CN103344476A

CN103344476A - 非牛顿流体粘度标准物质及其制备方法

Info

Publication number: CN103344476A
Application number: CN2013102150808A
Authority: CN
Inventors: 张正东; 闫虹; 阚莹; 刘莲英; 张�浩
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology; National Institute of Metrology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology; National Institute of Metrology
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN103344476B

Abstract

本发明属于计量科学领域，涉及一种非牛顿流体粘度标准物质及其制备方法，尤其是一种全血粘度标准物质及其制备方法。本发明提供的非牛顿流体粘度标准物质，以质量百分数计，包含：聚氧化乙烯0.1%～3.44%；纳米SiO₂胶粒0.25%～2.5%；其余为水。所述非牛顿流体粘度标准物质在低剪切速率下是一种典型的具有剪切变稀特性的非牛顿流体，可以较好地模拟全血流体的特性，而作为全血粘度标准物质，其中SiO₂胶体与聚氧化乙烯分子链相互作用，使该非牛顿流体粘度标准物质稳定性和均匀性均良好。

Description

非牛顿流体粘度标准物质及其制备方法

技术领域

本发明属于计量科学领域，涉及一种标准物质，更具体而言，涉及一种非牛顿流体粘度标准物质及其制备方法，尤其是一种全血粘度标准物质及其制备方法。

背景技术

标准物质是具有一种或多种足够均匀并很好地确定了特性量值、用于校准测量仪器、评价测量方法或给材料赋值的物质。作为标准物质，必须具备均匀性、稳定性以及量值准确性。标准物质应用十分广泛，可用于①验收、校准分析仪器，②制作校准曲线，③质量监控，④考核实验室技术人员的水平，⑤对外技术交流。标准物质的分类：我国将标准物质分为一级和二级，一级标准物质采用绝对测量法或两种以上不同原理的标准可靠的方法定值，不确定度具有国内最高水平，均匀性良好，稳定性在一年以上；二级标准物质采用与一级标准物质进行比较测量的方法或一级标准物质的定值方法定值，其不确定度和均匀性未达到一级标准物质的水平，稳定性在半年以上。

粘度是液体流变性能的一个重要参数，因此粘度标准物质的研制十分必要。我国已经研制出牛顿流体粘度标准物质，并广泛应用于生产实践中。在我国，在20℃运动粘度小于1×10³mm²/s的粘度标准液由精制的石油产品组成，运动粘度在1×10³～1×10⁵mm²/s的粘度标准液为甲基硅油，运动粘度在2×10⁵～1×10⁶mm²/s的粘度标准液由聚异丁烯组成。上述牛顿流体粘度标准物质具有下列性质：①牛顿性，石油产品标准液在很宽的剪切速率范围内均呈牛顿性，但粘度略大的硅油在高剪切速率下则略呈假塑性，其粘度随剪切速率的增大而略减小，这种非牛顿性随粘度的增大而变得明显，在作为标准液使用时应注意。②稳定性，硅油的性能极其稳定，也不挥发；石油产品和聚异丁烯则完全密闭于玻璃瓶中，并应避光存放在室温下。③粘温性能，作为标准液，粘温性能要好，即粘度随温度变化要小，这样可以提高粘度测量精度或降低测量粘度时对控温和测温精度的要求。

然而，非牛顿流体普遍存在于生产、生活和自然界中，聚合物溶液、具有粘弹性的流体或粘塑性的流体、悬胶体、绝大多数生物流体等具有高分子量的流体的流动都呈现出非牛顿流性态，全血也属于一种非牛顿性流体。由于全血粘度在诊断疾病（例如脑中风、冠心病、高血压、高血脂等）方面具有相当重要的意义，因而全血粘度的检查已经是医院常规检查项目。目前我国生产流变仪的厂家很多，但对于仪器设计和构造的规范化，许多粘度计并没有明确的性能指标，对测定结果无衡量标准。全血作为一种非牛顿性流体，必须用到准确精密的流变仪或者粘度计才能准确地测量出全血的粘度曲线。

由于血液粘度是一个综合指标，受多种因素影响，这些因素又会在一定范围内波动，因此全血粘度不稳定，其正常值只能是从不同地区、不同年龄、不同性别甚至不同职业的人群中随即取样测量的统计值。表1是北京地区人群全血粘度的正常值（陈惠钊，粘度测量(修订版)［M］，北京，中国计量出版社，2003）。

表1：北京地区人群全血粘度的正常值

从表1中可以看出，全血在低剪切速率区随着剪切速率的增加粘度明显降低，在高剪切速率区随着剪切速率的增加粘度逐渐趋于稳定，呈现出一种在低剪切速率下变稀，高剪切速率下粘度基本不变的性质，一般认为，正常人血液在剪切速率高于200s^-1时可以看成是牛顿流体。

目前用于研究全血粘度曲线的标准物质有两类：一种是使用牛顿性的流体，使其粘度范围可以覆盖全血在不同切变率下的粘度值，这种方法简单易行，但是却不精确。我国目前对于全血粘度计的检测通常采用由国家标准物质中心提供的GBW13601～GBW13615系列标准粘度液，该标准液是由精制的石油产品和甲基硅油制得，不足之处在于：(1)石油产品和甲基硅油属于牛顿性流体，用牛顿性的流体校准的全血粘度计再对非牛顿性的全血进行测量本身就很不科学，会产生很大的误差；（2）GBW系列标准粘度液的设计并不专门针对全血流变仪，缺少类似全血粘度的特征性的量值，其还用于其他粘度计或者流变仪的校准；（3）采用的标准液极易在流变仪或者粘度计样品加载部件表面残留，若清洁不当，将会极大地污染后续测量样本，给测量结果带来误差，繁琐的清洁方式为全血流变仪的质检带来不便。这些缺陷严重影响了我国全血流变学技术的发展，因此对于全血粘度标准物质的研究迫在眉睫。另一种是使用非牛顿性液体，使之大致模拟全血的流变性，在不同的切变速率下的粘度值基本上能一一对应全血的粘度值，但是由于全血本身具有多样性，成分复杂，因此用非牛顿性液体来模拟全血仍在努力寻求与研发中。目前市面上出售非牛顿性流体粘度标准物质的都是仪器公司，但这些标准物质仅是为了校正分析本公司的仪器所使用的物质，只可以称为质控物，而且在不同的仪器上测试值偏差很大，均匀性稳定性都相当不好，远不能达到推广的程度。基于上述问题，有必要研制一种非牛顿流体来模拟全血的粘度曲线，从而提供一种非牛顿流体粘度标准物质，也即全血粘度标准物质。

发明内容

技术问题

因此，本发明的目的在于提供一种非牛顿流体粘度标准物质，用于校准测量血液粘度的流变仪或者粘度计。

本发明的另一目的在于提供一种上述非牛顿流体粘度标准物质的制备方法。

技术方案

根据本发明的一方面，本发明提供的非牛顿流体粘度标准物质，以质量百分数计，包含：

聚氧化乙烯(PEO) 0.1%～3.44%；

纳米SiO₂胶粒 0.25%～2.5%；

其余为水，

其中，所述聚氧化乙烯的平均重均分子量为900,000～1,500,000；所述纳米SiO₂胶粒，平均粒径为10nm～40nm，粒径分布为1nm～100nm。

根据本发明的另一方面，本发明提供上述非牛顿流体粘度标准物质的制备方法，该方法包括：将聚氧化乙烯溶解于水中，得到聚氧化乙烯水溶液；而后将该聚氧化乙烯水溶液与纳米SiO₂溶胶混合，混合均匀后得到本发明的上述非牛顿流体粘度标准物质。

有益效果

本发明的非牛顿流体粘度标准物质与现有的全血质控物相比，其具有以下优点：

(1)根据本发明的全血粘度标准物质，经高精度流变仪检测，表明它在低剪切速率下是一种典型的具有剪切变稀特性的非牛顿流体，可以较好地模拟全血流体的特性，因此，比通常所使用的牛顿性粘度标准物质的准确性大大提高。

(2)本发明是专门针对全血所研制的模拟全血粘度的标准物质，因此测试条件均根据全血在人体中的流动状况而定。测量温度均在37℃，测量剪切速率也相对较低，本发明所使用的剪切速率为1s^-1～500s^-1，目前所使用的硅油是在20℃下通过标准毛细管粘度计检测的，有多种用途，因此本发明相对于目前所用的粘度物质，在模拟全血粘度方面具有专一性。

(3)本发明所使用的原料PEO是一种水溶性的高分子，以及纳米二氧化硅胶体以及水，不仅原料易得，成本小，制备过程简单，而且在检测完成之后，能够很方便地进行清理，也不会残留在流变仪承载样品的表面上，从而避免了对将测试样品产生污染。

(4)均匀性是研制标准物质是否成功的关键因素，对本发明的非牛顿流体粘度标准物质做了均匀性检测，重复6次粘度曲线的测量，结果表明粘度曲线基本重合，表明其均匀性达到了标准物质的要求。

(5)经过对本发明研制的非牛顿流体粘度标准物质的稳定性检测，在放置3个月、6个月之后重复测量，粘度曲线基本重合，表明本发明所研制的非牛顿流体粘度标准物质能够达到标准物质所需要的稳定性水平。

(6)由于粘度与温度关系非常密切，温度是影响粘度测量精度的主要因素，因此要求具有温度波动很小、温度均匀性好的高性能恒温槽，同样对测温设备要求也比常规仪器高很多。本发明使用美国哈克公司生产的discoveryHR-2高精密度高级旋转流变仪，能够很好地控制温度，覆盖的切变率也能够达到血液流变仪应当具备的切变范围，使用的椎-板结构对于非牛顿流体的测量是理想的结构，同时对剪切速率和转子也做了相应的校准。而以往所使用的标准液都是通过标准毛细管粘度计定值，方法原理因素所造成的误差很大，因此，本发明所使用的仪器比以往所使用的仪器更加精密，准确性更强。

附图说明

图1是实施例1-3制备的非牛顿流体粘度标准液的粘度曲线图；

图2是实施例4-7制备的非牛顿流体粘度标准液的粘度曲线图；

图3是实施例5制备的非牛顿流体粘度标准液重复6次测得的粘度曲线图；

图4是实施例3制备的非牛顿流体粘度标准液在放置3、6个月前后测得的粘度曲线图。

具体实施方式

下文，具体地描述本发明。

本发明提供的非牛顿流体粘度标准物质，以质量百分数计，包含：

聚氧化乙烯(PEO) 0.1%～3.44%；

纳米SiO₂胶粒 0.25%～2.5%；

其余为水.

在本发明优选的实施方案中，在本发明的非牛顿流体粘度标准物质中，所述聚氧化乙烯的含量优选为0.2%～0.79%，更优选为0.2%～0.6%，且所述聚氧化乙烯的平均重均分子量优选为1,000,000；

所述纳米SiO₂胶粒的含量优选为0.51%～2.04%，更优选为0.51%～1.8%，且所述胶体SiO₂胶粒平均粒径优选为10nm～30nm，更优选为20nm，粒径分布优选为5nm～100nm。

当PEO质量百分数低至0.05%，同时纳米SiO2胶粒的质量百分数低至0.2%时，这样得到的混合液从3s^-1开始呈现出牛顿流体的性质，因此，不适合作为血液粘度标准物质；而当PEO质量百分数高至2.70%，同时SiO₂质量百分数大于9.55%时，这样得到的混合液虽然呈现剪切变稀，但是粘度太大，也已经不适合作为血液粘度标准物质了。

所述水为去离子水。

在本发明的非牛顿流体粘度标准物质中，包含聚氧化乙烯和纳米SiO₂胶粒，可能存在如下的作用机理：

1.作为标准液的稳定机理：本发明中使用的原料之一为SiO₂胶体，之所以能够稳定存在，其主要原因是SiO₂胶体粒子带同种负电荷，胶粒相互排斥，胶粒之间无法聚集成大颗粒沉淀从分散剂中析出。次要原因是胶粒小，质量轻，不停地作布朗运动，能克服重力引起的沉降作用。另外，本发明中使用了分子量900,000～1,500,000的聚氧化乙烯，是一种水溶性的非离子型线性高分子聚合物，在该标准液中，纳米SiO₂颗粒会吸附PEO分子，PEO由于分子链上存在大量的醚键，C-O键会断裂水解成羟基，羟基带有负电荷，因此PEO分子之间会发生排斥作用，同时PEO具有一定的位阻效应，这两方面都能够防止纳米SiO₂胶体的聚沉，从而达到良好的分散效果。

2.模拟全血的机理：全血主要由血浆、红细胞、白细胞、血小板组成。影响全血粘度的主要因素是红细胞和白细胞的变形性以及细胞的聚集。首先，人体内红细胞和白细胞会发生弹性形变，当血液流经较粗的血管（心脏动脉）时，细胞类似球形，当流经毛细管时，细胞变为细长型。细胞的变形性导致了血液随着剪切速率的增加，阻力降低，从而粘度下降。其次，细胞聚集也是影响全血粘度的主要因素，在静态下，细胞在血浆中聚集形成叠连及网状结构，在大于屈服应力下结构逐渐破坏，表现为随着剪切速率的增加，粘度呈现降低的趋势。在本发明中，SiO₂和PEO分子主要以两种状态存在，一种是SiO₂颗粒表面吸附不同PEO分子，另一种是线性的PEO分子上吸附很多纳米SiO₂颗粒。它们之间主要存在三种物理作用，一是PEO水解形成羟基，羟基和羟基之间形成氢键；二是纳米SiO₂和PEO分子链的吸附力；三是PEO分子链本身很柔顺，分子链之间会有相互缠结的作用力。在静态时，由于具备这三种作用力，体系能够形成网状结构而稳定存在，随着剪切速率的增加，氢键打开，纳米SiO₂与PEO分子链之间的吸附力减弱，PEO分子链由卷曲球状逐渐变的舒展，因此本发明具有剪切变稀的性质，能够模拟全血的粘度曲线。

本发明提供上述非牛顿流体粘度标准物质的制备方法，该方法包括：将聚氧化乙烯溶解于水中，得到聚氧化乙烯水溶液；而后将该聚氧化乙烯水溶液与纳米SiO₂溶胶混合，混合均匀后得到本发明的上述非牛顿流体粘度标准物质。

实施例

下面通过实施例更具体地说明本发明，但本发明的范围不局限于这些实施例中。

在下面实施例中，所采用的原料PEO为从Sigma-Aldrich公司购买得到，平均重均分子量为1,000,000；纳米SiO₂溶胶从阿克苏诺贝尔公司购买得到，其中，SiO₂胶粒质量百分数为40%，平均粒径为20nm，溶胶pH值为10，密度为1.3g/cm³，Na₂O质量百分数为0.38%；水为去离子水。

实施例1

步骤1：取水60ml、PEO0.1244g，将PEO加入到水中，在25℃下缓慢搅拌6个小时，至PEO溶解充分，得到PEO水溶液。

步骤2：向上述步骤1得到的PEO水溶液中，加入纳米SiO₂溶胶2.5ml，继续缓慢搅拌2h，混合均匀得到本发明的非牛顿流体粘度标准液，其中，PEO质量百分数为0.20%，纳米SiO₂胶粒的质量百分数为2.11%。

实施例2

步骤1：取水60ml、PEO 0.2492g，将PEO加入到水中，在25℃下缓慢搅拌6个小时，至PEO溶解充分，得到PEO水溶液。

步骤2：向上述步骤1得到的PEO水溶液中，加入纳米SiO₂溶胶2.5ml，继续缓慢搅拌2h，混合均匀得到本发明的非牛顿流体粘度标准液，其中，PEO质量百分数为0.4%，纳米SiO₂胶粒的质量百分数为2.12%。

实施例3

步骤1：取水60ml、PEO 0.4893g，将PEO加入到水中，在25℃下缓慢搅拌6个小时，至PEO溶解充分，得到PEO水溶液。

步骤2：向上述步骤1得到的PEO水溶液中，加入纳米SiO₂溶胶2.5ml，继续缓慢搅拌2h，混合均匀得到本发明的非牛顿流体粘度标准液，其中，PEO质量百分数为0.80%，纳米SiO₂胶粒的质量百分数为2.12%。

实施例4

步骤1：取水60ml、PEO 0.4830g，将PEO加入到水中，在25℃下缓慢搅拌6个小时，至PEO溶解充分，得到PEO水溶液。

步骤2：向上述步骤1得到的PEO水溶液中，加入纳米SiO₂溶胶0.6ml，继续缓慢搅拌2h，混合均匀得到本发明的非牛顿流体粘度标准液，其中，PEO质量百分数为0.79%，纳米SiO₂胶粒的质量百分数为0.51%。

实施例5

步骤1：取水60ml、PEO 0.4850g，将PEO加入到水中，在25℃下缓慢搅拌6个小时，至PEO溶解充分，得到PEO水溶液。

步骤2：向上述步骤1得到的PEO水溶液中，加入纳米SiO₂溶胶0.9ml，继续缓慢搅拌2h，混合均匀得到本发明的非牛顿流体粘度标准液，其中，PEO质量百分数为0.79%，纳米SiO₂胶粒的质量百分数为0.77%。

实施例6

步骤1：取水60ml、PEO 0.4873g，将PEO加入到水中，在25℃下缓慢搅拌6个小时，至PEO溶解充分，得到PEO水溶液。

步骤2：向上述步骤1得到的PEO水溶液中，加入纳米SiO₂溶胶1.2ml，继续缓慢搅拌2h，混合均匀得到本发明的非牛顿流体粘度标准液，其中，PEO质量百分数为0.79%，纳米SiO₂胶粒的质量百分数为1.01%。

实施例7

步骤1：取水60ml、PEO 0.4946g，将PEO加入到水中，在25℃下缓慢搅拌6个小时，至PEO溶解充分，得到PEO水溶液。

步骤2：向上述步骤1得到的PEO水溶液中，加入纳米SiO₂溶胶2.5ml，继续缓慢搅拌2h，混合均匀得到本发明的非牛顿流体粘度标准液，其中，PEO质量百分数为0.79%，纳米SiO₂胶粒的质量百分数为2.10%。

试验性实施例

1.粘度曲线的测量

使用美国哈克公司生产的discoveryHR-2型流变仪对实施例1-7制备的非牛顿流体粘度标准液进行粘度曲线测量。图1为实施例1-3制备的非牛顿流体粘度标准液的粘度曲线，图2为实施例4-7制备的非牛顿流体粘度标准液的粘度曲线。从图中可以看出，本发明所研制的全血粘度标准物质均呈现剪切变稀的性质，与全血粘度大致相符。

2.均匀性检测

图3为实施例5所制备的全血粘度标准物质的粘度曲线，重复测量了6次，从图中可以看出，六条曲线基本重合，表明作为标准物质均匀性很好。

3.稳定性检测

对实施例3所制备的非牛顿流体粘度标准液在放置3个月、6个月后测量了粘度曲线图，测量数据在下面表2中列出。

表2

从图4看出，本发明的非牛顿流体粘度标准液在放置3个月、6个月后的粘度曲线与制备时的粘度曲线基本重合，表明此非牛顿流体粘度标准液很稳定，满足标准物质的要求。

Claims

1.一种非牛顿流体粘度标准物质，以质量百分数计，包含：

聚氧化乙烯 0.1%～3.44%；

纳米SiO₂胶粒 0.25%～2.5%；

其余为水，

2.根据权利要求1所述的非牛顿流体粘度标准物质，其特征是，所述聚氧化乙烯的含量为0.2%～0.79%。

3.根据权利要求2所述的非牛顿流体粘度标准物质，其特征是，所述聚氧化乙烯的含量为0.2%～0.6%。

4.根据权利要求1所述的非牛顿流体粘度标准物质，其特征是，所述聚氧化乙烯的平均重均分子量为1,000,000。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的非牛顿流体粘度标准物质，其特征是，所述纳米SiO₂胶粒的含量为0.51%～2.04%，且所述胶体SiO₂胶粒平均粒径为10nm～30nm，粒径分布为5nm～100nm。

6.根据权利要求5所述的非牛顿流体粘度标准物质，其特征是，所述纳米SiO₂胶粒的含量为0.51%～1.8%。

7.根据权利要求5所述的非牛顿流体粘度标准物质，其特征是，所述胶体SiO₂胶粒平均粒径为20nm。

8.根据权利要求1所述的非牛顿流体粘度标准物质，其特征是，所述非牛顿流体粘度标准物质是全血粘度标准物质。

9.一种制备权利要求1～8中任一项所述的非牛顿流体粘度标准物质的方法，该方法包括：将聚氧化乙烯溶解于水中，得到聚氧化乙烯水溶液；而后将该聚氧化乙烯水溶液与纳米SiO₂溶胶混合，混合均匀后得到所述非牛顿流体粘度标准物质。