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移液管PK移液器第二弹!实验告诉你哪个更精确

2020-04-09

首先,我们要知道移液管与移液器按照各自的计量标准(JJG 196与JJG 646)标定(校准)的方法是完全一样的,即使用称重法对移液体积进行标定。

标定的操作大致描述如下:

1、在恒温恒湿环境下,将称量容器在分析天平上去皮;2、吸取标称量程(即最大量程)的蒸馏水,注入称量容器称重得到排出蒸馏水的重量Δm;3、 在对应水温下将蒸馏水的重量Δm使用水的Kt值换算成体积,即V=Kt*Δm。Kt值的公式可以查看相应的计量标准。从公式中可以知道Kt值的主要影响因素为水的密度。
其次,从测量方法上来看,移液管与移液器标定体积的方式几乎是完全一样的,如果标称精度一致,真实操作蒸馏水以外的液体时精度表现是否完全一致呢?答案是否定的。为了理解这一点我们需要知道移液管和移液器的结构与吸液原理的差异。

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移液管(左)与移液器(右)的定体积原理的差异

移液管为简单的物理结构,一般为玻璃材质,以刻度确定体积。标定对应体积的对应刻度时,采取的方法即上述校准方法,对应体积的蒸馏水对应的质量是一定的,那么如果吸液后排出的蒸馏水的质量是“正确的“,代表吸液后排出蒸馏水的体积是”正确的(达到了标称值所允许的误差范围以内)“,那么吸液时蒸馏水所在凹液面的最低点所代表的吸液体积是”正确的“,这个点也就是相应体积的刻度所在。一旦这个点确定了,就物理地确定了移液管内部的容积,这个容积之后几乎不随外部因素,比如液体密度,气压等因素变化而变化。
通常意义上的移液器为空气活塞式移液器,当移动移液按钮时,内部的活塞位置发生变化,进而产生负压,从而将液体吸入吸头内。吸液体积的确定是由内外压差和一系列其他的因素决定的,但是主要决定因素是内外压差。当标定时,如果吸取的蒸馏水排出后的质量是“正确的“(称重法),代表吸液后排出的蒸馏水的体积是“正确的(达到了标称值所允许的误差范围以内)”,那么代表了吸液的体积是“正确的”。因此,用蒸馏水确定了一把移液器的移液体积时,实际确定的是移液器内外压差以及一系列其他因素的综合作用正好能够吸取正确体积的蒸馏水。
这时,就很好理解,移液器在吸取不同类型液体,以及在不同环境条件下时,表现会有明显的不同。比如当环境条件没有变化,即压差是恒定的情况下,如果液体的密度不同于蒸馏水,即同等体积液体的质量不同于蒸馏水时,为了平衡内外压力,必然吸液的体积会有所不同。我们举个不太严谨的栗子来验证这一点。看一下结果如何?

实验部分

1、仪器与试剂(1)仪器
  • 使用10 mL刻度移液管一支;

  • 10 mL移液器一支;

  • HandStep? Touch电子连续分液器一支;

  • 移取75%的乙醇排至同一个10 mL A级容量瓶。

        注:所有仪器均来自于德国BRAND,如图1所示。



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图1 从左至右分别为BLAUBRAND?刻度移液管(左一),Transferpette? S移液器(左二),HandStep? Touch电子连续分液器(右二),BLAUBRAND?容量瓶(右一)

(2)试剂

  • 75% 乙醇。

2、实验步骤

步骤一、为了减少乙醇蒸发对实验的影响,制造合适实验环境。

我们把整个实验环境用塑料台布罩住,如图2所示,并将75%乙醇倒在烧杯中置于测试环境超过2个小时以尽可能饱和环境中乙醇的分压,降低操作时乙醇的蒸发速率。

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图2 实验环境
步骤二,对比用移液管(左)和移液器(右)分别吸取10 mL 75% 乙醇排入同一个容量瓶,如图3所示。从图3可以看出,在相同条件下,吸取10 mL 75%乙醇排入同一个容量瓶,移液器比移液管明显多一些。我们知道乙醇的密度低于蒸馏水,即乙醇比水轻。因此在移液器内外压差一定的情况下,吸取乙醇的体积会比吸取水的体积更多。而移液管标定时直接标记的就是体积,因此,移液管吸取乙醇并排出之后的体积相比水的差异非常之少。排入容量瓶之后的结果验证了这一点。当然,由于乙醇的高挥发性,以及其他影响移液器吸液的因素存在,乙醇相比水的密度差异并不是完全按比例体现在移取体积差异上。4.png

图3 用移液管(左)和移液器(右)分别吸取的10 ml 乙醇结果对比

从上面的分析和实例来看,移液管确定体积的原理更直接,因此一般来说在相同标称精度之下,移液管相对移液器会有更优的实际移液精度表现。当然,影响移液管和移液器移液精度的因素有很多,我们并不能一概而论地说在任何情况下对于任何液体,标称精度相同的移液管实际移液精度表现都优于移液器。
我们上面比较的移液器为实验室最常见的空气活塞式移液器。然而,还有另外一种移液器类别——外置活塞移液器。从吸液排液原理上来说,外置活塞移液器在移取高挥发,高粘度的液体时,表现会优于空气活塞式移液器。我们在进行本次比对实验时,结合移液管与空气活塞式移液器的实验结果,也使用了外置活塞原理的HandyStep Touch的移液模式做了一个比对。
步骤三、HandyStep Touch配合10 mL PD吸头吸取10 mL 75% 乙醇排入一个10 mL A 级容量瓶,结果如图4所示。

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图4 使用HandyStep Touch配合10 mL PD吸头移取10 mL 乙醇结果

结果表明,精度表现优于同量程的空气活塞式移液器。 诚然,移液器的量取范围更小,移液器的使用更为便捷,移液器的移液方式也更易于掌握,但是不可忽视的是移液器不论在精度定义还是在实际工作表现中,都不能完全与移液管相提并论。当然,提高移液器移液精度还有很多办法,比如使用低吸附吸头,比如就不同液体对于移液器进行再校准,比如使用外置活塞移液器。但是,总体而言,移液器的优势更多地体现在方便性与更小的量取范围上。
在实际工作中,应该根据实际的工作需要来决定使用移液管还是移液器进行液体的量取,如果是精度不能妥协的实验,恐怕移液管,尤其是胖肚移液管是不二之选,反之,实验速度与效率如果是优先考虑的要素,则移液器当仁不让。

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