SU1345105A1 - Способ электрохимического определени содержани молекул рного кислорода в биологических объектах,жидких и газообразных средах и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

1. Способ электрохимического определени  содержани  молекул рного кислорода в биологических объектах, жидких и газообразных средах путем пол ризации индикаторного электрода и измерени  информативного параметра , характеризующего содержание кислорода в исследуемой среде, отличающийс  тем, что, с целью повышени  быстродействи , точности и чувствительности измерений, индикаторный электрод пол ризуют пр мо- 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 размыкани  цепи пол ризации измер ют изменение потенциала или его конечную величину, иди йроизводную потенциала по времени. 2, Устройство дл  электрохимического определени  содержани  молекул рного кислорода в биологических объектах, жидких и газообразных средах , включающее электрохимический датчик.с индикаторным и вспомогательным электродами, регулируюций усилитель, к входу которого подключены источник задаваемого напр жени  и цепь.отрицательной обратной св зи с вспомогательного электрода, .выход которого соединен с вспомогательным электродом, согласующий усилитель, вход которого подключен к вспомогательному электроду, а выход к блоку измерени , отличающеес  тем, что оно. дополнительно снабжено программным -задающим блоком и двум  коммутирующими элементами, причем выход программного задающего блока подключен к инвертирующему входу регули- . рующего усилител , первый коммутирующий элемент, управл емый программным задающим блоком, включен между выходом регулирующего усилител  и вспомогательным электродом, второй коммутирующий элемент включен между согла- , сующим усилителем и блоком измерени , а блок измерени  содержит последовательно соединенные блок запоминани  и хранени  напр жени  и вычитающий блок, один вход которого соединен с выходом программного задающего блока , а другой - с выходом блока запоминани  и хранени . (Л 00 4 сл 01

Description

Изобретекие относитс  к электрохимическому намерению количества молекул рного кислорода в электропровод щих средах и может быть использовано в биологии, медицине, в контроле технологических процессов„

Известен пол рографический способ определени  кислорода в биологических и других объектах, основанный на реакции электрохимического восстановлени  молекул рного кислорода в диффузионном режиме.

СущественнЬши недостатками пол рографического определени  кислорода  вл ютс  погрешность, вносима  собственным потреблением кислорода датчиком в процессе измерени , зависимость показаний датчика от динамического состо ни  исследуемой среды, инерционность измерени , обусловленна  диффузией молекул кислорода к индикаторному злектроду. Указанные недостатки частично устран ютс  при использовании, весьма малой поверхности индикаторного электрода датчика и импульсных методов пол ризации.При этом одновременно ухудшаютс  такие важные характеристики датчика как ста бильность и воспроизводимость.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  конденсаторный способ определени  кислорода в жидких средах по спаду напр жени  во времени на обкладках ко нденсатора, разр жающегос  на электродной системе датчика. Измер ют Напр жение на обкладках конденсатора через 10 с после начала разр да. Данный способ  вл етс  разновидностью токовых способов измерени , так как ток разр да конденсатора в электродной цепи датчика обеспечиваетс  электрохимической реакцией восстановлени  кислорода, и несмотр  на то, что суммарное потребление кислорода в этом случае меньше, чем при пол рографическом определении , все перечисленные вьше недостатки , присущие пол рографическому методу определени  кислорода, в конденсаторном методе также сохран ютс .

Целью способа  вл етс  повьш1ение быстродействи , точности и чувствительности измерений.

Указанна  цель достигаетс  тем, что согласно предлагаемому способу электрохимического определени  содержани  молекул рного кислорода в биологических объектах, жидких и газо-

5

0

5

0

5

0

5

0

5

образных средах путем пол ризации индикаторного электрода и измерени  информативного параметра, характари- зуюш;его содержание кислорода в исследуемой среде, индикаторный электрод пол риз тот пр моугольным 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 размыкани  цепи пол ризации измер ют изменение потенциала, или его конечную , или производную потенциала по времени,

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

В услови х разомкнутой цепи в результате адсорбции кислорода на поверхности индикаторного электрода и , образовани  адсорбированного сло  молекул рного кислорода потенциал его сдвигаетс  в положительную сторону. Величина потенциала электрода или величина его сдвига, зарегистрированные за определенный отрезок времени, служат мерой содержани  молекул рного кислорода в исследуемом объекте. При этом процесс измерени  содержани  кислорода включает в себ  по крайней мере две последовательные стадии: пол ризацию (вьщержку) при рабочем потенциале и собственное измерение информативного параметра при разомкнутой цепи.

Известно также устройство дл  электрохимического анализа, содержащее электрохимический датчик с электродами и измерительную схему с усилител ми .

Данное устройство не позвол ет проводить интегрирование кривых спада тока после разрыва цепи пол ризации в заданные промежутки времени.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  устройство дл  электрохимического определени  содержани  компонентов , включающее электрохимический датчик с индикаторньм и вспомогательным электродами, регулирующий усилитель, ко входу которого подключен источник задаваемого напр жени  , и цепь отрицательной обратной св зи

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

С помощью данного устройства нельз  реализовать предложенный способ из-за отсутстви  программного задающего устройства. Кроме того, велика погрешность (40%) и врем  получени  (2-3 ч) информативной величины.

Дл  осуществлени  способа известное устройство, включающее электрохимический датчик с индикаторным и вспомогательным электродами, регулирующий усилитель, к входу которого подключены источник задаваемого напр жени  и цепь отрицательной обратной 20 тервала потенциалов, св зи с вспомогательного электрода, выход которого соединен с вспомогательным электродомi согласующий усилитель , вход которого подключен к вспомогательному электроду, а выход - 25 к блоку измерени , дополнительно снабжено программным задающим блоком и двум  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 ки  потенциала индикаторного электроду регулирующего усилител , первый коммутирующий элемент, управл емый программным задающим блоком, включен между выходом регулирующего усилител  и вспомогательным электродом, второй коммутирующий элемент включен между согласующим усилителем и блоком измерени , а блок измерени  содержит последовательно соединенные блок запоминани  и хранени  напр жени  и вьиитающий блок, один вход которого соединен с выходом программного задающего блока, а другой - с выходом блока запоминани  и хранени .

С помощью введенных блоков производ т предварительную очистку поверхности электрода и разрьш цепи пол ризации и регистрацию зависимости потенциала электрода во времени.

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

Устройство включает .источник 1 задаваемого напр жени , программный

да.

Согласующий усилитель 11  вл етс  усилителем с коэффициентом передачи, равным единице, и осуществл ет функ35 цию согласовани  цепи вспомогательного электрода с блоком измерени  и позвол ет регистрировать потенциал исследуемого электрода стандартными приборами.

40 Регулирующий усилитель 6 присоединен к вспомогательному электроду через .коммутирующий элемент 10, а блок 13 запоминани  и хранени  напр жени  - к выходу согласующего уси45 лител  11 через комм.утирующий элемент 12.

Дл  сред, в которых потенциал вспомогательного электрода при пол 50 ризации не остаетс  посто нным во времени, используетс  трехэлектрод- на  схема измерени . В этом случае с целью включени  сравнительного электрода (не показан) вход согласую55 щего усилител  I 1 подключаетс  к сравнительному электроду, а выход согласующего усилител  - к входу регулирующего усилител  6 через сопротивление 5. Принцип действи  схемы аналозадающий блок 2, масштабирующие сопротивлени  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 запоминани  и хранени  напр жени , вычитакщий блок 14, регистратор (не показан).

Программный задающий блок осуществл ет программированную предварительную очистку поверхности индика- торноРо электрода, параметры которой (амплитуда, длительность, пол рность ) определ ютс  природой электрохимической системы и характером процесса , протекающего в выбранном интервала потенциалов,

Регулирующий усилитель 6 выполн ет функцию, электронного регул тора и сумматора внешних воздействий.Вместе с электрохимическим датчиком 7, программным задающим блоком 2 и масш- табирунщими сопротивлени ми 3, 4 и 5 регулирующий усилитель 6 образует систему автоматического регулировада .

Согласующий усилитель 11  вл етс  усилителем с коэффициентом передачи, равным единице, и осуществл ет функцию согласовани  цепи вспомогательного электрода с блоком измерени  и позвол ет регистрировать потенциал исследуемого электрода стандартными приборами.

Регулирующий усилитель 6 присоединен к вспомогательному электроду через .коммутирующий элемент 10, а блок 13 запоминани  и хранени  напр жени  - к выходу согласующего усилител  11 через комм.утирующий элеент 12.

Дл  сред, в которых потенциал вспомогательного электрода при пол ризации не остаетс  посто нным во времени, используетс  трехэлектрод- на  схема измерени . В этом случае с целью включени  сравнительного электрода (не показан) вход согласующего усилител  I 1 подключаетс  к сравнительному электроду, а выход согласующего усилител  - к входу регулирующего усилител  6 через сопротивление 5. Принцип действи  схемы анало 513

гичен принципу действи  устройства дл  двухэлектродного датчика.

Способ осуществл етс  следующим образом.

В исходном состо нии коммутирующие элементы 10 и 12 замкнуты. Посредством программного задающего блока в течение 0,01-0,1 с осуществл етс  электрохимическа  программированна  очистка поверхности индикаторного электрода. После окончани  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 пол ризации индикаторного электрода и на выходе согласующего усилител  I1 регистрирует- с .зависимость изменени  потенциала индикаторного электрода от времени . В заданный момент времени в -течение от 10 мс до I с по сигналу с программного задающего блока размы- каетс  коммутирующий элемент 12 и блок 13 запоминани  и хранени  напр жени  запоминает значение напр жени , 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 регистрируетс .

Пример. Содержание молекул рного кислорода определ ли .в физиоло- гическом растворе (9% NaCl) по двух- электродной схеме измерени  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 представл л собой торец 0,02 мм платиновой проволоки с поверхностью , уплотненной в стальную иглу диаметром 1 мм. Раствор насьшщлс  газовой смесью известного состава при перемешивании в течение 5 мин при скорости протека- ни  газа 0,2 л/мин. Электрод предварительно рчшцали 0,1 с путем наложени  ступенчато измен ющегос  потенциала в интервале -0,1 - 1,8 В, выдерживали при потенциале О,28 или -0,7 В по хлорсеребр ному электроду сравнени  в течение 50 мс, цепь размыкали и через заданный интервал времени , равный 10 мс, измер ли информативный параметр на цифровом вольтметре . В широком интервале содержани  кислорода в растворе 9% NaCl (от О до 100%) имеет место пр молинейна  зависимость (фиг,2),

Точность .предлагаемых способа и устройства -1-2% от определ емой 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 пор дка - 10 с.

Уменьшение собственного потреблени  кислорода позвол ет уменьшить вли ние динамического состо ни  среды , что в свою очередь позв ол ет проводить измерени  в двийсущихс  средах j биологических объектах с малым .содержанием кислорода (ткан х, клетке, крови), изучать кинетику быстропроте- кающих процессов с участием кислоро- да, автоматизировать контроль и управление технологическими процессами .

4z

${/iJ

Claims (2)

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 прямоугольным импульсом, выдерживают при рабочем потенциале выдержки в облас-. ти ионизации кислорода - 0,1...

+1,23 В против равновесного водород ного электрода в том же растворе, цепь размыкают и через заданный промежуток времени после размыкания цепи поляризации измеряют изменение потенциала или его конечную величину, или 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, регулирующий 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 согласующим 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.