利用实时中子成像和散射技术研究了聚乙烯二醇（PEG）与磷酸钾水溶液在涡流流体介导下的相分离过程

《RSC Mechanochemistry》：Vortex-fluidic-mediated phase separation of polyethylene glycol and aqueous potassium phosphate characterised by real-time neutron imaging and scattering

研究通过涡旋流体装置（VFD）实时监测PEG与磷酸钾水两相系统的相分离过程，结合小角中子散射（SANS）和成像技术，发现剪切作用下PEG分子保持高斯线圈结构，但盐存在时略有收缩，证实了剪切加速相分离的机制，为工业级生物纯化提供新方法。

　　这项研究聚焦于聚乙二醇（PEG）与水溶液中磷酸钾组成的两相系统（ATPS）在旋涡流体设备（VFD）中发生的相分离现象。在传统批次处理过程中，这种相分离过程较为缓慢，而本研究通过引入VFD这一新型微流控平台，实现了对PEG与磷酸钾混合体系的实时相分离行为分析。为了深入理解这一过程，研究团队结合了原位小角中子散射（SANS）和中子成像技术，从而揭示了PEG分子在剪切力作用下的结构变化及其与盐溶液之间的相互作用。

在传统的实验室条件下，PEG分子在静止的玻璃容器中通常呈现出高斯线圈结构，这是由于其分子间的相互作用较为稳定。然而，在VFD的剪切环境中，PEG分子的结构发生了显著变化。研究发现，在VFD操作过程中，PEG的回转半径（Rg）比在静态条件下的值更大，表明其分子链在剪切力的作用下得到了扩展。这一结果意味着，在旋转剪切条件下，PEG的构象变得更加灵活，从而促进了其与磷酸钾溶液之间的相分离。这种剪切力的引入不仅改变了PEG的结构，还对整个两相系统的动态行为产生了重要影响。

在VFD中，液体被限制在薄层中，随着旋转速度的增加，液体在管壁上形成复杂的流动模式，包括科里奥利诱导的“旋转体”（ST）流和双螺旋（DH）流。这些流动模式为PEG分子提供了额外的剪切力，从而加速了其结构的调整和相分离过程。中子成像技术被用于观察VFD操作过程中液体薄层的厚度变化，以及PEG和磷酸钾两相之间的分离情况。结果显示，当系统停止旋转后，PEG相和磷酸钾相可以清晰地分离，形成上层的PEG相和下层的磷酸钾相。这表明VFD在促进相分离方面具有显著优势。

此外，研究还发现，当PEG与磷酸钾溶液混合形成ATPS时，其回转半径（Rg）相较于单独的PEG溶液有所减小，但仍然比静态条件下的值更大。这表明，在剪切条件下，PEG分子虽然受到盐的影响而发生了一定程度的收缩，但整体上仍然保持了较大的扩展状态。这种现象可能与磷酸钾对PEG分子间相互作用的影响有关，特别是在剪切力的作用下，PEG分子的构象可能变得更加复杂。同时，研究团队通过SANS数据进一步验证了这一结构变化，发现当PEG与磷酸钾溶液混合时，其散射曲线呈现出与单独PEG不同的特征，尤其是在低和中等q值范围内。

研究中还探讨了PEG在不同条件下的分子间相互作用强度。通过分析SANS数据中的参数A，研究团队发现，在VFD操作过程中，PEG的分子间相互作用最强，而在形成ATPS的情况下，这种相互作用显著减弱。这一变化可能与盐的存在破坏了PEG分子间的氢键网络有关，从而影响了其构象的稳定性。此外，VFD的剪切力还可能促进了PEG分子的重新排列，使其在两相系统中表现出不同的行为。

在实际应用中，VFD技术为两相系统的高效分离提供了新的可能性。传统的批次处理方法虽然在工业上被广泛应用，但其相分离速度较慢，难以满足快速处理的需求。而VFD技术通过引入剪切力，显著提高了相分离的速度和效率。这不仅对生物材料的纯化过程具有重要意义，也为材料科学和流体工程领域提供了新的研究方向。例如，在蛋白质分离、纳米材料制备和生物分子纯化等方面，VFD技术展现出了巨大的潜力。

研究团队通过SANS和中子成像技术，成功捕捉到了PEG分子在剪切力作用下的实时结构变化。这些数据为理解两相系统中分子行为提供了宝贵的实验依据。同时，研究还指出，VFD技术的剪切力不仅影响了PEG的结构，还可能对其他两相系统产生类似的影响。因此，未来的研究可以进一步探索不同两相体系在VFD中的行为，以优化其应用效果。

在实验设计方面，研究团队使用了高纯度的PEG和磷酸钾，并在D2O中制备了PEG溶液，以确保足够的中子散射对比度。这种选择有助于减少散射背景，提高数据的准确性。同时，实验中还考虑了不同条件下的样本厚度和旋转速度对结果的影响，确保了实验的可重复性和可靠性。通过对比不同实验条件下的数据，研究团队能够更清晰地识别出剪切力和盐溶液对PEG分子行为的具体影响。

研究的另一个重要发现是，VFD中的剪切力可能在一定程度上破坏了PEG分子的聚集状态。在传统静态条件下，PEG分子容易形成稳定的聚集体，而在VFD的动态剪切环境下，这种聚集行为被削弱，导致PEG分子更加分散。这种现象对于提高两相系统的分离效率具有重要意义，因为分散的分子更易于在剪切力的作用下发生相分离。

此外，研究还揭示了VFD操作过程中，由于管壁的倾斜角度和旋转速度，两相之间的界面面积显著增加。这种界面面积的扩大有助于提高相分离的速率和效率，同时也为分子的动态行为提供了更多的空间。结合这些因素，研究团队提出，VFD技术通过剪切力、界面面积的增加以及流体机械不稳定性，共同作用于PEG分子的结构变化，从而促进了两相系统的快速分离。

在实验结果的分析中，研究团队发现，VFD处理后的PEG分子在散射曲线中表现出更陡的斜率，这可能意味着其结构变得更加有序或分散。而当PEG与磷酸钾溶液混合时，这种斜率的变化则更为明显，表明分子间的相互作用在剪切条件下发生了显著调整。这些变化不仅影响了PEG的结构，还可能对整个两相系统的稳定性产生影响。

总体而言，这项研究为理解两相系统在剪切力作用下的行为提供了新的视角。通过结合先进的中子散射和成像技术，研究团队成功揭示了PEG分子在不同条件下的结构变化，并探讨了这些变化对相分离过程的影响。这些发现不仅有助于优化现有的两相分离技术，还可能为新型分离方法的开发提供理论支持和实验依据。未来的研究可以进一步探索VFD技术在其他两相体系中的应用，以及如何通过调整操作参数来提高分离效率和分子行为的可控性。