6.5.2. Биосубстраты в качестве объектов исследования

Для удобства дальнейшего описания представляется целесообразным еще раз обратить внимание на понятие биологической пробы (биопроба, БП_ИС) как некоторого количества биологического материала (биосубстрата), взятого из любой исследуемой среды (ИС), будь то Внутренняя Среда организма человека или некий источник вещества из Окружающей Среды. Фрагменты ИС, входящие в биопробу – биосубстраты ‑ отличаются высокой сложностью, разнообразием физических и физико-химических свойств, изменчивостью под влиянием внешних факторов и другими характеристиками, превращающими их исследование в не простую аналитическую задачу. Они представляют собой, как правило, многокомпонентные, часто многофазные, тонко структурированные системы, которые очень чувствительны к различным физико-химическим воздействиям. Это создает известную специфику лабораторного анализа и требует применения сравнительно мягких, неразрушающих методов обращения с биопробами.

Исходно биопроба может быть представлена в различных агрегатных состояниях - твердом, жидком или газообразном. Поэтому для выполнения анализа биопробу необходимо поместить в так называемый “реакционный объем” ‑ контейнер, ограничивающей часть пространства, в котором она распределена. В качестве таких контейнеров наибольшее применение нашли различные сосуды из прозрачных материалов (стекло, пластмасса) – колбы, мензурки, кюветы, пробирки, капиллярные трубки и т.п. Эти сосуды определяют внешнюю “оболочку” исследуемой биопробы, за пределы которой биопроба не выходит. Через эту оболочку на нее могут быть поданы внешние воздействия в соответствии с выбранной методикой исследования. Следовательно, к выбору материала для подобных сосудов нужно подходить очень ответственно.

Биопробу практически всегда можно перевести из одного агрегатного состояния в другое, что определяется фазовыми диаграммами перехода (рис. 6. ). Зная такие диаграммы для биологических материалов, можно управлять их агрегатным состоянием и всегда привести исходный материал к оптимальному для его изучения состоянию. Однако пользоваться приемами преобразования агрегатного состояния для биологических материалов следует очень осторожно, чтобы не потерять за счет этого перехода ценную диагностическую информацию.

Несмотря на исключительное разнообразие физических и химических свойств биосубстратов наиболее удобен при лабораторных исследованиях жидкостный объект исследования. Вследствие этого нередко оказывается целесообразным даже анализ твердых и газообразных проб сводить к работе с жидкостными системами, хотя имеются и обратные ситуации, когда биопроба, представленная в жидкой фазе, преобразуется в твердую или газообразную форму[ ]. В связи с этим, далее основное внимание будет уделено характеристике жидкостных объектов, так называемых “жидких биологических сред” (“биожидкостей”).

Классификация физические и физико-химических параметров жидких сред, на регистрации которых построены методы изучения биожидкостей, приведена в Приложении 1. Здесь же отметим лишь основные системные свойства жидких биологических материалов, знание которых позволяет получить более точное представление об этом типе объекта исследований. Существуя в промежуточном диапазоне температур, ниже которого вещество переходит в твердое, а выше - в газообразное состояние, биожидкости сохраняют отдельные свойства, как твердых тел, так и газов.

1. Механические свойства биожидкостей – важнейшие свойства, характеризующие возможности использования технических средств для их исследования.

А. Сжимаемость биожидкостей близка к сжимаемости веществ в твердом состоянии, а коэффициенты диффузии и самодиффузии скорее ближе к значениям, характерным для газов.

Б. Текучесть и упругость, свойства присущие в чистом виде газам и твердым телам, соответственно характеризуют жидкость одновременно. Однако эти два последних свойства проявляются при соответствующих формах силового воздействия на жидкую среду. Жидкостный поток, подчиняется законам гидромеханики, в котором текучесть (величина, обратная вязкости) вуалирует упругие свойства среды. Кратковременные или быстропеременные внешние силы с периодом действия или колебания, соизмеримым и, тем более, меньшим, чем среднее время нахождения молекулы в одном пространственном положении, вызывают упругие деформации жидкости, характеризуемые модулями сжатия и сдвига, как в случае с твердыми телами.

В. При течении реальных жидкостей в них возникают силы внутреннего трения. Для большого класса биожидкостей, так называемых ньютоновских жидкостей, справедлив закон внутреннего трения, линейно связывающий касательное напряжение (напряжение сдвига, напряжение внутреннего трения)  с градиентом скорости потока:

 = ‑dw/dn, (6.1)

где  ‑ динамический коэффициент вязкости; w ‑ скорость потока; n ‑ координата, перпендикулярная к потоку; dw/dn ‑ градиент скорости потока.

Известны и другие, неньютоновские биожидкости, для которых уравнение (6.1) несправедливо. Для таких жидкостей оказывается, что при постоянных температуре и давлении внутреннее трение зависит от их гидромеханической предыстории. Так, например, растворы многих коллоидов, полимеров и суспензий с асимметричными частицами относятся к так называемым псевдопластичным жидкостям, которые характеризуются нелинейным реологическим уравнением:

,

где _к ‑ кажущаяся вязкость; m ‑ константа (0< m < 1).

Различают также вязкопластичные, дилатантные, псевдопластичные, тиксотропные, реопектантые и другие типы жидких сред, к которым относятся и некоторые виды биожидкостей [ ].

Г. Вязкость жидких сред во многом определяет режимы их течения и возникающие при этом сопротивления, что играет важную роль при лабораторных исследованиях с использованием проточных систем, экспресс-анализах и динамических измерениях. Для характеристики движения жидкости обычно вводят еще кинематический коэффициент вязкости:

 = / ,

где  ‑ плотность жидкости.

Вязкость даже чистых жидкостей колеблется в широких пределах. Так, если вязкость воды приблизительно равна 0,1 Па с, то для глицерина .

Для сравнения укажем, что вязкость воды в 50 раз превышает вязкость воздуха и других газов при атмосферном давлении. С увеличением температуры вязкость жидкостей снижается, в то время как вязкость газов, наоборот, возрастает. Различный характер температурных зависимостей вязкостей жидкостей и газов объясняется тем, что внутреннее трение жидкостей обусловлено силами межмолекулярного сцепления, а вязкость газов имеет молекулярно-кинетическую природу.

Д. Для количественной оценки режимов движения широко используется так называемое число Рейнольдса:

_Re=wa/ ,

где а ‑ характеристический размер трубы (например, диаметр), в которой течет биожидкость.

Переходу от ламинарного (струйчатого) к турбулентному режиму движения жидкостей отвечает критическое значение Rе (Rе_кр2320). В прямых гладких трубопроводах при Rе<<Rе_кр течение является устойчиво ламинарным, а при Rе>> 2320 - устойчиво турбулентным. Значения 2320<Rе<10000 характеризуют переходный неустойчиво-турбулентный режим течения. Турбулентный режим движения приводит к стабилизации значений кажущейся вязкости стационарных неньютоновских жидкостей и появлению в их гидромеханическом поведении подобия ньютоновским системам.

2. Особенности теплового движения молекул в биожидкостях проявляются в их оптических свойствах, особенно - спектрах светорассеяния, которые простираются в более длинноволновую область, чем у кристаллов, и имеют дополнительно несмещенную компоненту. Некоторые биожидкости (например, кровь) становятся переносчиками тепла в организме, эти способности характеризуют относительные коэффициенты теплопроводности и терпературопроводности.

(добавить данные по теплопроводности воды и биожидкостей)

3. По типу электропроводности биожидкости принадлежат к проводникам 2-го рода, значительно реже - 3-го рода. Полупроводниковые электрические свойства наиболее изучены только у некоторых биологических структур.

4. Исключительно большое значение при лабораторном анализе имеют межфазовые взаимодействия жидких сред с твердыми материалами и газами (граничное натяжение, возникновение граничных слоев, электрокапиллярные, электрокинетические и другие поверхностные явления). Под действием поверхностных сил поверхности раздела между фазами стремятся к минимуму площади. Для характеристики этого явления вводится величина поверхностного натяжения , которая определяется работой, затрачиваемой на обратимый изотермический процесс образования единицы площади поверхности на границе раздела двух равновесных фаз. Для многокомпонентных систем, когда возможна адсорбция компонентов _k на межфазной границе, поверхностное натяжение определяется уравнением Гиббса:

,

где  - свободная удельная поверхностная энергия; _k - химические потенциалы компонентов.

Высокие значения поверхностного натяжения обеспечивают равновесие объемных фаз без их спонтанного диспергирования. Слияние фаз при критических температурах связано с равенством поверхностного натяжения нулю.

5. Избыток поверхностной энергии, повышенная активность молекул и различные межфазные физико-химические взаимодействия в поверхностном слое приводят к возникновению разнообразных поверхностных явлений. Тенденцией многофазных систем к уменьшению их поверхностной энергии объясняются капиллярные явления, диспергирование, коалесценция (слияние) капелек или пузырьков в эмульсиях и пенах, коагуляция частиц дисперсной фазы в суспензиях, различные виды адсорбции, приводящей к изменению химического состава поверхностного слоя, и др.

6. Не менее важную роль при лабораторном анализе жидкостей играют процессы массопередачи, связанные с переносом вещества в пределах различных фаз и через межфазные границы. Как правило, такие процессы лимитируются диффузией молекул, ионов, атомов, свободных радикалов, частиц дисперсной фазы и зависят от свойств среды, распределяемого компонента, температуры и давления. Величина коэффициента диффузии D определяется в соответствие с первым законом диффузии Фика:

_{M=DStdc/dn ,}

где М - масса продиффундировавшего компонента; S - площадь сечения диффузионного потока; t - время; dс/dn - градиент концентрации диффундирующего компонента.

Так как в случае жидких сред коэффициенты диффузии различных компонентов близки по порядку к величине 10^–10 – 10^–9 м²/с, то для интенсификации массообмена широко используется явление конвекции (конвективный перенос). Суммарная массопередача вследствие диффузии и конвективного переноса получила название конвективной диффузии. Согласно теории конвективной диффузии, конвекция вблизи поверхности твердого тела, соприкасающегося с жидкой средой, затруднена, и преобладает диффузия.

7. Толщина диффузионного пограничного слоя , в котором локализован процесс диффузии, зависит от гидродинамических характеристик системы и коэффициента диффузии диффундирующего компонента. Толщина слоя  при естественной конвекции существенно больше, чем при вынужденной, в то время как величина диффузионного потока при естественной конвекции уменьшается. Изменение скорости конвективного движения от некоторого значения в глубине раствора до нулевого происходит в пределах пограничного гидродинамического слоя толщиной _гр (пограничного слоя Прандтля). В слое Прандтля, характеризующемся повышенной вязкостью, турбулентное движение жидкости сменяется ламинарным. Связь между величинами  и _гр задается выражением:

_=(D/)^m_{гр, (2.8)}

где m = 1/3 для систем жидкость-твердое тело и m = 1/2 для систем жидкость-жидкость и жидкость-газ.

Учитывая порядок величин D и , нетрудно найти, что толщина диффузионного слоя  составляет около 0,1 _гр . А для оценки отношения масс вещества, перемещаемых путем конвективного переноса и диффузии, используют так называемое диффузионное число Пекле:

_Pt=wl/D,

где l - характерный линейный размер.

В качестве меры подобия профиля скорости и концентрации в процессах массопередачи применяют диффузионное число Прандтля:

Рr = Ре/Rе = /D.

8. Очень важен вопрос о химических взаимодействиях, возникающих между компонентами жидких систем и определяющих их физико-химические свойства. Химические связи с энергиями, не меньшими чем энергия теплового движения молекул при комнатных температурах, т. е. 5 кДж/моль, возникают в нескольких реакциях:

- присоединения (аддитационного взаимодействия), которые не сопряжены с глубокими перестройками химической структуры реагирующих компонентов А и В:

mA + nВ  А_m В_n;

- соединения (предельный случай реакции присоединения), приводящие к глубокой перестройке связей и проходящие до конца в силу своей необратимости с образованием нового компонента C:

mА + nB  pC ;

- обменного взаимодействия (реакции нейтрализации, окисления-восстановле­ния, комплексообразования, осаждения) с образованием компонентов С и D :

mА + nВ  рС+qD ;

- ионизации соединений с образованием ионизированных ассоциаций:

А_m В_n  рК ^q++ qL ^{p -};

- электролитической диссоциации когда межионное взаимодействие в ассоциате ослабляется:

[рK^q+] [qL ^{p -}]  pК ^q+ + qL ^{p -};

- ионизации и диссоциации веществ (электролитов) и характеризующиеся константой ионизации или диссоциации:

_,

где а₊, а_- и а - активности катионов, анионов и нейтральных молекул (а_i = С_i f_i , С_i - концентрация компонента; f_i - коэффициент активности), процесс электролитической диссоциации лежит в основе ряда электрохимических методов анализа;

- ассоциативно-диссоциативных связей на молекулярном уровне в зависимости от того, один или оба компонента претерпевают изменение ассоциативного состояния:

A_x + m x S  x A S _m;

n y A_x + x S_y  х y A_n S .

Даже относительно поверхностный анализ общих особенностей жидких биологических сред дает представление об исключительном разнообразии биопроб, с которыми приходится сталкиваться специалисту при выполнении лабораторных исследований. Другие отличия биопроб связаны с их индивидуальными особенностями, которые необходимо рассматривать в каждом конкретном случае.