Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
сопровождающие прохождение звуковой волны в жидкостях, фактически
приводят к возникновению дифракционной решетки для света. По измеряемым
дифракционным углам можно оценивать длины и, следовательно, скорости
звуковых волн. Измеряя интенсивность дифракционного спектра, можно
определить потери. Такие методы не следует путать с фотоакустической
спектроскопией, в которой используется акустическая волна, сопровождающая
генерацию термической волны путем поглощения модулированного света [13,
88]. Этот метод особенно пригоден для инфракрасной и видимой
спектроскопии оптически плотных биологических препаратов [14, 15].
28.4.2. Приложения
Молекулярная акустика в общем играет относительно небольшую роль в
исследовании гомогенных растворов биологических молекул. Измерение
скоростей ультразвука может давать информацию о внутри- и межмолекулярных
взаимодействиях макромолекул [43, 66, 81]. Ультразвуковая абсорбционная
спектроскопия является средством изучения кинетики и термодинамики
переноса протона, поскольку времена релаксации (<100 пс) этих процессов
лежат в пределах, достижимых при ультразвуковых частотах. Такие методы
требуют прецизионного измерения скорости распро-
29 1145
450
Глава 28
странения звука [31, 74], с тем чтобы можно было исследовать сжимаемость
и гидратацию макромолекул [75]. Наличие ионизируемых групп принципиальным
образом сказывается на спектрах поглощения аминокислот, что можно было бы
использовать для определения соответствующих величин рК. Подобные эффекты
отмечались для спектров поглощения растворов белков (метмиоглобина).
Найдено также изменение скорости звука, обусловленное денатурацией белка
[19, 44].
Акустический анализ негомогенных жидкостей (т. е. частиц,
суспендированных в растворах электролитов, например, микробных культур)
особенно сложен. С помощью ультразвука определяли концентрацию
загрязнений в сточных водах [37]. Рост дрожжевых (и других) культур также
контролировали ультразвуковым методом, используя гибкий
пьезоэлектрический мембранный преобразователь, состоящий из
полиацеталевой смолы, хлорированного полиэтилена и цирконат-титаната
свинца [42]. Измерительная ячейка состояла из двух пьезоэлектрических
мембран (каждая площадью 2,5 х 1,5 см и толщиной 0,2 мм), разделенных
слоем культуральной жидкости толщиной 2,5 мм. Частоту колебаний
передающей мембраны фиксировали равной 40 кГц так, чтобы на приемной
мембране генерировался сигнал с амплитудой приблизительно 20-100 мВ. Хотя
с ростом концентрации выходное напряжение должно увеличиваться [81], на
самом деле в диапазоне концентраций от 10 до 500 мМ наблюдалось лишь
небольшое увеличение амплитуды (приблизительно на 5 мВ). Рост скорости
звука с температурой в диапазоне от 25 до 40°С также был незначительным.
В процессе роста культур плотность культуральной среды нередко меняется,
поэтому контролировали отклик сенсора при различных концентрациях
глицерина (плотности от 1 до 1,10). Изменения амплитуды и в этом случае
были малы. Напротив, введение популяций бактерий или дрожжей приводило к
значительно большим значениям сигнала (при изменении числа клеток от 1 до
10 в 1 мл амплитуда сигнала менялась от 20 до ~50-80 мВ). Отклик сенсора
линейно зависел от числа клеток (до 10 клеток/мл) и лучше отражал кривую
роста, чем данные измерений проводимости культур [11]. Хотя датчик мог
выдержать несколько циклов паровой стерилизации, возможность
растрескивания пьезомембраны создает серьезные проблемы. Принципы,
лежащие в основе метода, не совсем ясны. Более или менее уверенно можно
полагать только, что сжимаемость суспензии играет большую роль, чем
скорость звука и плотность [42].
Значительный прогресс в понимании того, как распространяются
ультразвуковые волны в негомогенных суспензиях (небиологических частиц),
достигнутый в последние годы, связан главным образом с работами Чиверса и
Ансона [2, 3, 17, 18]. В табл. 28.1 выделены основные параметры,
представляющие интерес для моделирования акустического взаимодействия
среды и суспендированных частиц в негомогенных системах. Хотя, как и
можно было ожидать, при этом получаются сложные математические выражения,
особенно когда рассматривается динамика микробных культур и не-Таблица
28.1. Некоторые параметры, которые измеряют при многокомпонентном анализе
влияния различных факторов на распространение акустических волн в
неоднородных суспензиях частиц в растворах электролитов
Измеряемый параметр Характеристика гомогенной среды Характеристика
суспензии
Затухание Специфическое поглощение (резонансное) Задержка распространения
Форма волн (фурье-анализ) Рассеяние и когерентность Направление рассеяния
Плотность Поглощение продольных волн Вязкость Объемный модуль
Термическое расширение Теплоемкость Плотность Поглощение продольных
волн Ослабление поверхностного сдвига Упругость Термическое расширение
Теплоемкость
Пьезоэлектрические преобразователи и акустические методы
451
избежно содержащихся в них газовых пузырьков, измерения многих из этих
