WWW.ДЕНЬСИЛЫ.РФ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Медицина

 


Pages:     | 1 | 2 ||

Комплексное моделирование процесса измерения биохимического потребления кислорода в жидких инкубационных средах

-- [ Страница 3 ] --

Таким образом, предлагаемый подход к корректировке результатов измерения потребления кислорода на взаимодействие среды инкубации с атмосферой позволяет заметно улучшить как точность, так и воспроизводимость, что дает возможность фиксации более тонких метаболических особенностей изучаемых объектов. В то же время эффективность подхода обнаруживает отчетливую зависимость от площади поверхности раздела фаз воздух-среда инкубации, что объясняется наличием у измерительной системы собственной кислородной емкости, влияние которой наиболее отчетливо проявляется в закрытой системе (SП=16 мм2).

Третий этап исследования посвящен изучению влияния собственной кислородной емкости измерительной системы на точность измерения потребления кислорода (глава 4). Для этого оказалось необходимо: разработать метод измерения собственной кислородной емкости измерительной системы; изучить динамику обмена кислородом между средой инкубации и кислородной емкостью; разработать метод вычисления соответствующей поправки к результату измерения.

Метод определения собственной кислородной емкости измерительной системы, заключался в следующем. Измерительную ячейку (исходный кислородный режим «0»), заполненную инкубационной средой, продували азотом в течение 10 мин, после чего, не прекращая продувки, среду извлекали и продолжали пропускать азот через пустую измерительную ячейку еще в течение 5 мин. Затем включали регистратор, прекращали продувку, быстро заполняли ячейку 3,5 мл инкубационной среды, предварительно насыщенной кислородом воздуха при 370С, и закрывали ячейку плавающей полиэтиленовой перегородкой. В результате непрерывной регистрации получали кривую, отражающую процессы обмена кислородом между инкубационной средой и собственной кислородной емкостью системы (кривую обмена). Ход полученных кривых обмена с учетом латентности кислородного датчика (по средним значениям) представлен на рисунке 7.

Как видно из рисунка, кривая обмена имеет резкий перелом (на реальных кривых, показанных пунктиром, вместо точки перелома имеется выраженный максимум, соответствующий парциальному давлению кислорода Рmax): скорость снижения парциального давления кислорода в среде в первые 2 мин оказалась более чем на порядок выше, чем максимальная за последующие 60 мин регистрации. Поэтому было высказано предположение, что суммарная кислородная емкость измерительной системы состоит как минимум из двух независимых компонентов. Один из них характеризуется исключительно высокой скоростью обмена со средой инкубации и его реализация происходит в течение первых минут или даже секунд регистрации («быстрая» емкость). Второй компонент («медленная» емкость) гораздо менее доступен и характеризуется существенно более низкими скоростями обмена.

«Быстрая» кислородная емкость. Первоначально предполагалось, что практически вся кислородная емкость измерительной системы локализована внутри кислородного датчика и, таким образом, отделена от среды мембраной. Результаты эксперимента показали, что «быстрая» емкость физически не может располагаться за мембраной датчика, так как скорость обмена кислорода с «быстрой» емкостью заметно превышает скорость диффузии кислорода сквозь мембрану к измерительному электроду датчика. Таким образом, «быстрая» емкость могла быть локализована только в самой измерительной ячейке. В связи с тем, что при низкой полярности и достаточно шероховатой поверхности стенки сосуда, заполняющая его вода запирает в углублениях пузырьки воздуха (Адомсон У.А., 1979; Данкверст П.В., 1973), было высказано предположение, что «быстрая» кислородная емкость измерительной системы имеет именно такую, поверхностную, природу.

Рис. 7. Усредненная кривая обмена с учетом оттока кислорода в емкость в первые минуты измерения (в скобках даны точные координаты точки перегиба).

Определение величины «быстрой» кислородной емкости и вычисление поправки на ее влияние осуществлялось следующим образом: отклонение в показаниях датчика РS (%), обусловленное влиянием «быстрой» емкости рассчитывали как разность между исходным парциальным давлением кислорода в среде инкубации (100%) и значением максимума на кривой обмена Рmax (%):

РS = 100 - Рmax.

На основании отклонения рассчитывали количество кислорода nS (моль), перешедшее из среды в «быструю» емкость к моменту достижения точки максимума:

nS = РS · a,

где a - цена 1% шкалы регистратора (моль/%).

Так как скорость обмена с «быстрой» емкостью оказалась выше скорости реакции датчика, считали, что в момент достижения точки максимума исходно пустая «быстрая» емкость была заполнена кислородом на Рmax процентов. Таким образом, количество кислорода nS, перешедшее из среды инкубации в «быструю» емкость, составляло Рmax процентов от полной величины этой емкости. Поэтому полная величина «быстрой» емкости ЕS (моль) вычислялась по формуле:

.

Результаты обработки двадцати кривых обмена (n=20) приведены в таблице 3. Как видно из таблицы, среднее значение «быстрой» кислородной емкости составило 0,46·10-7 моля, что соответствует приблизительно 12% от содержания кислорода в среде. Несмотря на сравнительно небольшую величину, «быстрая» емкость способна оказывать существенное влияние на точность измерения даже при кратковременных замерах, так как характеризуется очень высокой скоростью обмена кислородом со средой.

Таблица 3. Результаты измерения «быстрой» кислородной емкости (n=20).

Показатель Рmax (%) РS (%) nS (моль·10-7) ES (моль·10-7)
92,21 7,79 0,43 0,46
m ±0,30 ±0,30 ±0,016 ±0,019
CV(%) 1,13 13,39 13,35 14,39




«Медленная» кислородная емкость для измерительной системы на базе кислородного датчика ПКЕ составила 2,7·10-7 моля. Метод ее определения, основанный на анализе нисходящих ветвей кривых обмена (рис. 7) подробно изложен в главе 5. Несмотря на то, что величина «медленной» емкости достигает 50% от содержания кислорода в 3,5 мл насыщенной модельной среды инкубации, ее влияние на точность кратковременных замеров потребления кислорода оказалось ничтожным из-за низкой скорости обмена кислородом между «медленной» емкостью и средой. По этой причине при корректировке результатов измерений, приведенных в данной работе, влияние «медленной» кислородной емкости не учитывалось. Тем не менее, при работе с реальными биологическими объектами, скорости потребления кислорода которыми зачастую оказываются существенно более низкими, «медленная» емкость вполне может оказаться в ряду основных факторов, искажающих результаты измерения.

Корректировка результатов измерения на влияние «быстрой» кислородной емкости. Корректировке подвергались результаты серии из 10 замеров потребления кислорода модельным поглотителем в закрытой измерительной ячейке. Корректировка затрагивала как действительное значение потребленного кислорода NT, вычисленное на основании результатов титрования поглотителя, так и результат измерения потребления кислорода NA (предварительно исправленный на поступление кислорода из атмосферы). Исправление действительного значения количества потребленного кислорода NT производили по формуле:

NT* = NT - ED,

где: NT* - исправленное количество потребленного кислорода, вычисленное по результатам титрования поглотителя (моль); ED - кислородная емкость наконечника микродозатора (моль). Далее при вычислении погрешности в качестве действительного значения использовалась величина NT*.

Для корректировки результатов измерения вычисляли долю кислородной емкости Pемк. (%), перешедшую в среду инкубации за время проведения замера, по формуле:

Pемк. = 100 - Pmin,

где: 100 - исходное парциальное давление кислорода в емкости (%); Pmin - парциальное давление кислорода в среде и в «быстрой» емкости (!) в момент достижения точки минимума на кривой поглощения (%). Тогда количество кислорода nS, перешедшее в среду, составляло Pемк. процентов от величины «быстрой» кислородной емкости ES. Поэтому поправку на влияние кислородной емкости ПS находили по формуле:

.

Исправленное значение поглощенного кислорода NA+E вычисляли как сумму количества поглощенного кислорода с учетом влияния атмосферного воздуха NA и поправки на кислородную емкость ПS:

NA+E = NA + ПS

Ход и результаты корректировки представлены в таблице 4.

Таблица 4. Комплексная корректировка результатов измерения потребления кислорода на влияние атмосферного кислорода и собственной кислородной емкости измерительной системы (n=10).

Показатель NT* (моль10-7) NА (моль10-7) Pемк. (%) ПS (моль10-7) NA+E (моль10-7)
4,63 4,26 82,6 0,38 4,64
m ±0,015 ±0,028 ±0,61 ±0,0031 ±0,031
А(%) - -10,90 - - 0,19
CV(%) 0,98 2,00 2,23 2,48 2,02

Как видно из таблицы, относительная погрешность измерения при использовании поправки на собственную кислородную емкость измерительной системы снизилась по модулю с 10,9 до 0,19%, то есть в 57 раз при практически неизменном значении коэффициента вариации (СV = 2,00 и 2,02% соответственно). Таким образом, разработанный автором комплекс поправок позволил свести систематическую составляющую погрешности при кратковременных измерениях потребления кислорода практически к нулю при достаточно высокой воспроизводимости результатов.

ВЫВОДЫ

1. Разработана воспроизводимая (CV1%) химическая модель, имитирующая биохимическое потребление кислорода аэробным биологическим объектом, с использованием сульфита натрия в качестве поглотителя, пригодная для динамической калибровки измерительных систем и определения их основных технических характеристик.

2. Факторами, в наибольшей степени искажающими результаты измерения биохимического потребления кислорода при использовании открытых измерительных систем, являются диффузионные обменные потоки кислорода между средой инкубации и атмосферой, а также между средой инкубации и собственной кислородной емкостью измерительной системы.

3. Разработана измерительная система, предназначенная для изучения биохимического потребления кислорода в жидких инкубационных средах, обладающая низкой и стабильной собственной кислородной емкостью (ES=0,46·10-7 моля, EL2,7·10-7 моля), предоставляющая возможность оперативного изменения площади поверхности раздела фаз воздух-среда инкубации от 183 до 16 мм2.

4. Динамика пассивной диффузии кислорода из атмосферы в инкубационную среду незначительно отклоняется от закона диффузии для неоднородных сред под влиянием собственной кислородной емкости измерительной системы и за счет испарение воды с поверхности раздела фаз.

5. Учет количества кислорода, поступившего из атмосферы в среду инкубации во время замера, позволяет снизить относительную погрешность измерения биохимического потребления кислорода с -24,11 до -8,24% для открытой измерительной ячейки.

6. Собственная кислородная емкость измерительной системы, построенной на базе закрытого амперометрического кислородного датчика, включает не менее двух компонентов («быструю» и «медленную» емкость), характеризующихся различными скоростями обмена кислородом со средой.

7. Учет количества кислорода, перешедшего из «быстрой» кислородной емкости измерительной системы в среду инкубации во время замера, позволяет снизить относительную погрешность измерения биохимического потребления кислорода с -10,90 до 0,19% для закрытой измерительной ячейки.

8. Использование комплекса методических подходов, учитывающих обмен кислородом между средой инкубации и ее окружением, и оригинальных измерительных средств позволяет снизить относительную погрешность измерения потребления кислорода с -38,63 до 0,19%, а коэффициент вариации измеренных значений - с 8,91 до 2,02%.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Миняев М.В. Применение гальванического кислородного датчика в стандартном исполнении для регистрации потребления кислорода в малых объемах воды и водных растворов / М.В. Миняев, Г.А. Грибанов, И.И. Гугушвили // Учен. зап. / Тверской гос. ун-т. - Тверь. - 1996. - Т.3. - С. 56-58.

2. Миняев М.В. Метод использования сульфита натрия для проверки и калибровки кислородных датчиков / М.В. Миняев, Н.Е. Дронникова // Пути оптимизации функции дыхания при нагрузках, в патологии и в экстремальных состояниях: сб. науч. тр. / Тверской гос. ун-т. - Тверь. - 1999. - С. 72-77.

3. Миняев М.В. Гальванический кислородный датчик с пониженной собственной кислородной емкостью / М.В. Миняев // Актуальные проблемы биохимии и биотехнологии: сб. науч. тр. / Тверской гос. ун-т. - Тверь. - 2001. - С. 154-161.

4. Миняев М.В. Собственная кислородная емкость закрытых кислородных датчиков / М.В. Миняев, И.И. Гугушвили // Актуальные проблемы биохимии и биотехнологии: сб. науч. тр. / Тверской гос. ун-т. - Тверь. - 2001. - С. 161-166.

5. Миняев М.В. Метод коррекции результатов измерения поглощения кислорода в сообщающихся с атмосферой измерительных ячейках / М.В. Миняев, Г.А. Грибанов, И.И. Гугушвили // Актуальные проблемы биохимии и биотехнологии: сб. науч. тр. / Тверской гос. ун-т. - Тверь. - 2001. - С. 166-174.

6. Миняев М.В. Усовершенствованный метод коррекции результатов измерения потребления кислорода в сообщающихся с атмосферой измерительных ячейках / М.В. Миняев, Ю.А. Кабанова, Н.В. Сладкова // Пути оптимизации функции дыхания при нагрузках, патологии и экстремальных воздействиях: сб. науч. тр. / Тверской гос. ун-т. - Тверь. - 2005. - С. 25-32.

7. Миняев М.В. Влияние толщины полиэтиленовой мембраны на работу полярографического кислородного датчика закрытого типа / М.В. Миняев, Н.О. Иванова // Вестник ТвГУ: биология и экология. - 2005. -Т.10. - №4. С. 84-87.

8. Особенности использования микродозаторов с полиэтиленовыми наконечниками для калибровки кислородных датчиков / М.В. Миняев, М.Д. Платонова, К.В. Костина, Л.И. Ворончихина // Вестник ТвГУ: биология и экология. - 2006. -Т.22 - №5. С. 53-56.

9. Разбавление среды инкубации бескислородной добавкой как вероятная причина «эффекта быстрого потребления кислорода» / М.Б. Белякова, М.В. Миняев, А.А. Егорова, Л.И. Ворончихина // Вестник ТвГУ: биология и экология. - 2006. -Т.22 - №5. С. 57-60.



Pages:     | 1 | 2 ||
 




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.