Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы исследования качества продуктов питания. Учебное пособие
.pdf
Показатели оценивают в следующей последовательности.
Внешний вид. Исследуют прозрачность, окраску, цвет,
осадок, текучесть.
Прозрачность. Бокал помещают между источником света и
глазом, но не на одной линии, так как этот показатель
определяется не прохождением лучей через вино, а их
отражением взвешенными частицами.
Красные вина при обычных условиях непрозрачны,
поэтому при их анализе используют дополнительные источники
света: свечи, электрические лампочки.
Наличие осадка в бутылке и его характеристику
определяют визуально.
Текучесть изучают переливанием или вращением вина в
бокале.
Окраску (цвет) определяют при естественном освещении
на белом фоне. Лампы дневного света искажают окраску
образца. Слегка наклоненный дегустационный бокал ставят на
белую скатерть или на лист белой бумаги. Свет должен падать
со стороны, так как окраску определяют по цвету отраженных
лучей. Необходимо следить, чтобы окраска не изменялась от
цвета находящихся поблизости предметов и поверхности стола.
При анализе вкуса вина определяют его качество,
сложение, интенсивность послевкусия, наличие особых оттенков
и типичность. Небольшое количество вина (6-7 см3) берут в рот,
оставляют сначала в передней части ротовой полости, фиксируя
вкусовые особенности кончиком и краями языка. Затем вино
перемещают во рту для улучшения контакта со всей
поверхностью языка. После первых впечатлений о вкусовых
свойствах втягивают небольшое количество воздуха через рот,
вызывая тем самым интенсивное испарение вина, усиливая и
дополняя вкусовые ощущения. Время нахождения вина во рту
не должно превышать 5-8 с. При необходимости делают
повторное определение.
231
11. СЕНСОРЫ. ХИМИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ.
БИОСЕНСОРЫ
Под сенсорами понимают аналитические устройства,
дающие прямую (без фиксированного объема пробы и ее
подготовки) информацию о химическом составе окружающей
датчик среды в непрерывном режиме и с малым временем
отклика. Они обычно связаны с сиcтемами накопления или
отображения информации, средствами оповещения и даже с
системами ликвидации аварийных ситуаций. Классическим
примером сенсорного устройства (химического сенсора) можно
считать стеклянный электрод. В то же время этот электрод
можно использовать в качестве преобразователя для
изготовления биосенсора, если в приэлектродном прост-ранстве
иммобилизовываются (закрепляются) различные биологические компоненты.
Аналитический сигнал в сенсорах возникает в результате
взаимодействия определяемого компонента с чувствительным
слоем, содержащим специфические химические (биохимические) вещества (химический или биохимический чувствительный слой). В результате такого взаимодействия
происходит изменение свойств чувствительного слоя (ЧС). Это
изменение свойств ЧС представляет собой аналитический
сигнал, причем интенсивность сигнала должна быть
пропорциональна концентрации анализируемого (анализируемых) вещества. Чувствительный элемент находится в
непосредственном контакте, либо встроен в преобразователь,
который преобразует реакцию ЧС на специфическое внешнее
воздействие (химическое или физическое) в удобный для
регистрации и обработки сигнал.
Под биосенсорами понимают аналитические устройства,
использующие биологические материалы для "узнавания"
определенных молекул и выдающие информацию об их
232
присутствии и количестве в виде электрического сигнала.
Считается, что биосенсоры, принцип работы которых основан
на биохимическом взаимодействии чувствительного слоя из
биологических компонентов (целых организмов, тканей, клеток,
ферментов и их компонентов, рецепторов, антител,
нуклеиновых кислот) с определяемыми веществами, являются
разновидностью химических сенсоров. Однако это мнение не
устоялось, хотя между химическими сенсорами и биосен-сорами
много общего.
Как видно, сенсор включает в себя датчик, находящийся в
контакте с преобразователем (трансдьюсером). Датчик
"распознает" в сложной смеси веществ определенное
соединение (соединения). Это отражается на появлении
(изменении) в ЧС какого-либо свойства, например, изменении
рН. Это свойство регистрируется преобразователем. Сигнал
преобразователя фиксируется электронной системой
регистрации сигнала, обрабатывается микропроцессором (ЭВМ)
и, как правило, выдается в виде цифровой и графической
информации о составе анализируемой смеси.
В технологии химических сенсоров и биосенсоров используются физико-химические преобразователи различных типов:
электрохимические (потенциометрические, амперометрические, кондуктометрические), оптические (спектрофотометрические, люминесцентные), электрические
(полупроводниковые на основе оксидов металлов,
ионселективные полевые транзисторы), калориметрические,
чувствительные к изменению массы (пьезоэлектрические,
поверхностно-акустические). Тип преобразователя определяется особенностью реакции, происходящей в чувст-вительном
слое сенсора. Невозможно найти какой-либо один,
универсальный преобразователь на все возможные
определяемые вещества.
233
Большая часть как химических, так и биосенсоров
п р е о б р а з о в а т е л ь
б и о д а т ч и к
с м е с ь
у з н а в а н и е
э в м
основана на использовании амперометрических преобразователей типа кислородного электрода Кларка (02-электрод). В
качестве элемента химического сенсора он может
использоваться для непосредственного измерения содержания
кислорода, например, в ферментере или сточной воде. Если же
на электрод Кларка иммобилизовывают биологический
компонент, например, микроорганизмы, можно получить один
из типов биосенсора (рис.11.1).
и с с л е д у е м а я
Рис. 11.1. Схема типичного биосенсорного анализатора
234
С и с т е м а
р е г и с т р а ц и и с и г н а л а
Ц и ф р о в а я и н ф о р м а ц и я о
с в о й с т в а х и с с л е д у е м о й
с м е с и
.
Отличительной особенностью сенсорных анализаторов от
классических методов физико-химического анализа
(хроматография, спектральные и другие методы) является то,
что для них методика определения вещества (группы веществ)
заложена в техническом решении самого прибора. При внешней
конструкционной простоте сенсорные анализаторы являются
чрезвычайно наукоемкими техническими продуктами.
Актуальность использования биосенсоров связана с тем,
что биохимические технологические процессы широко
применяются в фармацевтической и пищевой промышленности,
очистке сточных вод различных производств и коммунальных
хозяйств, энергетике. Кроме того, они находят широкое
применение в клинической диагностике.
Выбор биологических компонентов в качестве основы ЧС
определяется как специфичностью отклика по отношению к
определяемым веществам, так и экономическими соображениями. В тех случаях, когда это возможно, дорогостоящие
ферменты заменяют на другие биологические компоненты.
Наибольшее развитие получили ферментные и клеточные
биосенсоры.
Ферментативный катализ обеспечивает широкие
возможности селективного определения разнообразных веществ
(глюкозы, аминокислот, сахаров, пирувата, мочевины и других
соединений) биосенсорами (ФБ). Наиболее часто используемые
преобразователи в (ФБ) – электрохимические, в первую очередь,
амперометрические, основанные на измерении силы тока. Такой
вариант конструирования сенсора реализуется при условии, что
либо субстрат, либо продукт ферментативной реакции
электрохимически активен. Это означает, что они способны
быстро и по возможности обратимо окисляться или
восстанавливаться на электроде при наложении на него
соответствующего потенциала. Например, в биосенсоре на
235
глюкозу с использованием фермента глюкозооксидазы
протекает следующая реакция:
Глюкоза + О
→ Глюконолактон + Н
2
→ Глюконовая кислота
2О2
+ Н2О
Электрохимическое детектирование этой реакции можно
проводить путем регистрации тока восстановления кислорода
или перекиси водорода. При этом в оптимальных условиях
величина тока пропорциональна концентрации глюкозы в
растворе.
При иммобилизации (например, за счет адсорбции на
металлах, керамике, полимерах) ферменты, как правило,
сохраняют свою структуру и каталитическую активность. В
амперометрических биосенсорах фермент, кроме того,
проявляет электрокаталитическую активность, ускоряя процесс
обмена электронами между субстратом и электродом.
Электрокаталитический транспорт электронов может быть
осуществлен несколькими путями. В первом из них перенос
электронов протекает с помощью диффузионно-подвижного
низкомолекулярного переносчика электронов – медиатора. В
качестве медиаторов используют, например, ферроцен (η
5
бис(циклопентафенил) железо), его производные, N,N,N,Nтетраметил-п-фенилендиамин и другие. Медиатор должен быть
специфическим субстратом фермента и быть электрохимически
активным на электроде из данного материала. Этот механизм
транспорта электрона широко используется для проведения
электрохимических ферментативных реакций.
Во втором способе происходит прямой электрокаталитический перенос электронов между электродом и
активным центром фермента. Например, электроды из
различных материалов, на которых иммобилизованы
медьсодержащие оксидазы (лакказы из P
oluporoz versicolor), в
кислородсодержащей атмосфере приобретают потенциал,
-
236
близкий к термодинамически равновесному потенциалу
кислорода. При этом происходит перенос электронов из
электрода на активный центр фермента. Электрокаталитическое
восстановление пероксида водорода в присутствии
иммобилизованной пероксидазы также может протекать по
этому механизму.
В третьем способе электрокаталитический транспорт
электронов в биосенсорах происходит при включении
ферментов в органические полупроводники (органические
металлы). При этом наблюдается перенос электронов между
активным центром фермента и доменами в полупроводнике. Все
эти механизмы транспорта электронов активно используются
при конструировании биосенсоров.
Классические потенциометрические ферментные
биосенсоры представляют собой комбинацию ионселективных
электродов (ИСЭ) с иммобилизованным (нерастворимым)
ферментом, который обеспечивает высокую селективность и
чувствительность определения конкретного субстрата.
Достоинствами таких сенсоров являются простота оборудования
(требуется только рН-метр, самый распространенный прибор в
аналитической лаборатории), низкая стоимость, доступность
большого числа хороших и надежных базовых ИСЭ.
Для конструирования ферментных электродов в
зависимости от определяемого субстрата и применяемого для
этих целей фермента используют различные ИСЭ. Так,
определения мочевины, аминокислот, глутамина, глутаминовой
кислоты, нитритов, креатинина проводят с использованием NН
-селективного электрода, на который иммобилизованы
ферменты лиазы, деаминазы. Мочевину и аминокислоты можно
определять с помощью СО2-селективного электрода при
использовании в качестве ферментов декарбоксилаз.
Пенициллин, РНК и ДНК, глюкозу обычно определяют с
помощью стеклянного электрода. Ферменты в этом случае
3
237
должны катализировать реакции, протекающие с изменением
рН. Иодид- и цианид-селективные электроды применяют для
определений холестерина, спиртов, глюкозы, аминокислот,
амигдамина и других веществ.
В потенциометрическом ферментном электроде
чувствительный элемент действует подобно батарее,
генерирующей разность потенциалов, которую измеряют
относительно электрода сравнения в условиях нулевого тока. Их
основным преимуществом по сравнению с амперометрическим
вариантом является отсутствие расхода вещества.
Следовательно, массоперенос для них не имеет особого
значения. Такие сенсоры, однако, имеют и серьезные
недостатки. Во-первых, точную информацию о концентрации
вещества в растворе можно получить, если на поверхности
электрода устанавливается термодинамическое равновесие. Для
этого нужно, чтобы электродные процессы были быстрыми. Это
существенно ограничивает число систем, которые можно
использовать в качестве индикаторных электродов. Во-вторых,
зависимость концентрации анализируемого вещества С от
величины потенциала электрода является экспоненциальной
lnC = const + nEF/RT). Поэтому даже небольшая ошибка при
(
измерении потенциала может привести к значительной
погрешности определения концентрации вещества. Например,
для электродной реакции с участием одного электрона
погрешность измерения потенциала в 10 мВ приводит к 19%ной погрешности для величины С.
Важность практического применения ферментных
биосенсоров можно рассмотреть на ряде примеров. Точное и
быстрое определение глюкозы важно при наблюдении больных
сахарным диабетом, а также в технологическом контроле
процессов микробиологической и пищевой промышленности.
Для инсулинзависимых больных, например, относительное или
полное отсутствие инсулина приводит к тому, что концентрация
238
глюкозы в крови превышает допустимые в норме узкие пределы
(около 3,5 – 5 мМ/л натощак). Хотя периодические инъекции
инсулина сохраняют жизнь и в значительной степени
предотвращают симптомы острой гипергликемии, они все же не
могут поддерживать уровень глюкозы в крови на
недиабетическом уровне. Иногда содержание глюкозы падает до
слишком низких величин (возникает гипокликемия). Она
оказывает существенное воздействие на ткани глаз, почек и
кровеносных сосудов. Ключевой стадией в решении этой
проблемы является возможность непрерывного мониторинга
содержания глюкозы in vivo. Одним из наиболее оптимальных
вариантов решения этой проблемы оказалось использование для
контроля содержания глюкозы в организме пациента
глюкозного сенсора игольчатого типа. При изготовлении
сенсора на конце кислородного датчика диаметром 0,6–0,8 мм
иммобилизовывают глюкозооксидазу в диацетилцеллюлозной
мембране. Этот игольчатый сенсор, имплантированный
подкожно, в сочетании с микропроцессорной системой, двумя
шприцевыми системами для иньекции инсулина и глюкогена, а
также литиевых батареек составляет "носимую искусственную
поджелудочную железу" для непрерывной и плавной коррекции
содержания глюкозы в организме. Диапазон линейности отклика
биосенсора составляет 1–15 мМ/л. Эта система позволяет
правильно регулировать гликемию у больных диабетом в
течение 6 дней и более без замены игольчатого сенсора.
При замене фермента глюкозооксидаза,
иммобилизованного в ацетилцеллюлозную мембрану, на
галактооксидазу можно проводить избирательные определения
галактозы и лактозы в различных объектах. Галактоза служит
альтернативным источником углеводов и улучшает
гомеостатическую регуляцию глюкозы у недоношенных детей.
В то же время в избыточных количествах галактоза может
оказывать токсическое действие, поэтому необходимы
239
чувствительные методы контроля детского питания. Контроль
лактозы в пищевых продуктах также имеет важное значение,
поскольку ее содержание указывает на количество добавленного
в детское питание порошкового молока.
Концентрация мочевины в крови является важным
параметром при клинических исследованиях как показатель
функции почек. Амперометрические биосенсоры на мочевину
содержат комбинацию уреазной мембраны с нитрифицирующими бактериями, которые метаболически продуцируют
аммиак и расходуют кислород.
Проблема холестерина является одной из важнейших в
медицине, поскольку существует четкая связь между его
концентрацией в плазме крови и частотностью сердечнососудистых заболеваний. Ферментный электрод для
определения концентрации свободного холестерина содержит
холестериноксидазу, иммобилизованную на поверхность
коллагеновой мембраны или на нейлоновой сетке. Для анализа
используется 37 мкл пробы крови.
Определение концентрации этилового спирта в крови при
судебно-медицинской экспертизе, контроль качества пищевых
продуктов или ферментационных процессов (например, в
производстве пива) проводится с использованием сенсоров,
чувствительных к спирту. В качестве фермента используют
иммобилизованную алкогольоксидазу, катализирующую
окисление первичных спиртов по реакции
-CH2OH + O
R
→ R-CHO + H
2
2О2
Такой сенсор можно использовать для непрерывного
анализа бродильных растворов (пивоварение, изготовление
лимонадов и др.).
Важным тестом при диагностике и классификации
гиперлипидемии (фактора риска сердечно-сосудистых заболеваний) является анализ на сывороточные триглицериды.
240
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]