Диссертация (1150300), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Таким образом,участие четырех электронов в восстановлении одной молекулы кислородаобуславливает высокую чувствительность его полярографического определения.Ртутный капающий электрод [78] обладает откликом тока, пропорциональнымконцентрации электроактивного вещества в растворе, и продолжает оставатьсянаиболее совершенным электрохимическим сенсором, обеспечивая определениемногочисленных способных к восстановлению и окислению веществ. Достоинствар.к.э. определяются следующими факторами:1. Поверхность р.к.э. постоянно обновляется, следовательно, кривые токпотенциал воспроизводимы и не зависят от времени.2. Р.к.э.
характеризуется высоким перенапряжением водорода.223.Количествовещества,подвергающеесяэлектрохимическомупревращению на малой площади поверхности р.к.э., столь мало, что концентрацияэтого вещества в растворе остается практически неизменной.К недостаткам систем, использующих р.к.э., следует отнести следующее:1. Электрод данного типа должен находиться в полном покое. Любыеколебания, толчки и т.д.
вносят искажения в ход измеряемых зависимостей.2. Системы р.к.э. имеет достаточно большие габариты, и это ограничение неустраняется даже в самых современных конструкциях приборов.3. Ртуть токсична и может пагубно влиять на чувствительные биологическиематериалы.Первое полярографическое определение кислорода описано Витеком [79] в1935 году. Полученные им данные были подтверждены в 1938 году применительнокбиологическимсистемам[80].Основополагающаяработапополярографическому определению растворенного кислорода при исследованиибиологическихпроцессовпроведенаБаумбергером[81],определившимконцентрацию кислорода в крови.Внастоящеевремянаиболееширокоераспространениеполучилиамперометрические анализаторы кислорода.
Началом создания таких анализаторовможно считать работу Дэвиса и Бринка, предложивших для измеренияпарциального давления кислорода в биотканях использовать платиновыймикроэлектрод [82]. В тонкостенный капилляр, имеющий расширение надвпаянным металлом, впаивали тонкую платиновую проволоку, получая близкуюцилиндрическую нишу, которую заполняли физиологическим раствором сизотонической концентрацией хлористого натрия по отношению к испытуемойбиоткани. Электрическую цепь такого электрода, используемого в качестверабочего и соответствующего электрода сравнения замыкали на 20 секунд наисточник поляризующего напряжения и по истечении этого времени замерялиотклонение зеркального гальванометра.
Затем цепь поляризации размыкали и втечение 10 мин перед повторным измерением ждали установления равновесиямежду концентрациями кислорода в нише и окружающей среде. Отклонение23гальванометра, то есть ток в измеряемой цепи был пропорционален концентрациирастворенного кислорода. Задача создания стабильного амперометрическогосенсора растворенного кислорода была решена Кларком [83], который высказалидею отделить электродную систему с электролитом от контролируемой средымембраной, проницаемой только для газов и непроницаемой для воды и ионов(рисунок 2).1 –платиновый рабочий электрод;2 - изолированная часть рабочегоэлектрода;3 - электрод сравнения;4 - корпус сенсора;5 - пространство для электролита;6 - мембрана, закрывающая электрод;317 - кольцо для фиксации мембраны.2Рисунок 2 - Схема устройства сенсора Кларка.При погружении датчика в исследуемый образец воды молекулы кислородадиффундируют в тонкую пленку электролита, контактирующую с электродами.
Нарабочем электроде поддерживают потенциал минус 0,7 В относительнохлоридсеребряного электрода сравнения. При полном электрохимическомвосстановлении на рабочем электроде диффундирующего через мембранукислорода ток в системе пропорционален концентрации кислорода во внешнемрастворе. Проходящий через ячейку ток измеряют и по его величине определяютконцентрацию растворенного кислорода. Селективность амперометрическиххимических сенсоров определяется, главным образом, природой материалаповерхности электрода, а, следовательно, и величиной потенциала, при которомпроисходят электрохимические реакции с участием анализируемого компонента[67].Изобретение сенсора Кларка дало возможность решить проблемы,возникающие при определении кислорода в биологических материалах, включая24такие сложные по составу среды, как кровь, при измерениях на живой ткани (invivo).
В своих исследованиях Кларк руководствовался специфическими свойствамикрови. Одной из основных проблем при определении in situ кислорода в кровиявляется ее негомогенность, поскольку кровь – не раствор, а суспензия различныхчастиц, включая эритроциты, в которых кислород связан в гемоглобин. Единичныйэритроцит, попавший случайно в незащищенный рабочий электрод, делаетизмерения бесполезными, поскольку электрод перестает генерировать сигнал,соответствующий средней аналитической концентрации кислорода в объемекрови, а начинает непредсказуемо реагировать на диссоциацию оксигемоглобина вэритроците, попавшем на электрод.
Этот процесс сопровождается сильнойадсорбцией высокомолекулярных соединений, приводящей к быстрым иневоспроизводимым изменениям активности электрода.Средний температурный коэффициент сенсора Кларка колеблется от 6 до 8%на 1 ºС в зависимости от типа мембраны и конструкции сенсора [84]. Строго говоря,работа с любым сенсором кислорода должна проводиться в термостатическихусловиях, которые могут достигаться как контролированием температуры раствораобразца или регулированием температуры самого электрода, чтобы мембрана идиффузионный слой находились при постоянной температуре в ходе эксперимента.Если термостатирование невозможно, температурные эффекты должны бытьскомпенсированы для получения верного значения концентрации растворенногокислорода.
Примером такой компенсации может быть измерение температурыраствора рядом с мембраной с помощью термопары и использованиеградуировочной кривой для определения концентрации растворенного кислородапо току отклика.Покрытые мембраной сенсоры менее чувствительны к изменению скоростипотока, чем непокрытые электроды. Тем не менее, они требуют определенногопотока анализируемого раствора вдоль мембраны для работы в оптимальномрежиме.
Для точного и воспроизводимого определения растворенного кислородаважно избегать обеднения диффузионного слоя детектора, что легче всегодостигается перемешиванием [85].25В сенсорах Кларка диффузионный перенос растворенного кислорода кповерхности рабочего электрода более сложен, чем у незащищенных электродах,так как градиент концентрации кислорода определяется мембраной и тонким слоемэлектролита между поверхностью рабочего электрода и внутренней поверхностьюмембраны в условиях постоянной поляризации сенсора (концентрация кислородана электродной поверхности равна нулю за время измерения).Использование сенсоров с большими рабочими электродами иногда бываетболее предпочтительным, т.к. они генерируют большие сигналы благодаряградиенту концентрации кислорода, который выходит за пределы мембраны,распространяясь в контролируемый раствор.
Но получаемые при этом результатыбудут правильными только в том случае, если концентрационный градиент внесенсора будет устранен путем проведения измерений в проточном илиперемешиваемом растворах или перемещением самого сенсора. Различие всигналах, зарегистрированных в неподвижной и в движущихся средах, служит напрактике простым критерием возможностей сенсора в средах, в которыхпотребление кислорода в электродном процессе должно быть минимальновозможным.
Только сенсоры, дающие очень низкие сигналы (≈10-9 А для воды,насыщенной воздухом) и при этом одинаковые для подвижной и неподвижнойсред, можно считать пригодными для подобных целей.Сенсор Кларка также можно применять в измерениях при поляризациикороткими импульсами напряжения (рисунок 3).261 - рабочий электрод;2 - прокладка, обеспечивающаязаданное диффузионное пространствомежду рабочим электродом имембраной;3 - электрод сравнения;4 - корпус сенсора;5 - пространство для электролита;6 - мембрана, закрывающая электрод;7 - кольцо для фиксации мембраныРисунок 3 - Схема сенсора Кларка, модифицированного для импульсныхизмерений.Этот метод был описан в 1984 году [86], в работе было представленоизобретение, имеющее отношение к методу определения кислорода импульснымамперометрическим методом с одной стороны, и к сенсору, который позволяетреализовать этот метод, с другой стороны.
Импульсное амперометрическоеопределение кислорода, растворенного в жидкостях или присутствующего вгазовых смесях, заключается в поляризации сенсора прямоугольными импульсаминапряжения, каждый импульс прикладывается после того, как восстанавливаетсяконцентрация кислорода в пространстве между разделительной мембраной иповерхностью рабочего электрода. Сенсор имеет заполненное электролитомпространство между мембраной и рабочим электродом, преимущественноцилиндрическойформы.Площадьповерхностиоснованияпространстваколеблется от одной трети до десятикратной площади поверхности рабочегоэлектрода, а высота от 1 до 500 мкм. Условия в методе можно подобрать такимобразом, что поляризующий импульс будет повторен только спустя 10 с.
Новыйвариант практически устраняет недостатки сенсора Кларка, сохраняя егопреимущества.Ноприэтом,методнуждаетсявпрограммируемомивоспроизводимом в работе переключателе импульсов.27Стабильность работы сенсора Кларка зависит от качества применяемыхмембран, их толщины и проницаемости. Эти характеристики меняются во времени,поэтому сенсор Кларка нуждается в периодической градуировке. От этих жепараметров и толщины слоя внутреннего раствора зависит время отклика датчика.Это время тем меньше, чем больше проницаемость и чем меньше толщина слоявнутреннего раствора.За время использования сенсоров Кларка в его первоначальное устройствобыло внесено множество изменений и создано большое количество его вариаций,хотя изначальная база остается неизменной.Например, в работе [87] описывается создание сенсора Кларка, в которомрабочий электрод сделан из промышленно выпускаемого сплава никеля и меди.Относительно большая площадь поверхности рабочего электрода (≈10 см2)обеспечивает довольно высокий выходной ток, что позволяет определять низкиеконцентрации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
