Принцип действия приборов для электрохимических исследований биообъектов, их выделений и проб основан на использовании процессов, протекающих на электродах или в межэлектродном пространстве. При этом различают методы потенциометрических, кондуктометрических, вольтамперометрических, диэлектрометрических, импедансометрических и кулонометрических исследований.
При потенциометрических исследованиях измеряют потенциалы, создаваемые в области, прилегающей к измерительному электроду помещенному в исследуемую среду. Величина и полярность этого потенциала зависят от материала электрода и состава среды, представляющей собой некий раствор, содержащий объект исследования. Для того чтобы измерить разность потенциалов вокруг измерительного электрода в раствор вводится второй электрод (электрод сравнения), материал и конструкция которого‚ выбираются так, чтобы его электродный потенциал был устойчив, воспроизводим и независим от состава раствора. Благодаря тому, то один электрический потенциал постоянен, а второй зависит от концентрации искомого вещества, потенциометрические приборы позволяют определить концентрацию ионов различных веществ в электролитах.
В качестве электродов сравнения используют хлорсеребряные и каломельные электроды. Рисунок
Конструкция электродов сравнения: а- хлорсеребряных; справа- каломельных: 1- асбестовое волокно; 2- внешний раствор KCl; 3- микроскопическое отверстие; 4- внутренний раствор; 5- заливное окно; 6- паста
В хлорсеребряном электроде серебряная проволока, покрытая слоем хлорида серебра (Ag), погружена в раствор хлорида калия 4. Обычно используется насыщенный раствор KCl, поскольку активность хлорид-ионов в насыщенном растворе при постоянной температуре имеет постоянное значение. Наблюдается окислительно-восстановительная реакция AgCl + 
↔ Ag + 
. Благодаря микроскопическому отверстию 3 обеспечивается электрический контакт между внутренним 4 и внешним растворами KCl 2. Через асбестовое волокно 1 внешний раствор 2 электрически контактирует с исследуемым раствором. В каломельном электроде используется окислительно-восстановительная полуреакция 
+ 2 ↔ 2Hg+2 
. Проволока контакта выполняется из платины (Pt). Электроды сравнения называются электродами II порядка.
Измерительные электроды для потенциометрических измерений могут быть металлическими и мембранными (ионоселективными). Активные измерительные металлические электроды изготавливают из металлов Ag, Cu, Cd, Pb, Au, Pt.
Любой из таких электродов в растворе, содержащем ионы, приобретает потенциал, обратимо изменяющийся в зависимости от концентрации вещества. Электроды, потенциал которых зависит от активности ионов в растворе, называют электродами I порядка.
Структура мембранного электрода
Мембранный электрод имеет полупроницаемую мембрану, выполняемую в виде пленки, которая отделяет внутренний раствор от внешнего (анализируемого) раствора. В одних типах конструкций мембраны проницаемы для ионов только одного типа в присутствии ионов другого типа, в других они пропускают ионы только определенного знака (анионы или катионы).
Из-за того что концентрации ионов A+ в анализируемом и стандартном растворах различны, а также различны активности ионов в растворе и в фазе мембраны, на обеих ее поверхностях возникают разные потенциалы El и E2. Между поверхностями мембраны будет мембранный потенциал Ем= El + Е2. Поскольку один из растворов стандартный - E2, постоянен по величине и известен, то мембранный потенциал есть функция концентрации вещества в анализируемом растворе. В зависимости от материала, используемого для изготовления электродов, различают твердые, стеклянные и жидкие мембраны.
Компенсационная схема измерителя потенциала: ЭхЯ- электрохимическая ячейка; ИЭ- измерительный электрод; ЭС- электрод сравнения; ИП- измерительный прибор; У- усилитель
Для проведения потенциометрических исследований используют электрохимическую ячейку с анализируемым реагентом, в который опускают измерительные электроды и электрод сравнения. Применяемые в потенциометрии электроды имеют достаточно большое внутреннее сопротивление (500...1000 MОм). Для обеспечения требуемой точности в потенциометрах используют компенсационные схемы, уменьшающие ток в измерительной ячейке.
Измерительный прибор (ИП) фиксирует величину тока пропорционального величине ЭДС электродной системы, что соответствует показателю концентрации определяемых ионов.
Такая схема потенциометра со специальной мешалкой часто используется для измерения кислотности (рН), поэтому что часто называют рН-метром.
Например. В комплект поставки АГМ-03 (ацидогастрометра) помимо рН-зондов и собственно прибора, входят: термостатированный комплект для калибровки; кабель для тестирования; кабель для проверки; соединительный кабель-удлинитель (необходим, в частности, при эндоскопических обследованиях); стандарт-титры; сопроизводительная документация. Рисунок
Структурная схема ацидогастрометра АГМ-03: УГР- устройство гальванической развязки; Дс и Кв- дисплей и клавиатура; ПП- память параметров; ШС- шнур сетевой
При проведении обследования рН-зонд вводится в ЖКТ пациента и подключается непосредственно или через соединительный кабель удлинитель к прибору. Входные сигналы от 5 датчиков зонда поступают на вход АЦП, имеющего соответственно 5 входных каналов. С выхода АЦП оцифрованный сигнал поступает на микроЭВМ (МЭВМ), проходя через устройство гальванической развязки (УГР), необходимое для обеспечения требований электробезопасности. МикроЭВМ, согласно программе, содержащейся в памяти параметров (ПП), обеспечивает: ввод команд от клавиатуры (Кв), вывод сообщений и данных на жидкокристаллический дисплей (Дс), считывание данных с АЦП, их хранение в памяти данных.
При калибровке рН-зонд последовательно помещают в буферные растворы с известным значением рН и регистрируют соответствующие значения выходного напряжения для каждого электрода рН-зонда. По этим данным методом кусочно-линейной интерполяции вычисляется характеристика рН-зонда.
В кондуктометрических исследованиях измеряется суммарная электропроводность растворов и газов
B классических кондуктометрах измеряемым параметром является величина, обратная сопротивлению между электродами, помещаемыми в электродную ячейку с исследуемым раствором, измерительные электроды включаются в одно из плеч измерительного моста, питаемого переменным током низкой частоты (для предупреждения электрохимической реакции и образования двойного электрического слоя). Ячейка для кондуктометрического анализа представляет собой стеклянный сосуд, в который впаяны платиновые электроды, покрытые платиновой чернью. При изменении фирмы ячейки, объема раствора электрическая проводимость ячейки меняется, вследствие того что электрический ток проходит по всему объему раствора, а не только через его часть, находящуюся между электродами. Для учета влияния ячейки в расчетные формулы вводят константу ячейки К, определяемую экспериментально путем измерения в ячейке электрической проводимости раствора KCl
При кондуктометрическом титровании в ячейку с электродами помешают анализируемый раствор, ячейку в свою очередь, помещают в магнитную мешалку и титруют соответствующим титрантом. Титрант добавляют равными порциями. После добавления каждой порции титранта замеряют электрическую проводимость раствора и строят график зависимости между электрической проводимостью и объемом титранта. При добавлении титранта происходят изменения электрической проводимости раствора. В точке эквивалентности наступает перегиб кривой титрования, по которой определяется концентрация исследуемых веществ.
Кондуктометрическое титрование обладает рядом преимуществ. Его можно проводить в мутных и окрашенных средах, в отсутствие химических индикаторов. Метод обладает повышенной чувствительностью и позволяет анализировать разбавленные растворы веществ (до 10-4 моль/дм2).
В ряде конструкций кондуктометрических анализаторов электроды с раствором не контактируют. Например, в высокочастотных кондуктометрах электроды, наложенные поверх стекла ячейки, выполняют роль конденсатора в высокочастотном колебательном контуре. Если этот колебательный контур включен в частотно-зависимую цепочку соответствующего генератора, то частота его работы будет зависеть от электрической проводимости раствора.
Эквивалентная электрическая схема индуктивного кондуктометрического датчика (рисунок)
В бесконтактных кондуктометрах часто используют катушки индуктивности или трансформаторы. Если катушку индуктивности WL, покрытую диэлектриком, поместить в жидкость, сопротивление которой измеряется, то вокруг нее появится виток W, сопротивление которого определяется удельным сопротивлением жидкости, размерами и формой сосуда, в котором выполняется измерительная операция.
Кондуктометрические методы используются и при исследовании физических характеристик крови при свертывании. Приборы, реализующие эту задачу, называют коагулографами или гемокоагулографами.
К электрохимическим анализаторам относят также класс приборов, в основу работы которых положена регистрация и изучение кривой, характеризующей связь между напряжением на электролитической ячейке и электрическим током, протекающим через нее (вольтамперограмма). В качестве электрода сравнения применяют насыщенный каломельный электрод или слой ртути на дне электролитической ячейки. Индикаторный электрод выполняется из платины, ртути или графита. Используется также ртутный капающий электрод.
В зависимости от типа используемого индикаторного электрода вольтамперометрические методы делят на полярографию и непосредственно вольтамперометрию.
Если в качестве индикаторного используется ртутный капающий электрод. то кривая зависимости между электрическим током и напряжением называется полярограммой, а метод анализа полярографией. При работе с любыми другими индикаторными электродами, в том числе и со стационарным ртутным, метод анализа называют вольтамперометрией. Привести пример полярограммы раствора и дифференциальную полярограмму смеси
Современные электрохимические анализаторы можно разделить на две группы:
1) узкоспециализированные приборы для определения одного, двух или трех компонентов в биожидкостях, обеспечивающие необходимую точность, воспроизводимость, простоту и удобство проведения экспресс-анализа в медицинских исследованиях. Это определяется рядом причин не только медицинского, но и чисто технического характера: необходимостью создания малогабаритных, недорогих, легких в эксплуатации лабораторных приборов и др.;
2) системы для расширенного круга задач биомедицинского анализа, использующие различные методы измерений: потенциометрический, колориметрический, кулонометрический, кондуктометрический и др. Примером такой системы может служить «Аstra-8» фирмы «Весkman»
Измерительная ячейка анализаторов, как правило, изготавливается из прозрачного материала (стекло, оргстекло). В анализаторе «Corning-6M применяется ячейка, выполняемая из отдельных блоков, которые соединяются между собой, и в каждом по одному чувствительному элементу. Такая конструкция может позволить варьировать число определяемых компонентов и зависимости от количества устанавливаемых блоков. Аналогичный принцип конструкции используется в приборах AVL 985, «Ionometer BF».
B качестве чувствительных элементов применяют мембранные, жидкостные, капиллярные проточные) электроды, специально сконструированные для конкретного прибора.
Практически все анализаторы снабжены устройствами обеспечения анализа, выполняющими следующие функции: всасывание биопробы в канал измерительной ячейки, промывку ее рабочей полости, введение калибровочных растворов, термостатирование измерительного канала. В состав таких устройств входят: насосы (поршневые и перистальтические); система шлангов и сосудов с реагентами для промывки и калибровки; клапанные устройства и коммутаторы реализации алгоритма работы анализатора; термостатирующее устройство. Для преобразования получаемой информации в форму удобную для отображения, используются микропроцессоры и микроконтроллеры.
Устройство отображения измерительной информации в зависимости от типа анализатора включает в себя дисплей для визуального отображения результатов измерений, цифропечатающее устройство для документальной регистрации результатов или цифровой прибор для считывания данных оператором.
Все автоматические, анализаторы снабжены реагентами для периодической калибровки, которая выполняется либо автоматически - через определенное время, без участия оператора.
В настоящее время получили развитие ионоселективные электроды на основе полупроводниковых элементов (например, полевых транзисторов). Ионоселективные полевые транзисторы (ИСПТ) можно отнести к твердым ионоселективным электродам, при этом в них могут быть использованы как обычные твердые мембраны, так и диэлектрики. Чувствительность диэлектрических пленок зависит от содержания электродно-активных атомов в материале пленки. Полупроводниковые электроды можно разделить на три вида: 1) с мембраной-диэлектриком, нанесенной непосредственно на полупроводниковую основу (например, двуокись кремния, нитрид кремния); 2) c мембраной, нанесенной поверх диэлектрика (двуокись циркония, соли серебра и т.п.); 3) с мембраной, представляющей собой медифицированный слой диэлектрика (например, двуокись кремния, легированная ионами фтора, калия и т.п.).
На основе ИСПТ возможно создание миниатюрных полифункциональных сенсоров, так как рабочая поверхность датчиков в этом случае может быть снижена до единиц