Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
подписи к рис. 24.4. а: активная и реактивная проводимости, найденные из
измеренных значений емкости и проводимости через постоянную ячейку: б:
график адмиттанса (комплексной проводимости), г! = 78,4. Из-за отсутствия
удовлетворительного способа разделения перекрывающихся дисперсий (без
дополнительных сведений) две полуокружности подбирали эмпирически.
Экстраполяция правой полуокружности дает o'L, откуда можно найти Асу' для
каждой дисперсии, в: график комплексной диэлектрической проницаемости
(график Коул - Коула), построенный с использованием найденного выше (см.
б) значения cy'L. Показано определение фактора Коул - Коула а и
экстраполяция (в область низких частот} для получения г'ъ. Как можно
заметить, на этом графике две дисперсии неразличимы, что указывает на
различный вес данных в графиках адмиттанса и комплексной диэлектрической
проницаемости. Обратите внимание, что для данной дисперсии, для которой а
не слишком велико, т равно Ae'cJAa'.
3*56 Логарифм частоты
23 1145
354
Глава 24
представлены результаты обработки импедансного спектра (рис. 24.6)
углеродного электрода.
Как видно из рис. 24.8,а, при низких частотах кажущаяся диэлектрическая
проницаемость системы достигает весьма больших значений (2 108 при
частоте 10 Гц), а измеряемая емкость составляет приблизительно 70 мкФ.
Этот принцип лежит в основе конденсатора "электролитного" типа,
используемого в электрических и электронных цепях. Конечно,
диэлектрическая проницаемость электролита между электродами составляет
только около 78, и если использовать эту величину в качестве
"высокочастотной" диэлектрической проницаемости, получится адмиттансная
диаграмма, показанная на рис. 24.8,6. Как и на импедансной диаграмме
(рис. 24.4), здесь можно выделить два процесса. Экстраполяция
адмиттансной кривой в низкочастотную область дает значение a'L (равное
0,4 мОм/'см), которое используют для построения диаграммы Коул-Коула на
рис. 24.8,в. Как между прочим подчеркивает Макдональд, диаграмма Коул-
Коула не совсем пригодна для описания электрохимического импеданса,
поскольку определяемые диэлектрическая проницаемость и проводимость
являются собственными свойствами материала, находящегося между
электродами, и это следует иметь в виду. Тем не менее график, приведенный
на рис. 24.8, служит хорошей иллюстрацией способа обработки
экспериментальных данных, и можно надеяться, что такое элементарное
толкование поможет любому новичку глубже разобраться в этих вопросах. Для
полноты описания необходимо упомянуть, что иногда в литературе, особенно
касающейся электрических изоляторов, используют термин коэффициент
рассеяния D = tg§ = е"/е'. Для материалов, не обладающих проводимостью по
постоянному току, D = G/(?>C = 1 IQ, где g-так называемая добротность.
Теперь мы более или менее в состоянии рассмотреть некоторые
механистические причины частотной зависимости электрических свойств
систем, помещенных между электродами и включающих не только ионные
растворы, но и биологические материалы. Диэлектрические (пассивные
электрические) свойства биологических материалов и различных химических
[206] веществ давно (см., например, [157]) привлекают внимание
исследователей как с чисто познавательной, так и аналитической точки
зрения. Так, например, еще в 1899 г. Стюарт [204] заметил, что
низкочастотная проводимость плазмы крови превышает проводимость цельной
крови, из которой она получена, на величину, являющуюся монотонной
функцией гематокрита, и вывел уравнение, позволяющее по проводимости
оценивать гематокрит. С тех пор по этому вопросу накоплена обширная
литература. Она непрерывно пополняется, и ее объем слишком велик, чтобы
дать адекватный ее обзор в этой книге. Поэтому автор хотел бы
ограничиться следующими моментами: 1) обратить внимание читателя на
многие превосходные книги, обзорные статьи и монографии по
диэлектрической спектроскопии биологических веществ; 2) рассмотреть
вкратце наиболее важные особенности диэлектрических дисперсий, описанные
для биологических систем, механистические модели, описывающие такие
системы, и соотношения между диэлектрическими свойствами и эффективным
дипольным моментом молекул, для которых наблюдается дисперсия; 3) описать
некоторые методы анализа и приборы, используемые на практике или
разработанные, в основе которых лежат измерения проводимости,
диэлектрической проницаемости или их векторной суммы. Далее
предполагается вкратце рассмотреть некоторые технические и
методологические аспекты, которые следует учитывать при проведении
измерений импеданса биологических систем, обращая особое внимание на
различия между релаксационными измерениями и измерениями в широком
диапазоне частот. Отсюда мы перейдем к обсуждению временного степенного
анализа (фурье-анализа) в области биосенсоров вообще. И наконец,
попытаемся свести вместе рассмотренные выше идеи и факты, чтобы найти
новые подходы к конструированию и эксплуатации биосенсоров.
