Способ электрохимического определения содержания молекулярного кислорода в биологических объектах,жидких и газообразных средах и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК G01N27/48 

Изобретекие относится к электрохимическому намерению количества молекулярного кислорода в электропроводящих средах и может быть использовано в биологии, медицине, в контроле технологических процессов„

Известен полярографический способ определения кислорода в биологических и других объектах, основанный на реакции электрохимического восстановления молекулярного кислорода в диффузионном режиме.

СущественнЬши недостатками полярографического определения кислорода являются погрешность, вносимая собственным потреблением кислорода датчиком в процессе измерения, зависимость показаний датчика от динамического состояния исследуемой среды, инерционность измерения, обусловленная диффузией молекул кислорода к индикаторному злектроду. Указанные недостатки частично устраняются при использовании, весьма малой поверхности индикаторного электрода датчика и импульсных методов поляризации.При этом одновременно ухудшаются такие важные характеристики датчика как ста бильность и воспроизводимость.

Наиболее близким к предлагаемому является конденсаторный способ определения кислорода в жидких средах по спаду напряжения во времени на обкладках ко нденсатора, разряжающегося на электродной системе датчика. Измеряют Напряжение на обкладках конденсатора через 10 с после начала разряда. 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 вьше недостатки, присущие полярографическому методу определения кислорода, в конденсаторном методе также сохраняются.

Целью способа является повьш1ение быстродействия, точности и чувствительности измерений.

Указанная цель достигается тем, что согласно предлагаемому способу электрохимического определения содержания молекулярного кислорода в биологических объектах, жидких и газо-

5

0

5

0

5

0

5

0

5

образных средах путем поляризации индикаторного электрода и измерения информативного параметра, характари- зуюш;его содержание кислорода в исследуемой среде, индикаторный электрод поляриз тот прямоугольным импульсом, выдерживают при рабочем потенциале вьздержки в области ионизации кислорода -О,, - +1,23 В против равновесного водородного электрода в том же растворе, цепь размыкают и через заданный промежуток времени после размыкания цепи поляризации измеряют изменение потенциала, или его конечную , или производную потенциала по времени,

В отличие от лолярографического и конденсаторного методов в основу данного способа положен новый более быстрый адсорбционно-кинетический принцип регистрации информативного параметра.

В условиях разомкнутой цепи в результате адсорбции кислорода на поверхности индикаторного электрода и , образования адсорбированного слоя молекулярного кислорода потенциал его сдвигается в положительную сторону. Величина потенциала электрода или величина его сдвига, зарегистрированные за определенный отрезок времени, служат мерой содержания молекулярного кислорода в исследуемом объекте. При этом процесс измерения содержания кислорода включает в себя по крайней мере две последовательные стадии: поляризацию (вьщержку) при рабочем потенциале и собственное измерение информативного параметра при разомкнутой цепи.

Известно также устройство для электрохимического анализа, содержащее электрохимический датчик с электродами и измерительную схему с усилителями.

Данное устройство не позволяет проводить интегрирование кривых спада тока после разрыва цепи поляризации в заданные промежутки времени.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для электрохимического определения содержания компонентов , включающее электрохимический датчик с индикаторньм и вспомогательным электродами, регулирующий усилитель, ко входу которого подключен источник задаваемого напряжения , и цепь отрицательной обратной связи

с вспомогательного электрода, выход которого соединен с вспомогательным электродом, согласующий усилитель, подключенный,к вспомогательному электроду, блок измерения, подключенный к выходу согласующего усилителя.

С помощью данного устройства нельзя реализовать предложенный способ из-за отсутствия программного задающего устройства. Кроме того, велика погрешность (40%) и время получения (2-3 ч) информативной величины.

Для осуществления способа известное устройство, включающее электрохимический датчик с индикаторным и вспомогательным электродами, регулирующий усилитель, к входу которого подключены источник задаваемого напряжения и цепь отрицательной обратной 20 тервала потенциалов, связи с вспомогательного электрода, выход которого соединен с вспомогательным электродомi согласующий усилитель , вход которого подключен к вспомогательному электроду, а выход - 25 к блоку измерения, дополнительно снабжено программным задающим блоком и двумя коммутирующими элементами, причем выход программного задающего

Регулирующий усил ет функцию, электронн и сумматора внешних те с электрохимичес программным задающим табирунщими сопротив регулирующий усилите систему автоматическ

блока подключен к инвертирующему вхо- зо кия потенциала индикаторного электроду регулирующего усилителя, первый коммутирующий элемент, управляемый программным задающим 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 запоминания и хранения напряжения и вьиитающий блок, один вход которого соединен с выходом программного задающего блока, а другой - с выходом блока запоминания и хранения.

С помощью введенных блоков производят предварительную очистку поверхности электрода и разрьш цепи поляризации и регистрацию зависимости потенциала электрода во времени.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства для двухэлектродного датчика; на фиг.2 - график зависимости информативного параметра - концентрации растворенного в физиологическом .растворе кислорода.

Устройство включает .источник 1 задаваемого напряжения, программный

да.

Согласующий усилитель 11 является усилителем с коэффициентом передачи, равным единице, и осуществляет функ35 цию согласования цепи вспомогательного электрода с блоком измерения и позволяет регистрировать потенциал исследуемого электрода стандартными приборами.

40 Регулирующий усилитель 6 присоединен к вспомогательному электроду через .коммутирующий элемент 10, а блок 13 запоминания и хранения напряжения - к выходу согласующего уси45 лителя 11 через комм.утирующий элемент 12.

Для сред, в которых потенциал вспомогательного электрода при поля50 ризации не остается постоянным во времени, используется трехэлектрод- ная схема измерения. В этом случае с целью включения сравнительного электрода (не показан) вход согласую55 щего усилителя I 1 подключается к сравнительному электроду, а выход согласующего усилителя - к входу регулирующего усилителя 6 через сопротивление 5. Принцип действия схемы аналозадающий блок 2, масштабирующие сопротивления 3, 4 и 5, регулирующий усилитель 6, электрохимический дат- чик 7 с вспомогательным 8 и индикаторным 9 электродами, коммутирующие элементы 10 и 12, согласующий усилитель 11, блок 13 запоминания и хранения напряжения, вычитакщий блок 14, регистратор (не показан).

Программный задающий блок осуществляет программированную предварительную очистку поверхности индика- торноРо электрода, параметры которой (амплитуда, длительность, полярность) определяются природой электрохимической системы и характером процесса, протекающего в выбранном интервала потенциалов,

Регулирующий усилитель 6 выполняет функцию, электронного регулятора и сумматора внешних воздействий.Вместе с электрохимическим датчиком 7, программным задающим блоком 2 и масш- табирунщими сопротивлениями 3, 4 и 5 регулирующий усилитель 6 образует систему автоматического регулировада.

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 комм.утирующий элеент 12.

Для сред, в которых потенциал вспомогательного электрода при поляризации не остается постоянным во времени, используется трехэлектрод- ная схема измерения. В этом случае с целью включения сравнительного электрода (не показан) вход согласующего усилителя I 1 подключается к сравнительному электроду, а выход согласующего усилителя - к входу регулирующего усилителя 6 через сопротивление 5. Принцип действия схемы анало 513

гичен принципу действия устройства для двухэлектродного датчика.

Способ осуществляется следующим образом.

В исходном состоянии коммутирующие элементы 10 и 12 замкнуты. Посредством программного задающего блока в течение 0,01-0,1 с осуществляется электрохимическая программированная очистка поверхности индикаторного электрода. После окончания nporpaiviMbi очистки и вьщержки индикаторного электрода при потенциале в области ионизации кислорода в течение 0,001 - 0,1 с по сигналу с программного задающего блока коммутирующий элемент 10 размыкает цепь поляризации индикаторного электрода и на выходе согласующего усилителя I1 регистрирует- ся.зависимость изменения потенциала индикаторного электрода от времени. В заданный момент времени в -течение от 10 мс до I с по сигналу с программного задающего блока размы- кается коммутирующий элемент 12 и блок 13 запоминания и хранения напряжения запоминает значение напряжения, Запомненный сигнал поступает на один вход вычитающего блока 14, а на его второй вход поступает сигнал с выхода программного задающего блока. В результате на выходе вычитающего блока получают разностный сигнал, пропорциональный содержанию кислорода. Величина этого сигнала регистрируется.

Пример. Содержание молекулярного кислорода определяли .в физиоло- гическом растворе (9% NaCl) по двух- электродной схеме измерения на электрохимическом датчике с открытым платиновым электродом с использованием

5 0 5 о

5

0

056

15 тарированных газовых смесей азота с кислородом в интервале 0-100% кислорода. Электрод представлял собой торец 0,02 мм платиновой проволоки с поверхностью , уплотненной в стальную иглу диаметром 1 мм. Раствор насьшщлся газовой смесью известного состава при перемешивании в течение 5 мин при скорости протека- ния газа 0,2 л/мин. Электрод предварительно рчшцали 0,1 с путем наложения ступенчато изменяющегося потенциала в интервале -0,1 - 1,8 В, выдерживали при потенциале О,28 или -0,7 В по хлорсеребряному электроду сравнения в течение 50 мс, цепь размыкали и через заданный интервал времени, равный 10 мс, измеряли информативный параметр на цифровом вольтметре . В широком интервале содержания кислорода в растворе 9% NaCl (от О до 100%) имеет место прямолинейная зависимость (фиг,2),

Точность .предлагаемых способа и устройства -1-2% от определяемой величины, чувствительность метода - 20-30 мВ на 1% кислорода в газовой смеси в интервале 0-150 мм рт.ст. и 2-3 мВ в интервале 150-760 мм рт.ст.

Способ обладает высоким быстродействием порядка - 10 с.

Уменьшение собственного потребления кислорода позволяет уменьшить влияние динамического состояния среды, что в свою очередь позв оляет проводить измерения в двийсущихся средах j биологических объектах с малым .содержанием кислорода (тканях, клетке, крови), изучать кинетику быстропроте- кающих процессов с участием кислоро- да, автоматизировать контроль и управление технологическими процессами.

4z

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, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, точности и чувствительности измерений, индикаторный электрод поляризуют прямо- угольным импульсом, выдерживают при рабочем потенциале вьщержки в облас-. ти ионизации кислорода - 0,1.,. +1,23 В против равновесного водородного электрода в том же растворе, цепь размыкают и через заданный промежуток времени после размыкания цепи поляризации измеряют изменение потенциала или его конечную величину, иди йроизводную потенциала по времени. 2, Устройство для электрохимического определения содержания молекулярного кислорода в биологических объектах, жидких и газообразных средах, включающее электрохимический датчик.с индикаторным и вспомогательным электродами, регулируюций усилитель, к входу которого подключены источник задаваемого напряжения и цепь.отрицательной обратной связи с вспомогательного электрода, .выход которого соединен с вспомогательным электродом, согласующий усилитель, вход которого подключен к вспомогательному электроду, а выход к блоку измерения, отличающееся тем, что оно. дополнительно снабжено программным -задающим блоком и двумя коммутирующими элементами, причем выход программного задающего блока подключен к инвертирующему входу регули- . рующего усилителя, первый коммутирующий элемент, управляемый программным задающим блоком, включен между выходом регулирующего усилителя и вспомогательным электродом, второй коммутирующий элемент включен между согла- , сующим усилителем и блоком измерения, а блок измерения содержит последовательно соединенные блок запоминания и хранения напряжения и вычитающий блок, один вход которого соединен с выходом программного задающего блока, а другой - с выходом блока запоминания и хранения. (Л 00 4 сл 01

${/iJ