ES2384849A1

ES2384849A1 - Dispositivo y procedimiento de cambio múltiple de la subfase para tensiometros de gota pendiente.

Info

Publication number: ES2384849A1
Application number: ES201001588A
Authority: ES
Inventors: Miguel Ángel Cabrerizo Vilchez; Juan Antonio Holgado Terriza
Original assignee: Universidad de Granada
Current assignee: Universidad de Granada
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-07-13
Also published as: WO2012080536A1

Abstract

Dispositivo y procedimiento de cambio múltiple de la subfase para tensiómetros de gota pendiente.Se trata de un dispositivo adaptable a tensiómetros de gota pendiente mediante el cual es posible sustituir, completamente, en múltiples ocasiones, la subfase de una gota sin alterar la interfase, utilizando un conjunto de líquidos o disoluciones diferentes. Todo el proceso se realiza de forma automática sin intervención humana durante la realización del experimento.

Description

DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO DE CAMBIO MÚLTIPLE DE LA SUBFASE PARA TENSIÓMETROS DE GOTA PENDIENTE

SECTOR DE LA TÉCNICA La invención objeto de la presente solicitud hace referencia a un nuevo dispositivo que puede utilizarse en instrumentación para el diseño de nuevas técnicas experimentales de interés en Física de Superficies con aplicación directa en el sector químico, farmacéutico, biológico, odontológico, etc. desde un punto de vista tecnológico, industrial y de investigación.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La técnica de la gota pendiente es una técnica experimental bien conocida que se utiliza en diferentes tipos de aparatos e instrumentos para obtener una medida precisa de la tensión interfacial entre dos medios fluidos no miscibles.

Dicha técnica se fundamenta en la formación de una gota (gota pendiente) de un medio líquido que cuelga de un capilar en el interior de otro medio fluido (líquido o aire) menos denso. Se denomina gota pendiente invertida cuando la gota se forma desde abajo con un fluido menos denso en el interior de un fluido más denso. La forma que adopta la gota se debe al equilibrio hidrostático que se alcanza como consecuencia del balance entre la tensión interfacial que tiende a minimizar el área superficial de la gota, curvándola, y la gravedad que, por el contrario, tiende a deformarla. Teóricamente la relación que hay entre la tensión interfacial y la forma de la gota pendiente puede describirse mediante la ecuación de Young-Laplace, por lo que es posible obtener el valor de la tensión interfacial analizando la forma que adopta la gota pendiente.

Existen en el mercado diferentes tipos de tensiómetros basados en la técnica de la gota pendiente tanto comerciales como académicos que se diferencian respecto al sistema óptico y de captura utilizado, las características de la célula de medida empleada que puede estar termostatizada o presurizada, el procedimiento seguido manual o automático para la formación de la gota, los algoritmos de procesamiento utilizados en la detección y extracción del perfil de la gota y, por último, el algoritmo de ajuste utilizado para comparar el perfil digitalizado con el de la ecuación de YoungLaplace, y así obtener el valor de la tensión interfacial. Algunos de estos dispositivos se venden comercialmente (KRUSS, KSV, o AUension entre otros).

Recientemente se han incorporado diferentes tipos de adaptaciones en los tensiómetros que facultan su uso como balanzas de superficie [Wege H. et al, Colloids and Surfaces B: Biolnterfaces, Vol 12 (1999) 51-58], lo que hace posible realizar estudios de monocapas insolubles depositadas en la interfase líquido-aire y líquidolíquido a partir del análisis de la presión superficial (diferencia entre la tensión interfacial correspondiente a la superficie libre de película y a la tensión interfacial recubierta por la película monomolecular) y el área por molécula (área ocupada por la monocapa dividido por el número conocido de moléculas que forman la misma) en distintos estados de compresión. En este caso, la adaptación consistía en el diseño de un procedimiento experimental para la extensión de la monocapa sobre la superficie de la gota, y un mecanismo de accionamiento controlado por ordenador que permita modificar el volumen de la gota (y por tanto el área ocupada por la monocapa) a la par que medimos la presión superficial de la monocapa depositada en la superficie de la gota, es decir, podemos llevar a cabo la expansión/comprensión de la monocapa del mismo modo que con las balanzas de superficies convencionales, pero con una cantidad de líquido muy inferior.

Otras adaptaciones en los tensiómetros han posibilitado su uso como balanzas de superficie de penetración a partir de la inclusión de una pieza de intercambio compuesto por dos capilares coaxiales concéntricos [patente ES 2 153 296]. En este caso la novedad que aportaba esta adaptación consistía en la posibilidad de sustituir completamente la subfase de la gota pendiente (el medio líquido del interior de la gota) por otro líquido sin alterar la interfase. Con ello es posible realizar nuevos tipos de experimentos en los que se puede estudiar directamente la interacción del tensioactivo

o de la monocapa depositada en la interfase líquido-fluido con la subfase después de modificar la composición química de la subfase, como los estudios de penetración sobre monocapas insolubles, o los estudios de difusión y cinética de adsorción.

En esta invención se propone una nueva adaptación para los tensiómetros de gota pendiente que amplía las posibilidades de los tensiómetros a través de un dispositivo de cambio múltiple de fase con el cual no sólo es posible sustituir la subfase de una gota pendiente con otro líquido sin alterar la interfase, sino que además el proceso puede realizarse múltiples veces y con un conjunto de líquidos o disoluciones diferentes. Como aplicación directa más importante el nuevo dispositivo nos permite realizar automáticamente estudios de la CMC (concentración micelar crítica) de un tensioactivo o surfactante en un medio líquido (como un detergente o un producto lácteo), así como los estudios de adsorción.

DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN

En esta invención se propone una nueva adaptación para los tensiómetros de gota pendiente mediante el dispositivo de cambio múltiple de fase con el cual es posible sustituir completamente, y en múltiples ocasiones, la subfase de una gota sin alterar la interfase, utilizando un conjunto de líquidos o disoluciones diferentes. Todo el proceso se realiza de forma automática sin intervención humana durante la realización del experimento.

Como aplicación directa más importante el nuevo dispositivo nos permite realizar directamente estudios de la CMC (concentración micelar crítica) de un sustancia anfífilica como un tensioactivo o surfactante en un medio líquido (detergentes, cremas, productos lácteos, etc.) sobre un tensiómetro de gota pendiente.

OBJETO DE LA INVENCiÓN

El nuevo dispositivo ofrece las siguientes capacidades:

Permite intercambiar completamente el contenido de la subfase de la gota pendiente con pequeñas cantidades de líquido del orden de al menos tres veces el volumen de la gota, en tantas ocasiones como sea necesario con el mismo o con diferentes líquidos o disoluciones. Permite realizar el proceso de intercambio de la subfase de forma automática sin necesidad de interaccionar sobre la interfase ni sobre el entorno controlado de la célula donde se forma la gota pendiente. La admisión y salida del fluido que circula por la gota pendiente se gestiona directamente desde el dispositivo de cambio múltiple de fase, no contaminando el entorno controlado donde se forma la gota pendiente.

Se pueden realizar los experimentos sobre diferentes líquidos con el mismo

volumen de gota pendiente, manteniendo además el resto de condiciones

ambientales de temperatura, presión, o grado de humedad del entorno de

medida.

Es posible realizar una medida directa del CMC de sustancias anfifílicas como

un tensioactivo o un surfactante.

Los tensiómetros de gota pendiente del mercado no permiten una sustitución continuada del contenido de la gota pendiente por otros líquidos o disoluciones, por lo que no es posible realizar experimentos para la medida de la tensión interfacial directamente con otros líquidos o disoluciones sin modificar manualmente el contenido de la gota. Así, concretamente en los tensiómetros de gota pendiente convencionales la medida de la tensión interfacial no está ligada al procedimiento de formación de la gota pendiente, por lo que es necesario, por un lado, preparar en distintos experimentos la gota pendiente con el líquido o disolución objeto de estudio, para posteriormente proceder a la medida de la tensión interfacial. En cambio, en los tensiómetros de gota pendiente que actúan como balanzas de superficie de penetración si se puede realizar un intercambio controlado de la subfase manteniendo la velocidad con que se inyecta el nuevo líquido a la vez que se retira el líquido presente en la gota, pero sólo es posible hacerlo con un nuevo líquido o disolución.

Con la invención propuesta es posible planificar previamente los líquidos o disoluciones objeto de estudio en un experimento, y utilizar el tensiómetro para la medida de la tensión interfacial sobre todo el conjunto de líquidos sin intervenir en el proceso de medida, manteniendo exactamente las mismas condiciones ambientales del entorno de medida.

DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1.-Esquema del dispositivo de cambio múltiple de fases objeto de la invención. Los símbolos representan: microinyector (1), dispositivo capaz de bombear y succionar un medio líquido (2), válvula de varias vías (3), capilar (4), dispositivo de intercambio de subfase (5), la gota pendiente (6), recipientes líquidos que se van a intercambiar

(7) Y medio para purgar o vaciar el dispositivo (8).

Figura 2.-Esquema del procedimiento general del uso del dispositivo de cambio múltiple de fases con un tensiómetro de gota pendiente. Los símbolos empleados representan: (A) Etapa de preparación y limpieza del Dispositivo de Cambio Múltiple de la subfase, (B) Etapa de formación de la gota pendiente, (C) Etapa intercambio de la subfase de la gota, (a) Preparación de las disoluciones, (b) Limpieza del dispositivo,

(c) Carga de la dispositivo de bombeo del microinyector D1 con un fluido f1, (d) Inyección de un volumen para formar la gota, (e) Medida de la tensión interfacial, (f) Carga del dispositivo de bombeo del microinyector D1 con el fluido fn, (g) Descarga del dispositivo de bombeo del microinyector D2, (h) Etapa de inyección de un volumen determinado del fluido fn mediante el microinyector D1 (i), Etapa de extracción de el mismo volumen inyectado mediante el microinyector D2.

EXPLICACiÓN DETALLADA DE LA INVENCiÓN

El dispositivo de cambio múltiple de fases propuesto comprende dos o más microinyectores (1), conectados a la pieza de intercambio de subfase (5) tal y como se muestra en la figura 1.

Por una parte, el microinyector (1) es el dispositivo electromecánico que se utiliza para inyectar o extraer el medio líquido, y comprende un dispositivo capaz de bombear y succionar un medio líquido, en adelante "dispositivo de bombeo", como un recipiente con un émbolo, o de forma preferente una jeringa conectada a un motor que la accione para la admisión o salida del líquido (2) conectada a una válvula de varias vías (3). La válvula (3) incluye una pieza móvil que abre o cierra varios orificios en los cuales se pueden enroscar diferentes conductos. Uno de los conductos se conecta al capilar (4) donde se va a formar la gota pendiente (6) a través de la pieza de intercambio (5). En cambio el resto de conductos se conectan a varios recipientes (7) con los líquidos que se van a intercambiar en la gota pendiente y, por último, un medio para purgar o vaciar el dispositivo (8), como por ejemplo, otro recipiente.

Por otra parte, la pieza de intercambio (5) comprende dos o más capilares coaxiales, preferentemente concéntricos. El capilar de menor diámetro está conectado a uno de los conductos del microinyector, mientras que el capilar de mayor diámetro, que contiene al anterior, se conecta a otro de los conductos de otro microinyector. El único contacto que hay entre los fluidos de cada capilar se produce en la parte libre de éstos, donde se forma la gota pendiente. Para el caso en el que se conectan dos capilares coaxiales, puede utilizarse como la pieza de intercambio de subfase (5) la descrita en la patente ES 2 153 296.

El procedimiento utilizado para el intercambio múltiple de fases supone la realización de una serie de etapas que, a modo de ejemplo y para su uso con dos dispositivos a los que denominaremos D1 y D2, se pueden ver de una forma esquemática en la figura 2.

El procedimiento de intercambio múltiple de fases comprende las siguientes etapas: Preparación de las disoluciones o fluidos depositados en diferentes recipientes que se conectan al microinyector a través de conductos específicos.

Limpieza del Dispositivo de cambio múltiple de fases. Se hace en dos etapas. En la primera etapa se limpian cada uno de los conductos del microinyector, para lo cual se realizan varios ciclos de limpieza compuestos de una carga del dispositivo de bombeo con el fluido que contiene el conducto, y luego su descarga sobre el conducto de depósito. La carga del dispositivo de bombeo se lleva a cabo seleccionando la posición de la válvula que abre el conducto del fluido o disolución, y a continuación se succiona una cantidad igual al volumen máximo del dispositivo de bombeo. La descarga sobre el conducto de depósito, por el contrario, requiere seleccionar la posición de la válvula que abre el conducto de depósito antes de expulsar todo el fluido contenido en el dispositivo de bombeo. En una segunda etapa se realizan varios ciclos de limpieza de forma equivalente al anterior, pero utilizando como conducto para la descarga, el conducto que se conecta al capilar a través de la pieza de intercambio.

Formación de la gota pendiente con el fluido o disolución de un recipiente conectado a D1. Esta etapa se compone en realidad de dos acciones atómicas. La primera acción consiste en la carga del dispositivo de bombeo del microinyector D1 con el fluido o disolución f1 del recipiente seleccionado, para lo cual se elige la posición de la válvula que abre el conducto del fluido o disolución, y, a continuación, se succiona una cantidad igual al volumen máximo del dispositivo de bombeo. La segunda acción se realiza abriendo el conducto que conecta con la pieza de intercambio de fase cambiando la posición de la válvula correspondiente, y se forma una gota pendiente inyectando un volumen determinado). Una vez formada la gota pendiente se puede proceder a medir el valor de la tensión interfacial.

Intercambio de la subfase de la gota pendiente. En esta etapa el intercambio de la subfase se produce con dos acciones atómicas que tienen que realizarse de modo concurrente. Por un lado, en primer lugar debe realizarse una carga del dispositivo de bombeo del microinyector D1 con el fluido nuevo a incorporar fn, Y simultáneamente una descarga del dispositivo de bombeo del microinyector D2 sobre el conducto de depósito del microinyector D2. A continuación, se procede a realizar el intercambio mediante la inyección del fluido nuevo fn con el microinyector D1, mientras que simultáneamente se extrae el fluido de la gota pendiente con el microinyector D2. Este proceso se realiza con un volumen que debe ser mayor que el volumen de la gota, y además a una velocidad baja.

Este procedimiento está controlado por un software que permite realizar los cambios múltiples de subfase de forma adecuada, si bien el procedimiento que se lleva a cabo podría programarse en otros medios.

MODO DE REALlZACION DE LA INVENCiÓN

Uno modo de realización no limitante de la presente invención consiste en el uso de dos dispositivos de cambio múltiple de fases, que se ha adaptado a un tensiómetro de gota pendiente.

El sistema resultante comprende, al menos, los siguientes elementos: Dispositivo óptico y de captura de imágenes con el que se puede visualizar las imágenes y proceder a la captura de las imágenes que contienen el perfil de la gota, y que posteriormente se analizará con el software adecuado para determinar el valor de la tensión interfacial. Se compone de una cámara CCD conectado a un zoom óptico, y un foco de luz que ilumina la imagen de la gota que se captura con la cámara CCD. Dispositivo de posicionamiento de varios ejes para el posicionamiento de la gota pendiente respecto al eje de visualización de la cámara buscando el mejor enfoque posible. Célula de medida que establece un entorno controlado en cuanto a las condiciones ambientales de presión o temperatura. Dispositivo de cambio múltiple de fases, que se detalla en la descripción detallada de la invención.

Software de control y análisis encargado de la gestión del dispositivo de cambio

múltiple de subfase.

Software de análisis de las imágenes que se capturan con la cámara CCO.

5 Siguiendo el procedimiento general esquematizado en la figura 2, el software de control puede realizar los pasos necesarios para la formación de una gota pendiente que va a ser medida con el tensiómetro de gota pendiente. La medida se obtendrá después de capturar la imagen y obtener el perfil de la gota.

Claims

REIVINDICACIONES

1.-Dispositivo de cambio múltiple de subfase para tensiómetros del tipo gota-pendiente que comprende dos o más microinyectores (1), cada uno de los cuales comprende los siguientes elementos:

un dispositivo que permite el bombeo o succión de líquidos (2), conectado a

una válvula (3) con uno o más conductos que están conectados a uno o más

recipientes (7) que contienen distintos líquidos o disoluciones;

medios electromecánicos que permiten cambiar la comunicación de los

conductos y selección del líquido;

y medios para purgar el sistema (8); de forma que dichos microinyectores quedan conectados mediante un conducto (4) a una pieza (5), compuesta por capilares coaxiales, que permite el intercambio de la subfase.
2.-Procedimiento de cambio múltiple de subfase de una gota pendiente sin alterar la interfase que comprende la preparación y limpieza del dispositivo caracterizado en reivindicación 1, la formación de la gota pendiente, y, por último, dos o más intercambios de subfase de la gota pendiente.
3.-Uso del dispositivo de cambio múltiple de subfase según reivindicación 1 para la medida directa de la CMC de una sustancia anfifílica.
4.-Software que implementa el procedimiento de intercambio múltiple de fase según reivindicación 2.