Способ электрохимического определения содержания молекулярного кислорода в биологических объектах, жидких и газообразных средах и устройство для его осуществления

,801345105 М 27 48 ЗОБРЕТЕНИЯ ОП ЛЬСТВУ МУ С АВТО ного лектрода азмыкают ежути пол к времен яризации циала или от изводи стройс о для электрохимич кого определения содержания молекулярного кислорода в биологическихобъектах, жидких и газообразных средах, включающее электрохимическийдатчик с индикаторным и вспомогательным электродами, регулирующийусилитель, к входу которого подключены источник задаваемого напряженияи цепь. отрицательной обратной связис вспомогательного электрода, .выходкоторого соединен с вспомогательнымэлектродом, согласующий усилитель,вход которого подключен к вспомогательному электроду, а выход к блокуизмерения, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что оио. дополнительно снабженопрограммным задающим блоком и двумякоммутирующими элементами, причем выход программного задающего блока подключен к инвертирующему входу регулирующего усилителя, первый коммутирующий элемент, управляемый программнымзадающим блоком, включен между выходом регулирующего усилителя и вспомогательным электродом, второй коммутирующий элемент включен между согласующим усилителем и блоком измерения,а блок измерения содержит последовательно соединенные блок запоминанияи хранения напряжения и вычитающийблок, один вход которого соединен свыходом программного задающего блока, а другой - с выходом блока запоминания и хранения,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(71) Институт электрохимии АН СССР (72) В.И,Лукьянычева, Б.И,Ленцнер, Н,А,Шумилова, В,С.Багоцкий, В.Е.Казаринов, В,Г,Кузьмин, В,Н.Алексеев, В,П.Хренов, И.Н,Ландау, Р.И,Утямыи 1 ев, В.В,.Максимов и Н.Н.Кулов (53) 543.253 (088.8)(56) Полярографическое определение кислорода в биологических объектах. - Материалы 11-го Всесоюзного симпозиума, Киев.: Наукова думка, 1974,с,5,11 очег 1.Н.,Р пеи шеЬой аког охуяеп с 1 егегшдпас 1 оп Ьазес 1 дп гпе во 1 Ы п 11 сгое 1 есгойе. Ас 1 чапсез дп Ро 1 агоЕ- гарЬУ, 1968, р,500.Брук Б.С, Полярографические методы, М.: Энергия, 1972, с, 72. (54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО КИСЛОРОДА В БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЬЕКТАХ,ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕДАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) 1, Способ электрохимического определения содержания молекулярного кислорода в биологических объектах, жидких и газообразных средах путем поляризации индикаторного электрода и измерения информативного параметра, характеризующего содержание кислорода в исследуемой среде, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия, точности и чувствительности измерений, индикаторный электрод поляризуют прямоугольным импульсом, вЫдерживают при рабочем потенциале выдержки в облас-. ти ионизацни кислорода - 0,1 +1,23 В против равновесного водородв том же растворе, и через заданный про после размыкания цеизмеряют изменение его конечную величину потенциала по временИзобретение относится к электрохимическому измерению количества молекулярного кислорода в электропроводящих средах и может быть использовано в биологии, медицине, в контроле5технологических процессовИзвестен полярографический способопределения кислорода в биологическихи других объектах, основанный на реакции электрохимического восстановления молекулярного кислорода в диффузионном режиме.Существенными недостатками полярографического определения кислороцаявляются погрешность, вносимая собственным потреблением кислорода датчиком в процессе измерения, зависимость показаний датчика от динамического состояния исследуемой среды,инерционность измерения, обусловленная диффузивй молекул кислорода киндикаторному электроду. Укаэанныенедостатки частично устраняются прииспользовании весьма малой поверхности индикаторного электрода датчикаи импульсных методов поляризации,Приэтом одновременно ухудшаются такиеважные характеристики датчика какстабильность и воспроизводимость,Наиболее близким к предлагаемомуявляется конденсаторный способ определения кислорода в жидких средахпо спаду напряжения во времени наобкладках конденсатора, разряжающего 35ся на электродной системе датчика,Измеряют напряжение на обкладках конденсатора через 10 с после началаразряда. Данный способ является разновидностью токовых способов измерения, так как ток разряда конденсатора в электродной цепи датчика обеспечивается электрохимической реакцией восстановления кислорода, и несмотря на то, что суммарное потребление кислорода в этом случае меньше,чем при полярографическом определении, все перечисленные выше недостатки, присущие полярографическому методу определения кислорода, в конденсаторном методе также сохраняются.Целью способа является повышениебыстродействия, точности и чувствительности измерений,Укаэанная цель достигается тем,55что согласно предлагаемому способуэлектрохимического определения содержания молекулярного кислорода в биологических объектах, жидких и газообразных средах путем поляризациииндикаторного электрода и измеренияинформативного параметра, характеризующего содержание кислорода в исследуемой среде, индикаторный электродполяризуют прямоугольным импульсом,выдержизают при рабочем потеНциалевыдержки в области ионизации кислорода -0,1 - +1,23 В против равновесного водородного электрода в том жерастворе, цепь размыкают и через заданный промежуток времени после размыкания цепи поляризации измеряют изменение потенциала, или его конечнуювеличину, или производную потенциалапо времени,В отличие от полярографическогои конденсаторного методов в основуданного способа положен новый болеебыстрый адсорбционно-кинетическийпринцип регистрации информативногопараметра.В условиях разомкнутой цепи в результате адсорбции кислорода на поверхности индикаторного электрода иобразования адсорбированного слоя молекулярного кислорода потенциал егосдвигается в положительную сторону,Величина потенциала электрода или величина его сдвига, зарегистрированные эа определенный отрезок времени,служат мерой содержания молекулярного кислорода в исследуемом объекте.При этом процесс измерения содержания кислорода включает в себя покрайней мере две последовательныестадии: поляризацию (выдержку) прирабочем потенциале и собственное измерение информативного параметра приразомкнутой цепи.Известно также устройство дляэлектрохимического анализа, содержащее электрохимический датчик с электродами и измерительную схему с усилителями.Данное устройство не позволяетпроводить интегрирование кривых спада тока после разрыва цепи поляризации в заданные промежутки времени.Наиболее близким к предлагаемомуявляется устройство для электрохимического определения содержания компонентов, включающее электрохимическийдатчик с индикаторным и вспомогательным электродами, регулирующийусилитель, ко входу которого подключен источник задаваемого напряженияи цепь отрицательной обратной связи1345105 с в спомог ат ельно го элек трода, выходкоторого соединен с вспомогательнымэлектродом, согласующий усилитель,подключенный, к вспомогательному5электроду, блок измерения, подключенный к выходу согласующего усилителя.С помощью данного устройства нельзя реализовать предложенный способиз-за отсутствия программного задающего устройства, Кроме того, великапогрешность (407) и время получения(2-3 ч) информативной величины,Для осуществления способа известное устройство, включающее электрохимический датчик с индикаторным ивспомогательным электродами, регулирующий усилитель, к входу которогоподключены источник задаваемого напряжения и цепь отрицательной обратной 20связи с вспомогательного электрода,выход которого соединен с вспомогательным электродом; согласующий усилитель, вход которого подключен квспомогательному электроду, а выход - 25к блоку измерения, дополнительноснабжено программным задающим блокоми двумя коммутирующими элементами,причем выход программного задающегоблока подключен к инвертирующему вхо- З 0ду регулирующего усилителя, первыйкоммутирующий элемент, управляемыйпрограммным задающим блоком, включенмежду выходом регулирующего усилителя и вспомогательным электродом,второй коммутирующий элемент включенмежду согласующим усилителем и блокомизмерения, а блок измерения содержитпоследовательно соединенные блок запоминания и хранения напряжения ивычитающий блок, один вход которогосоединен с выходом программного задающего блока, а другой - с выходомблока запоминания и хранения.С помощью введенных блоков производят предварительную очистку поверхности электрода и разрывцепи поляризации и регистрациюзависимости потенциала электродаво времени,50На фиг, 1 изображена структурнаясхема предлагаемого устройства длядвухэлектродного датчика; на фиг,2 -график зависимости информативногопараметра - концентрации растворенного в физиологическом, растворе кислоДля сред, в которых потенциал вспомогательного электрода при поляризации не остается постоянным во времени, используется трехэлектродная схема измерения, В этом случае с целью включения сравнительного электрода (не показан) вход согласующего усилителя 11 подключаетсяк сравнительному электроду, а выход согласующего усилителя - к входу регулирующего усилителя 6 через сопротивление 5, Принцип действия схемы аналорода,Устройство включает, источник 1 задаваемого напряжения, программный задающий блок 2, масштабирующие сопротивления 3, 4 и 5, регулирующийусилитель 6, электрохимический датчик 7 с вспомогательным 8 и индикаторным 9 электродами, коммутирующиеэлементы 10 и 12, согласующий усилитель 11, блок 13 запоминания и хранения напряжения, вычитающий блок 14,регистратор (не показан),Программный задающий блок осуществляет программированную предварительную очистку поверхности индикаторного электрода, параметры которой (амплитуда, длительность, полярность) определяются природой электро- химической системы и характером процесса, протекающего в выбранном интервале потенциалов,Регулирующий усилитель 6 выполняет функцию электронного регулятора и сумматора внешних воздействий.Вместе с электрохимическим датчиком 7, программным задающим блоком 2 и масштабирующими сопротивлениями 3, 4 и 5 регулирующий усилитель 6 образует систему автоматического регулирования потенциала индикаторного электрода.Согласующий усилитель 11 является усилителем с коэффициентом передачи, равным единице, и осуществляет функцию согласования цепи вспомогательного электрода с блоком измерения и позволяет регистрировать потенциал исследуемого электрода стандартными приборами.Регулирующий усилитель 6 присоединен к вспомогательному электроду через .коммутирующий элемент 10, а блок 13 запоминания и хранения напряжения - к выходу согласующего усилителя 11 через .коммутирующий элемент 12.гичен принципу действия устройствадля двухэлектродного датчика,Способ осуществляется следующимобразом.В исходном состоянии коммутирующиеэлементы 10 и 12 замкнуты. Посредством программногО задающего блока втечение 0,01-0,1 с осуществляетсяэлектрохимическая программированнаяочистка поверхности индикаторногоэлектрода. После окончания программыочистки и выдержки индикаторногоэлектрода при потенциале в областиионизации кислорода в течение 0,00 - 1 б0,1 с по сигналу с программного задающего блока коммутирующий элемент10 размыкает цепь поляризации индикаторного электрода и на выходе согласующего усилителя 11 регистрируется зависимость изменения потенциалаиндикаторного электрода от времени. В заданный момент времени в течение от 10 мс до 1 с по сигналу спрограммного задающего блока размыкается коммутирующий элемент 12 иблок 13 запоминания и хранения напряжения запоминает значение напряжения.Запомненный сигнал поступает на одинвход вычитающего блока 14, а на еговторой вход поступает сигнал с выхода программного задающего блока, Врезультате на выходе вычитающего блока получают разностный сигнал, пропорциональный содержанию кислорода,Величина этого сигнала регистрируется,П р и м е р. Содержание молекулярного кислорода определяли в физиоло гическом растворе (97 НаС 1) по двух- электродной схеме измерения на электрохимическом датчике с открытым платиновым электродом с использованием 15 тарированных газовых смесей азотас кислородом в интервале 0-1007 кислорода, Электрод представлял собойторец 0.,02 мм платиновой проволокис поверхностью 3 10см , уплотненной в стальную иглу диаметром 1 мм,Раствор насьш 1 ался газовой смесью известного состава при перемешиваниив течение 5 мин при скорости протекания газа 0,2 л/мин, Электрод предварительно очищали О, с путем наложения ступенчато изменяющегося потенциала в интервале -0,1 - 1,8 В, выдерживали при потенциале 0,28 или-0,7 В по хлорсеребряному электродусравнения в течение 50 мс, цепь размыкали и через заданный интервал времени, равный 1 О мс, измеряли информативный параметр на цифровом вольтметре. В широком интервале содержания кислорода в растворе 9% ИаС 1(от 0 до 100%) имеет место прямолинейная зависимость (фиг,2),Точность .предлагаемых способаи устройства -1-2% от определяемойвеличины, чувствительность метода20-30 мВ на 17. кислорода в газовойсмеси в интервале 0-150 мм рт.ст. и2-3 мВ в интервале 150-760 мм рт,ст.Способ обладает высоким быстродей-;7 -1ствием порядка 10- 10 с.Уменьшение собственного потребления кислорода позволяет уменьшитьвлияние динамического состояния среды, что в свою очередь позволяет проводить измерения в движущихся средах,биологических объектах с малым .содержанием кислорода (тканях, клетке,крови), изучать кинетику быстропротекающих процессов с участием кислоро-да, автоматизировать контроль и управление технологическими процессами.Тираж 775 осударственногоам изобретенийМосква, Ж, Р Под комитета СССР открытий ущская наб