WWW.ДЕНЬСИЛЫ.РФ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Медицина

 


Pages:     | 1 || 3 |

Комплексное моделирование процесса измерения биохимического потребления кислорода в жидких инкубационных средах

-- [ Страница 2 ] --

Разработанная автором конструкция кислородного датчика с пониженной кислородной емкостью (ПКЕ), представлена на рисунке 1 в одном масштабе с прототипом N5972. Снижение кислородной емкости датчика было осуществлено за счет уменьшения объема электролита, устранения из резервуара гидрофобных материалов и изменению способа крепления датчика к измерительной ячейке, в результате чего складки мембраны, удерживающие газовые пузырьки, были вынесены за пределы ячейки. Дополнительно была увеличена рабочая площадь мембраны, что существенно ускорило обмен кислородом между средой инкубации и кислородной емкостью датчика.

Проверка работоспособности предложенной конструкции показала, что влияние кислородной емкости на результат измерения при использовании датчика ПКЕ стало несколько более выраженным (относительная погрешность увеличилась на 25%) и гораздо более воспроизводимым (CV снизился почти в 4 раза и составил 2,4%). Увеличение систематической ошибки, вносимой кислородной емкостью, на фоне снижения самой кислородной емкости, свидетельствует о том, что задача по увеличению скорости диффузии кислорода между инкубационной средой и емкостью была успешно решена. Об этом же свидетельствует и резкое улучшение воспроизводимости: благодаря высокой скорости диффузии исходное состояние емкости контролировалось гораздо надежнее.

Рис. 1. Особенности конструкции кислородных датчиков N5972 (а) и ПКЕ (б).

1 - катод; 2 - мембрана; 3 - резиновая манжета; 4 - складки мембраны; 5 - стенка измерительной ячейки; 6 - корпус (у датчика ПКЕ одновременно выполняет роль анода); 7 - электролит; 8 - анод.

Второй этап настоящего исследования (изложен в главе 4) был посвящен изучению динамики пассивной диффузии атмосферного кислорода в инкубационную среду открытой измерительной ячейки и разработке метода корректировки результата измерения на поступление кислорода из атмосферы в среду инкубации во время замера.

Для регистрации динамики насыщения измерительной системы атмосферным кислородом измерительную ячейку в исходном кислородном режиме «0» (кислород из системы предварительно удален путем обработки раствором Na2SO3, промывки и продувки азотом) заполняли 3,5 мл инкубационной среды, добавляли 100 мкл имитатора поглотителя (0,01М Na2SO4) и продували азотом до установления нулевых показаний регистратора. После этого продувку прекращали, закрывали ячейку плавающей перегородкой и производили непрерывную регистрацию изменения парциального давления кислорода в инкубационной среде, пока оно не достигало 70% (здесь и далее парциальное давление кислорода в среде выражается в процентах от парциального давления кислорода в атмосфере на момент измерения). Изменение площади контакта инкубационной среды с атмосферой осуществлялось путем размещения на поверхности инкубационной среды плавающих перегородок различного диаметра. Таким образом, в эксперименте использовались три типа ячеек: «открытая» - 183 мм2; «полузакрытая» - 89 мм2 и «закрытая» - 16 мм2.

Усредненные варианты кривых насыщения показаны на рисунке 2. Как видно из рисунка, скорость насыщения инкубационной среды атмосферным кислородом проявляла отчетливую зависимость от площади поверхности раздела фаз.

Рис. 2. Регистрационные кривые насыщения инкубационной среды атмосферным кислородом в открытой (1), полузакрытой (2) и закрытой (3) ячейках (по средним значениям).

Для вычисления поправки к результату измерения потребления кислорода на его диффузию из атмосферы была предложена следующая методика: фрагмент каждой кривой насыщения (30-70%) разбивали на участки (P1; P2; …и т.д.), как показано на рис. 3, каждый из которых соответствовал 2%-ому изменению парциального давления кислорода в среде.

Рис. 3. Схема анализа примерной кривой насыщения.

Для каждого участка определяли время, необходимое для двухпроцентного изменения парциального давления кислорода в среде (t1; t2; …и т.д.). После чего средняя скорость насыщения среды кислородом (%/мин) для каждого из участков Pi рассчитывалась по формуле:

.

В дальнейших вычислениях значение средней скорости рассматривали как мгновенную скорость насыщения при парциальном давлении кислорода в среде . Мгновенную скорость диффузии кислорода в реакционную среду (моль/мин) рассчитывали по формуле:

,

где: a - цена 1% шкалы регистратора (моль/%), которая вычислялась как:

,

где: V - объем инкубационной среды с учетом объема добавки (мл); 2,156 ·10-7 - содержание кислорода в 1 мл дистиллированной воды (моль) при 370С и атмосферном давлении 760 мм рт.ст.; KC и KP - поправочные коэффициенты, которые вычислялись по формулам:

; ,

где: C - концентрация солей в реакционной среде с учетом добавки (г/л); B - атмосферное давление в момент записи кривой насыщения (мм рт.ст.); 760 - нормальное атмосферное давление (мм рт.ст.).

Рис. 4. Зависимость скорости диффузии кислорода из атмосферы в среду инкубации от его парциального давления в среде для открытой (1), полузакрытой (2) и закрытой (3) измерительной ячейки.

Средние значения  для открытой, полузакрытой и закрытой измерительных ячеек представлены на рис.-12 для открытой, полузакрытой и закрытой измерительных ячеек представлены на рис. 4. Как видно из рисунка, сокращение поверхности контакта ведет к заметному снижению скорости диффузии кислорода в среду, но, даже для закрытой ячейки, диффузия кислорода остается фактором, способным заметно влиять на точность измерения количества потребленного кислорода.





Данные, представленные на рис. 4 к сожалению нельзя рассматривать как калибровку измерительной системы из-за невозможности непосредственно откалибровать весь диапазон измерения (от 0 до 100%): во-первых, к моменту начала регистрации парциальное давление кислорода в среде успевает подняться до 5-10%; во-вторых, начиная с парциальных давлений 70-80% для закрытой ячейки наблюдается прогрессирующее искажение кривых насыщения, связанное с испарением воды из среды инкубации, предотвратить которое при температуре 370С в течение более 4 часов регистрации невозможно. Поэтому полученную зависимость преобразовывали в прямую пропорциональность, согласно закону диффузии Фика, с последующей аппроксимацией данных «неполной» калибровки на весь измеряемый диапазон. Для этого данные, представленные на рис. 4 отображали как зависимость скорости диффузии vдиф. от градиента парциальных давлений между атмосферой и средой (%), который вычисляли по формуле:

= 100 - ,

где: 100 - парциальное давление кислорода в атмосфере (%). Для аппроксимации использовались только участки кривых, характеризующиеся выраженной линейностью, на которых искажение сопутствующими факторами сказалось в наименьшей степени (31-61%).

Результаты аппроксимации несколько отклонились от закона диффузии (исходные линии тренда не прошли через начало координат), что на наш взгляд объясняется наличием у измерительной системы собственной кислородной емкости: скорости диффузии, рассчитанные по показаниям прибора, оказались пропорционально занижены из-за частичного оттока кислорода в исходно незаполненную кислородную емкость (для открытой ячейки занижение скоростей диффузии, по-видимому, маскируется за счет активного испарения воды с открытой поверхности инкубационной среды). Поэтому полученные линии тренда преобразовывались путем параллельного смещения до пересечения с началом координат, как показано на рис. 5. Уравнения преобразованных прямых, представленные на рисунке, использовались для вычисления скоростей диффузии кислорода в среду для всего диапазона измерений.

Рис. 5. Результат преобразования линий тренда.

Таким образом, в результате предварительной калибровки измерительной системы появилась возможность определить скорость диффузии кислорода в среду при любом парциальном давлении, что позволяет произвести корректировку результатов измерения потребления кислорода путем вычисления его количества, поступившего в среду на каждом из «двухпроцентных» участков корректируемой кривой поглощения.

Корректировке подвергались результаты трех серий по 10 замеров потребления кислорода модельным поглотителем. Замеры первой серии производились в открытой измерительной ячейке, второй - в полузакрытой и третьей - в закрытой.

Базовая составляющая количества кислорода, поглощенного в ходе каждого замера N0 вычислялась на основании минимального парциального давления кислорода в среде Pmin, соответствующего точке минимума кривой поглощения (рис. 6). Для этого производилась предварительная корректировка Pmin в связи с эффектом разбавления среды бескислородной добавкой по уравнению:

Рmin* = Рmin + ПР,

где: ПР - поправка на разбавление среды (%), вычисленная по формуле:

,

где: 100 - исходное парциальное давление кислорода в среде (%); VС - объем среды (мл); VД - объем поглотителя (мл).

После чего базовую составляющую количества поглощенного кислорода N0 вычисляли по формуле:

,

где: 100% - исходное парциальное давление кислорода в инкубационной среде; a - цена 1% шкалы регистратора (моль/%).

Рис. 6. Структура типичной кривой поглощения.

а - исходное парциальное давление кислорода в среде инкубации (100%); б - действительное снижение парциального давления кислорода, рассчитанное по результатам титрования поглотителя; в - минимальное парциальное давление кислорода в среде (Pmin); 1 - момент внесения поглотителя; 2 - нисходящая ветвь кривой поглощения; 3 - фрагмент восходящей ветви кривой.

Базовая составляющая N0 подвергалась дальнейшей корректировке для учета количества кислорода, поступившего в реакционную среду за время замера из атмосферы. Корректировка производилась путем вычисления поправки ПА, характеризующей диффузию кислорода из атмосферы, на основании характера нисходящей ветви кривой поглощения. Для этого нисходящую ветвь (рис. 6) также разбивали на участки (P1; P2; … и т.д.), каждый из которых соответствовал 2%-ому изменению парциального давления кислорода в среде. Затем определяли время, необходимое для 2%-го изменения парциального давления на каждом участке (t1; t2; … и т.д.).

Количество кислорода , поступившего в систему из атмосферы за каждый промежуток времени ti определяли по формуле:

,

где: - скорость диффузии кислорода (моль/мин) для участка Pi, рассчитанная на основании уравнений, представленных на рис. 2. Общую поправку на поступление кислорода из атмосферы ПА определяли как сумму всех индивидуальных поправок для каждого промежутка времени ti : .

Тогда исправленное количество кислорода NА, поглощенное сульфитом натрия с учетом поправки на поступление кислорода из атмосферы, вычисляли как сумму базовой составляющей N0 и поправки ПА:

.

Таблица 1. Зависимость результатов измерения поглощения кислорода 0,01М раствором Na2SO3 от площади контакта инкубационной среды с атмосферой (n=10).

SП мм2 NТ моль10-7 N0 моль10-7 ПА моль10-7 NА моль10-7
16 4,79±0,02 4,16±0,03 0,09±0,02 4,25±0,03
89 4,78±0,05 3,75±0,06 0,63±0,05 4,38±0,05
183 4,90±0,03 3,72±0,06 0,78±0,06 4,49±0,04

Результаты измерений и их последующей корректировки приведены в табл. 1, где: SП - площадь поверхности раздела фаз воздух - среда инкубации; NT - действительное значение измеренной величины, рассчитанное по результатам титрования поглотителя. Как видно из таблицы, увеличение площади контакта инкубационной среды с атмосферой ведет к заметному занижению результатов измерения. Использование поправки приводит к парадоксальному результату: точность измерения с увеличением площади контакта возрастает. Данная тенденция прослеживается и в изменениях значений относительной погрешности А(%), представленных в табл. 2. Несколько иначе изменяется коэффициент вариации Cv(%): его отчетливый рост для исходных значений при использовании поправки сменяется выравниванием, причем, характер изменения приобретает выраженное сходство с характером изменения коэффициента вариации действительных значений. Основной причиной выявленных фактов, как показано выше, также является собственная кислородная емкость измерительной системы.

Таблица 2. Влияние площади контакта инкубационной среды с атмосферой на погрешности измерения (n=10).

SП мм2 A (%) Cv (%)
Исходн. Исправл. Исходн. Исправл.
16 -13,20 -11,28 1,75 1,50
89 -21,56 -8,34 3,75 2,18
183 -24,11 -8,24 4,68 1,81


Pages:     | 1 || 3 |
 




Похожие работы:







 
2013 www.деньсилы.рф - «МЕДИЦИНА-ЛЕЧЕНИЕ-ОЗДОРОВЛЕНИЕ»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.