Ионоселективные электроды и их применение в медико-биологических исследованиях.

Протекание многих процессов в живом организме связано с изменением активности ионов в биологических тканях и жидкостях. В настоящее время одним из основных методов определения активности ионов в биологических объектах является потенциометрия (ионометрия). Он основан на свойстве ионоселективных электродов отвечать изменением величины электродного потенциала на изменение активности ионов в анализируемых пробах в соответствии с уравнением Нернста E=E±((RT)/(nF))·lna_A-(K+).

Принципиальной особенностью метода является то, что он позволяет определять активность ионов на фоне их общего содержания. Ионоселективные электроды – это полуэлементы, в которых разница потенциалов на границе раздела фаз «электропроводный материал – электролит» зависит от активности определяемого иона в растворе. Конденсированная фаза в этих электродах является мембраной, по природе которых проводят классификацию ионоселективных электродов. Различают твердые, жидкостные и пластифицированные (пленчатые) электроды.

К электродам с твердой мембраной относятся, прежде всего, классический – стеклянный рН-электрод. Наряду с ним разработаны стеклянные электроды, чувствительные к однозарядным катионам щелочных металлов, NH₄⁺, Ag⁺ и др. Устройство этих электродов сходно с классическим. Если в рН-электроде шарик заполняется 0,1М раствором HCl, то в натриевом – 0,1М раствором NaCl, в калиевом – 0,1М раствором KCl и т.д. Шарик в ионоселективных электродах изготовляется из специальных сортов стекла (содержащих Li₂O, Na₂O, K₂O, Al₂O₃, SiO₂), избирательное действие которых к тому или иному иону зависит от количественного соотношения указанных компонентов.

В жидкостных электродах в качестве ионочувствительной мембраны используют раствор электродноактивного соединения (комплексы катионов и анионов с ВМВ) в органическом растворителе (октиловый и дециловый эфиры фосфорной кислоты и др.)

Платифицированные электроды подобны жидкостным, но активную фазу закрепляют в поливинилхлоридной матрице (ПВХ).

Электродные потенциалы на ионоселективных электродах согласно теории Б.П. Никольского возникают за счет ионного обмена между поверхностным слоем мембраны и исследуемым раствором. Схематично этот процесс для рН-электрода можно представить следующим образом: стекло-Na⁺+H⁺_(раств)стекло-H⁺+Na⁺_(раств).

Ионный обмен между твердой и жидкой фазами, происходящий при погружении электрода в исследуемый раствор, идет до установления равновесия в системе «ионоселективный электрод – исследуемый раствор». При этом на электроде возникает электродный потенциал, величина которого зависит от активности определяемого иона в жидкой фазе.

Для определения активности ионов в анализируемых пробах составляют гальваническую цепь, состоящую из электрода определения (ионоселективного), погруженного в исследуемую пробу, и электрода сравнения (хлорсеребрянного). Схемы гальванических цепей можно представить следующим образом:

а) гальваническая цепь для определения рН: стеклянный pH-электрод|исследуемый раствор, a_H+-?||AgCl, KCl_насыщ|Ag

б) гальваническая цепь для определения активности ионов Na⁺: натриевый ионселективный электрод|исследуемый раствор, a_Na+-?||AgCl, KCl_насыщ|Ag

Ионоселективные электроды предварительно калибруют по стандартным растворам. Стеклянный рН-электрод – по буферным растворам. Натриевый и калиевый ионоселективные электроды – по растворам соответственно NaCl и KCl известных концентраций. Для этого гальваническую цепь подключают к рН-метру или ионометру. Измерив ЭДС гальванической цепи, строят калибровочные графики (рис. 1 - по верт. – ЭДС, мВ; значения от 0 до –200; по горизонт. – а_Na+; значения от 10^-4 до 10^-1; прямая от –140 под углом 45 градусов; название - калибровочный график для определения активности ионов Na.; рис. 2 – по верт. – ЭДС, мВ; по горизонт. – pH. Из 0 прямая под углом 45 градусов; называется калибровочный график для определения рН (общий вид)), по которым определяют либо активные концентрации, либо показатели ионов (рН, pNa, pK и т.д.)

В потенциометрах и ионометрах эти калибровочные графики для однозарядных ионов представлены шкалой приборов в единицах рИОН (рН, pNa, pK и др.). При исследовании разбавленных растворов однозарядных ионов зачастую по шкале приборов определяют показатели ионов (рН, pNa, pK и т.д.), а затем рассчитывают активные концентрации ионов по формуле рИОН=–lga_ион, напр., рИОН=–lga_K+. При определении активности многозарядных ионов используют только калибровочные графики.

Установлено, что на функцию ионоселективных электродов оказывают влияние различные факторы: рН среды, наличие минеральных и органических веществ в анализируемых пробах и др. Это учитывают при исследовании биологических объектов. Преимущества ионометрии (простота и быстрота определения, небольшие объемы проб и т.д.) способствуют в настоящее время ее широкому использованию в медико-биологических исследованиях.

Потенциометрический метод с использованием ионоселективных электродов находит широкое применение при исследовании биологических жидкостей (сыворотка крови, цельная кровь, желудочный сок, моча, слюна и т.д.), тканей организма, анализе пищевых продуктов, питьевых и сточных вод, атмосферного воздуха и т.д. Этот метод позволяет проводить локализованное определение активности ионов на отдельных участках кожи и внутри клеток.

Определяя рН в биологических жидкостях можно судить о скорости энергетических процессов в организме (окислительное фосфорилирование, гидролиз АТФ). Измерение рН желудочного сока имеет диагностическое значение для установления желудочных заболеваний (язва, ахилия). По рН крови судят о кислотно-щелочном равновесии в организме.

Благодаря применению ионометрии было установлено, что повышение активности ионов Na⁺, K⁺ в смешанной слюне человека является неблагоприятным признаком, свидетельствующим о снижении минерализующего потенциала слюны. Определение a_K+ и a_Na+ в слюне человека в процессе адаптации организма к новым климато-географическим условиям Западной Сибири позволило установить появление функциональных патологических изменений в деятельности слюнных желез. Этот метод используется также для оценки эффективности некоторых средств, применяемых для лечения ранних стадий кариеса зубов. Предложено использовать определение pNa и pKв слюне человека в качестве теста на соматические заболевания (напр., на вирусный гепатит).