Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
доля диполей фактически ориентирована при данной напряженности поля в
соответствии с функцией Ланжевена (рис. 24.9):
L(x) = cth (х) - 1 /х, (24.12)
где х = pEyjkT\ Еу локальное электрическое поле; 6-константа Больцмана;
Т-абсолютная температура. Поскольку, особенно в случае сложных
биологических систем, известно, как правило, только макроскопическое поле
(т. е. отношение максимальной разности потенциалов между электродами к
расстоянию между ними), а не локальное поле, то целесообразно
использовать первую величину с добавлением некоторой эмпирической
константы. При изучении вращения в водных растворах глобулярных белков
используют множитель Я = 5,8 (полученный из сравнения теории и
эксперимента для аминокислоты глицина [156]). В этом случае
р = У9000/сГАв7471ЯАЯс, (24.13)
где ЯА-число Авогадро; с-молярная концентрация белка. Наблюдаемые на
практике значения дипольных моментов белковых растворов эквивалентны
примерно 1-15 единиц относительной диэлектрической проницаемости на г/100
мл, что соответствует приблизительно 5-20 Д на кДальтон [86, 188]. Отсюда
можно рассчитать, что в типичных экспериментах с использованием
диэлектрических измерений, в которых напряженность поля, как правило, не
превышает 0,5 В/см, составляя обычно всего 1/10 этой величины, значение
функции Ланжевена очень мало, так что число действительно вращающихся
белковых молекул составляет исключительно малую долю от их общего числа.
У нас будет повод вернуться к этому позже.
Поскольку вопросы, рассмотренные в данном разделе, важны для всего нашего
обсуждения, в заключение сделаем ряд замечаний:
1) существует обширная литература, показывающая, что диэлектрические
свойства
Спектроскопия электрического адмиттапса
357
всех типов клеток, тканей и биомолекул отличны от диэлектрических свойств
простого ионного раствора;
2) поскольку диэлектрическая спектроскопия является неразрушающим
методом, его можно использовать для анализа биологических материалов в
растворах;
3) сильная зависимость диэлектрических свойств от частоты позволяет
анализировать различные вещества или различные их характеристики путем
выбора различных частот;
4) в таких случаях ценную информацию может дать выяснение областей
происхождения силовых линий;
5) на практике из-за относительно низкой чувствительности метода и ширины
получаемого спектра (отражающего скорее релаксацию, чем резонанс), по-
видимому, наиболее целесообразны "объемные" измерения. С биоаналитической
точки зрения следует также добавить, что, особенно при низких частотах,
наряду с диэлектрическими свойствами материала между электродами на
результаты измерений могут существенно влиять и свойства самих
электродов. Это, однако, само по себе не снижает потенциальной полезности
рассматриваемого метода. Отметим также, что в вышедшей недавно
превосходной книге Кэмпбелла и Дюка [42] концепция диэлектрической
спектроскопии даже не упоминается. Это явно указывает на то, что метод
уже необходимо начинать широко использовать.
С этим мы и перейдем к обсуждению некоторых работ, нацеленных на
использование описанных выше принципов в аналитических приборах.
24.7. Использование кондуктометрии и импедансометрии в биоанализе
Эта область, очевидно, также необъятна, и поэтому мы постараемся отобрать
лишь те примеры, которые помогут привлечь внимание к практическому
применению указанных методов. Так, в последнее время возрастает интерес к
применению импедансометрии для оценки числа микроорганизмов в
суспензионных популяциях [74, 96], поскольку электрические свойства
микробной культуральной среды, как было известно еще в прошлом веке
[205], связаны с ростом микробов. В книге [74] рассмотрено применение
кондуктометрии (см., например, [142,177]), импедансометрии [41] и
емкостных измерений [75]. В последнем случае изменения, особенно
связанные с микроорганизмами, проявляются по их влиянию на электроды
[102], поскольку диэлектрическая проницаемость самого раствора или среды
меняется незначительно.
При частотах ниже частот максвелл - вагнеровской Р-дисперсии
электрическая проводимость суспензии ниже проводимости среды, в которой
суспендировано вещество. Таким образом, о наличии суспендированного
материала можно судить непосредственно по его влиянию на электрическое
поле. Такие измерения проводят как в объеме суспензии (см., например,
[94, 108, 133]), так и в гидродинамически сфокусированных потоках в
приборах, устроенных по принципу счетчика Культера [64, 126].
Импедансометрию успешно применяют для непосредственной оценки биомассы
микробов [22, 50, 51], причем, как показали исследования, наши и других
авторов, диэлектрические свойства клеток данного радиуса монотонно
зависят от объемной доли суспензионной фазы.
Что до возможности дифференциации и идентификации клеток по частотной
зависимости их диэлектрических свойств, ясно, что наряду с другими
отличиями различные бактерии имеют разные размеры и поверхностные заряды
