Изучение кинетики сорбции летучих жирных кислот методом пьезокварцевого микровзвешивания

Применение метода пьезокварцевого микровзвешивания для диагностики анаэробных инфекций. Создание пьезосенсоров наиболее селективных в отношении летучих жирных кислот с числом атомов водорода от двух до шести. Особенности сорбции нормальных и изокислот.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра химии

Курсовая работа по физической химии

ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ СОРБЦИИ ЛЕТУЧИХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ МЕТОДОМ ПЬЕЗОКВАРЦЕВОГО МИКРОВЗВЕШИВАНИЯ

по специальности 050101.65 «Химия»

Выполнила: студентка 4 курса

естественно-географического факультета

отделения «Химия - География»

Ишкова Лидия

Воронеж - 2014 г.

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Анаэробные инфекции человека

1.2 Метод пьезокварцевого микровзвешивания

2. Методика эксперимента

3. Анализ результатов

Выводы

Литература

Введение

Исследование кинетики сорбции летучих жирных кислот (ЛЖК) нормального и изомерного строения, являющихся метаболитами анаэробной инфекции человека и животных, с помощью пьезокварцевого микровзвешивания актуально для разработки альтернативного экспресс-способа ее диагностики, осуществляемой в настоящее время длительными и дорогостоящими микробиологическими и хроматографическими методами.

В связи с этим целью работы было создание пьезосенсоров наиболее селективных в отношении ЛЖК с числом атомов водорода от 2 до 6 и установление особенностей сорбции нормальных и изокислот.

Для достижения поставленной цели решались основные задачи:

1. Изготовить пьезосенсоры, путем нанесения пленок модификаторов, различных по полярности, строению и назначению (универсальные, специфические, полярные).

2. Определить чувствительность приготовленных пленок по отношению к ЛЖК и установить наиболее подходящие для эксперимента сорбенты.

3. Исследовать кинетику сорбции ЛЖК на наиболее чувствительном пьезосенсоре.

Апробация работы: результаты работы докладывались на научной студенческой конференции ВГПУ по химии. Тезисы доклада (занявшего II место) приняты к печати в сборнике трудов конференции.

1. Литературный обзор

1.1 Анаэробные инфекции человека

Анаэробные микроорганизмы составляют абсолютное большинство нормальной микрофлоры человеческого тела. Кожа заселена анаэробами в десятки раз больше, чем аэробами. Главное место обитания анаэробов - пищеварительный тракт, где нет стерильных отделов. Флора во рту на 99% состоит из анаэробов, что близко к толстой кишке. Толстая же кишка - основное место обитания анаэробов вследствие отсутствия кислорода и очень низкого окислительно-восстановительного потенциала (-250 мВ). Содержание их в кишечнике составляет 20 - 40% от всех микроорганизмов. Из них 97% - строгие анаэробы. Доля кишечной палочки составляет, вопреки общераспространенному мнению, всего 0,1 - 0,45[26].

Для жизни неспоровых анаэробов необходимы определенные условия. Во-первых, отрицательный окислительно-восстановительный потенциал среды, обусловленный суммой всех окислительно-восстановительных процессов, имеющих место в данной ткани. Он существенно понижается в присутствии крови. Например, наличие крови в брюшной полости, является очень опасным фактором. Во-вторых, отсутствие кислорода. В-третьих, определенные способствующие росту бактерий явления: снижение иммунитета при сахарном диабете, онкологических заболеваниях, после тяжелых оперативных вмешательств. Кроме того, аэробы покровительствуют анаэробам, способствуя созданию бескислородной среды [26, 27].

Анаэробные инфекции развиваются при разрушении гармоничных взаимоотношений между макро- и микроорганизмом. Любой орган чувствителен к этим, постоянно вегетирующим в организме микроорганизмам при повреждении слизистых барьеров или кожи при операциях, после травм, при опухолях или таких состояниях, как ишемия или некроз, способствующих снижению местного окислительно-восстановительного потенциала тканей. В связи с тем, что в участках вегетации бактерий разрастаются разнообразные их виды, повреждение анатомических барьеров создает возможности для внедрения в ткани многих микроорганизмов, что нередко приводит к развитию смешанных инфекций разными видами анаэробов, факультативных или микроаэрофильных бактерий. Подобные инфекции встречаются в области головы и шеи (хронические синусит и средний отит, ангина Людвига, периодонтальный абсцесс). К наиболее частым анаэробным инфекциям центральной нервной системы относятся абсцесс мозга и субдуральная эмпиема. Анаэробы вызывают плевролегочные заболевания, играют важную роль в развитии внутрибрюшных процессов, таких как перитонит и абсцессы, печеночные абсцессы. Их часто обнаруживают при инфекционных заболеваниях женских половых органов. Анаэробные бактерии определяют при инфекциях кожи, мягких тканей, костей, бактериями [27].

Установлено, что анаэробные микроорганизмы в процессе метаболизма продуцируют в среду роста или в патологически измененные ткани летучие ЛЖК - уксусную, пропионовую, масляную, изомасляную и другие, в то же время аэробы этих соединений не образуют. Эти кислоты называются метаболическими маркерами жизнедеятельности анаэробных бактерий [26].

Учитывая особую опасность анаэробной инфекции для жизни человека, в настоящее время рекомендуется использовать для диагностики все доступные способы, несмотря на малую точность одних - цитологии раневых отпечатков; громоздкость и длительность других - микроскопический; неотработанность методик третьих - газожидкостной хроматографии [22,23].

В связи с этим, актуальным является поиск новых методов диагностики анаэробных инфекций, таковым может стать метод пьезокварцевого микровзвешивания.

1.2 Метод пьезокварцевого микровзвешивания

Одним из современных экспресс-методов анализа газовой фазы является метод пьезокварцевого микровзвешивания. Кварцевые кристаллические микровесы - это устройство, используемое для измерения незначительного приращения массы с помощью пьезоэлектрического кристалла.

Изучены пьезосвойства лишь нескольких десятков монокристаллов и поликристаллических веществ. Однако наиболее предпочтительным материалом является кварц, отличающийся многочисленными достоинствами: большой механической и термической прочностью, малым внутренним трением, высокой стабильностью электрофизических параметров[1-4].

Колебательная система, состоящая из четырех основных элементов: вибратора - пластины кварца диаметром 5 - 16 мм, на обе грани которой в центре напылены электроды возбуждения (материал - золото, серебро, никель, алюминий), элементов крепления кварцевой пластины и окружающей среды называется пьезокварцевым резонатором (ПКР) (рис. 1).

Рис. 1. Пьезокварцевый резонатор.

Отличительная черта селективных масс-чувствительных резонаторов (сенсоров) - наличие сорбционного покрытия, характеризующегося ярко выраженной избирательностью в отношении сорбции - десорбции различных компонентов окружающей среды.

Аналитическим сигналом пьезокварцевого сенсора, служит изменение частоты колебаний пьезокварцевого резонатора (?F) при увеличении или уменьшении массы покрытия за счет образования или разрушения на его поверхности определенного соединения[3,18].

Теоретической основой метода пьезокварцевого микровзвешивания послужила физическая модель G.G. Sauerbrey (Зауэрбрея), устанавливающая связь между ?F и массой вещества на электродах резонатора:

?F = - 2,3·10^-6·(F_к²·М_f)/A, (1)

где ?F - изменение частоты колебания резонатора, вызванное нанесением плёночного покрытия, Гц; F_к - собственная резонансная частота колебания кварца, МГц; М_f - масса плёночного покрытия, г; A - площадь плёнки, см²; 2,3·10^-6 - градуировочная константа пьезоэлектрических микровесов, см²/(Гц•г)[1].

Уравнение (1) получено для идеализированной модели колебаний нагруженного пленочным покрытием резонатора и имеет ограничения при описании связи отклика сенсора и массы вещества на его электродах. Для получения адекватных теории Sauerbrey результатов необходимо учитывать вклад в изменение массы покрытия процессов старения, испарения и растекания пленки.

Кварцевые микровесы - измерительные автогенераторные устройства, предназначенные для преобразования изменений массы, присоединенной к поверхности кварцевого пьезорезонатора, в приращение выходной частоты автогенератора [2-4].

В настоящее время для исследования газовых фаз используются системы пьезосенсоров, с компьютерным обеспечением, получившие название «электронный нос» [18].

К достоинствам метода пьезокварцевого микровзвешивания относятся: 1) высокая чувствительность кварцевых микровесов; 2) малые габариты применяемого оборудования и его мобильность; 3) быстрота выполнения анализа; 4) невысокая стоимость оборудования; 5) возможность проведения работы неспециалистом. Подобные преимущества послужили причиной тому, что системы типа «электронный нос» способные определять качественный и количественный состав газовых и жидких фаз, начинают использоваться в различных областях деятельности человека (в пищевой промышленности, при экологическом мониторинге, в медицине и т.д.) [21].