1.2. Детекторы для определения химического состава среды
В
настоящее время разработаны электроды
для определения
рН, окислительно-восстановительного
потенциала (Eh),
парциального
давления растворенного кислорода и
СО2,
которые можно подвергать неоднократной
стерилизации паром на месте установки.
Чаще других применяют рН-электроды,
отличающиеся высокой надежностью;
обычно в качестве рН-электрода применяют
стеклянный мембранный электрод.
На рис. 2 изображено устройство рН-электрода, предназначенного для контроля процесса стерилизации в автоклаве. Электроды, стерилизуемые на месте установки, должны быть заключены в чехол, защищающий их от повышения давления. Окислительно-восстановительный потенциал среды можно измерять платиновым электродом в сочетании с электродом сравнения. Имеются и комбинированные зонды для определения рН и окислительно-восстановительного потенциала. Неоднократно показано, что рН влияет на кинетику биохимических превращений, поэтому необходимость измерения рН очевидна. Напротив, интерпретация результатов определения окислительно-восстановительных потенциалов и выяснение взаимосвязи между окислительно-восстановительным потенциалом и активностью клеток могут вызывать затруднения.
РИС. 2. Комбинированный электрод типа Ingold 465 для определения рН, выдерживающий стерилизацию паром в автоклаве. (С любезного разрешения Ingold Electrodes Inc.)
Одной из перспективных областей применения электродов для измерения окислительно-восстановительных потенциалов является определение низких концентраций кислорода (<1 млн-1) в анаэробных микробиологических процессах (—450 мВ<Eh<—150 мВ), когда скорость образования продукта может быть очень чувствительной к изменению Eh.
Для определения концентрации растворенного кислорода применяют гальванические (потенциометрические) или полярографические (амперометрические или электрод Кларка) зонды. По сути дела, эти электроды измеряют не концентрацию растворенного кислорода, а его парциальное давление (или активность). И в первом, и во втором зонде собственно электрод обычно отделен от среды мембраной (рис. 3), а на поверхности катода осуществляется восстановление кислорода
Катод:
(1)
Реакция на аноде в гальваническом электроде:
Анод (гальванический электрод):
(2)
Катод и анод образуют гальванический элемент, напряжение которого зависит от количества кислорода, достигающего поверхности электрода. В кислородном электроде полярографического типа на катоде также происходит реакция (1), а на аноде осуществляется другой процесс
Анод (полярографический):
(3)
М
ежду
катодом и анодом устанавливают постоянное
напряжение и измеряют силу тока, которая
зависит от притока кислорода к катоду.
Недостатком
как первого, так и второго электрода
является дрейф сигнала
(силы тока или напряжения), обусловленный
накоплением гидроксильных ионов или
ионов металла или
истощением Cl-.
РИС. 3. Устройство и основные элементы электрохимического зонда для определения парциального давления растворенного кислорода. (Воспроизведено с разрешения из работы: Wang N. S., Stephanopoulos G., Computer Application to Fermentation Processes, ORG Critical Reviews in Biotechnology, vol. 2, p. 1. © CRC Press, Inc., 1974.)
Дрейфу способствует также загрязнение наружной поверхности мембраны.
В стационарном состоянии приток кислорода к катоду зависит от ряда процессов переноса, включая перенос кислорода из жидкой фазы к наружной поверхности мембраны, диффузию через мембрану и, наконец, диффузию через раствор электролита к поверхности катода, где реакция происходит практически мгновенно. Если общая скорость переноса, а, следовательно, и концентрация кислорода вблизи катода лимитируется первой стадией, то сигнал электрода будет зависеть от свойств жидкой фазы (например, от ее вязкости) и локальных гидродинамических условий вблизи электрода. По этой причине, в частности, рекомендовалось, чтобы скорость движения жидкости вблизи полярографического электрода была не менее 0,55 м/с. Чувствительность сигнала электрода к переносу через наружный граничный слой можно снизить за счет применения менее проницаемой мембраны. Однако в этом случае увеличивается запаздывание отклика электрода на изменение парциального давления кислорода, которое в случае мембранных электродов и без того довольно велико (10—100 с). В то же время, как показано в приведенном ниже примере, такие электроды можно применять и для изучения процессов массопереноса в биореакторах в переходном состоянии, если при анализе данных учитывать диффузию через мембрану электрода.
Для определения специфических компонентов жидкой фазы разработан ряд биодетекторов (биосенсоров). Принцип действия биосенсоров заключается в определении с помощью того или иного аналитического устройства конкретного продукта реакции, катализируемой иммобилизованными ферментом или клетками. Широко изучаются также ферментные терморезисторы, в которых с помощью калориметра определяется количество теплоты, выделяющейся в процессе катализируемой ферментом реакции. В табл. 1 перечислены некоторые определявшиеся этим методом соединения и соответствующие ферменты.
Иммобилизованные ферменты можно применять и в биосенсорах других типов, например в таких, в которых продукты реакции (водород) изменяют электронную проводимость полупроводниковых устройств (кремниевых кристаллов, на которые нанесен слой SiO2 и пленка Pd).
Сферу применения биосенсоров можно существенно расширить за счет использования различных биохимических превращений, в том числе многостадийных и разветвленных реакций, в результате которых образуется детектируемое вещество. Во многих случаях с помощью иммобилизованных клеток анализируемое соединение можно превратить в более подходящее для непосредственного определения соединение. В основу разработки и применения биосенсоров с иммобилизованными клетками была положена дыхательная активность интактных иммобилизованных клеток (определение с помощью кислородного электрода), а также образование или поглощение интактными клетками электроактивных метаболитов (определение с помощью топливного электрода, рН- или СО2-электродов).
Таблица 1. Примеры применения ферментных терморезисторов в аналитической химииа
В табл. 2 приведены свойства ряда биосенсоров на основе иммобилизованных клеток; подробнее подобные аналитические устройства.
Таблица 2. Микробиологические детекторы для определения компонентов жидкой фазы
