотную к стенам корпуса, разрывает на мелкие кусочки лязг и грохот ускоряемых протонов. Вокруг корпусов раскинулся благоустроенный

4.2. Физические характеристики, строение ядра

4.2. Физические характеристики, строение ядра В последнее десятилетие наши знания о кометах и о процессах, происходящих на них, значительно расширились. Резкому повышению интереса к кометам способствовали подготовка и проведение международного космического

4.4. Орбитальные параметры комет

Читайте также: