ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Предисловие к русскому изданию из "Ионо-селективные электроды" Советские ученые внесли заметный вклад в развитие электрохимии и электроаналитической химии исследованиями электрохимических мембран. Общеизвестны работы А. Н. Фрумкина и его сотрудников по изучению двойного электрического слоя и кинетики электрохимических процессов. Следует особо упомянуть имена академика Б. П. Никольского и его учеников академика М. М. Шульца, проф. Е. А. Матерову и проф. Ю. Г. Власова. В советской литературе по электрохимии имеется также замечательная монография Никольского и Матеровой по ионоселективным электродам. Поэтому мы рассматриваем как особую привилегию то, что наша книга предлагается вниманию советского читателя. [c.10] По сравнению с английским и чешским изданиями 1983 и 1984 гг. издание книги на русском языке расширено за счет дополнений, отражающих развитие области вплоть до весны 1987 г. По нашему мнению, дальнейший прогресс в развитии ионометрии будет связан с разработкой надежных методов анализа электролитов биологических жидкостей, прежде всего методов определения ионов Ыа+, К+, Са +, СОз , НСОз и С1 , с более широким применением ионоселективных микроэлектродов и с заметным внедрением в практику вольтамперометриче-ского аналога потенциометрии с использованием ионоселективных электродов — электролиза на границе раздела двух несме-шивающихся растворов электролитов. Хотя это и удивительно, но значительные усилия, затраченные на исследования ионоселективных полевых транзисторов, до сих пор не привели к их промышленному производству. [c.10] Мы весьма признательны проф. О. М. Петрухину, известнейшему специалисту в области ионоселективных электродов, за его инициативу по изданию данной книги на русском языке. Мы благодарны также Д. Тумовой за техническую помощь в подготовке материалов к русскому изданию. [c.10] В настоящее время получила распространение тенденция использовать достижения биологии для решения проблем физики и химии. Перспективность этой тенденции определяется не только возможностью получения новых инструментов исследования, материалов и технологических процессов, но и созданием моделей, позволяющих глубже понять процессы, происходящие в природе (по крайней мере, в некоторых ее областях). Таким образом, усилия по подражанию природе способствуют более глубокому ее пониманию. [c.11] Замечательным результатом такого подхода являются ионоселективные электроды. Их развитие может быть прослежено от исследования природных биоэлектрических явлений до создания искусственных мембранных систем и — в обратном направлении — от создания мембранных систем к попыткам объяснения биологических процессов на клеточном уровне. [c.11] Взаимосвязь между электрическими и физиологическими процессами была обнаружена в 1791 г. Л. Гальвани [27] в ходе его классических экспериментов с мышечными и нервными волокнами лягушки. Несмотря на выдающиеся результаты Гальвани, исследования электрофизиологических явлений несколько десятилетий оставались без внимания. М. Фарадей [59, 996] изучал электричество, производимое электрическим скатом, но только с целью удостовериться, что это животное электричество имеет ту же природу, что и другие виды электричества, например вольтово электричество, создаваемое электрической машиной Фарадея, или гальваническое электричество от гальванического элемента. [c.11] Следующим значительным шагом вперед явились работы Нернста [75, 76] и Планка [83, 84] по транспорту ионов в растворах электролитов. В этих работах было уже дано определение диффузионного потенциала. Диффузионный потенциал возникает в том случае, когда подвижности электрически заряженных компонентов электролита различаются. Понятие диффузионного потенциала является важным как для описания условий ионного транспорта внутри мембран, так и для количественного определения потенциала жидкостного соединения. [c.12] Понятие потенциала, возникающего на границе мембрана — раствор, как основного свойства поверхности мембраны определено Нернстом и Риезенфельдом [77, 87, 88], которые установили величину потенциала для поверхности раздела между двумя несмешивающимися жидкостями. [c.12] Начало электрохимии собственно мембранных процессов заложено в 1890 г. работой В. Оствальда [81], в которой было сформулировано понятие полупроницаемой мембраны как мембраны, селективно влияющей на мембранный транспорт ионов. Согласно Оствальду, не только электрические токи в мышцах и нервах, но также и таинственные явления, происходящие в электрических рыбах, находят объяснение в свойствах полупроницаемых мембран . [c.12] Приблизительно в это же время (в 1902 г.) Овертоном [82] и Бернштейном [8] была предложена для объяснения электрических свойств клеток и тканей мембранная теория, основные принципы которой остаются справедливыми и по сей день. [c.12] В начале двадцатого столетия предпринимались немалые усилия по разработке удобных мембранных моделей. Эти модели можно разделить на две группы модели, описывающие сплошные мембраны, обычно жидкие ( маслообразные ) и твердые [10, 33, 64, 77], и модели пористых мембран [9]. В самом начале изучения свойств сплошных мембран был сконструирован стеклянный электрод [18, 34], мембрана которого является первым примером мембраны с заметной селективностью к транспорту ионов определенного вида, в данном случае ионов водорода. Интересно отметить, что этот первый ионоселективный электрод до сих пор остается наилучшим и наиболее широко использующимся. [c.12] Поиски моделей биологических мембран среди различных пористых мембран продолжались в 20—30-е годы. Здесь следует прежде всего упомянуть Михаэлиса [69] и Соллнера (в качестве обзора его работ см. [92], а развитие электрохимии мембранных явлений прослежено им в [91]). При исследовании мембран этого типа были открыты и изучены особенности мембранных равновесий Доннана [20]. Теория пористых мембран с фиксированными электрически заряженными центрами определенного знака была развита Теореллом [95], а также Майером и Сивер-сом [67]. [c.13] Начиная с 30-х годов изучение тонких мембран развивалось в двух направлениях. Стало очевидным, что теория стеклянного электрода, основанная на идее концентрационного элемента или мембранного потенциала со способным к диффузии ионом водорода, не объясняет некоторых свойств электрода, в особенности его повышенной селективности к ионам натрия, которая может быть весьма большой для стекол определенного состава [62]. Это послужило основанием для Никольского и Толмачевой к созданию ионообменной теории мембранного потенциала стеклянного электрода [79]. В более совершенной теории стеклянного электрода Эйзенмана с сотр. [22] учитывалось образование диффузионного потенциала внутри стеклянной мембраны. Новый конструкционный принцип был реализован в газочувствительных электродах, состоящих из гидрофобной мембраны, проницаемой для газов, и внутреннего стеклянного электрода [90]. [c.13] Жидкие мембраны, содержащие растворенные ионообменни-ки, впервые были применены Соллнером и Шианом [93]. Однако первый действительно работающий ионоселективный электрод на основе таких мембран был сконструирован Россом гораздо позднее [89]. [c.14] Другое направление в развитии ионоселективных электродов основывалось на исследованиях по использованию в качестве электродноактивных компонентов антибиотиков, регулирующих окислительное фосфорилирование в митохондриях [61]. Эти вещества ведут себя как переносчики ионов (ионофоры) и таким образом образуют на поверхности двухслойных липидных мембран ион-специфичный потенциал [74]. Открытие таких специфических функций природных нейтральных переносчиков позволило Стефанеку и Симону получить на их основе селективные к ионам щелочных металлов электроды нового типа [94], а также позволило объяснить хемиосмотическую теорию окислительного фосфорилирования [71]. Появление синтетических нейтральных переносчиков [1, 63] существенно расширило выбор ионофоров, селективных по отношению к другим ионам. [c.14] Принципиально новую конструкцию ионного датчика представляет ионоселективный полевой транзистор (ИСПТ) [7, 48а, 65, 88а], однако его внедрение в практику ионометрии по-прежнему встречает серьезные трудности. Электролиз на границе раздела двух несмешивающихся растворов электролитов [28, 55—556, 96а] можно назвать инверсионной потенциометрией при помощи ионоселективных электродов. [c.14] В ферментных электродах используются биохимические принципы. Измерительные устройства этого типа представляют собой ионоселективный электрод, на чувствительную поверхность которого нанесена полимерная пленка, содержащая фермент [32]. Определяемое соединение вступает в реакцию внутри ферментной мембраны с образованием продукта реакции, появление которого изменяет потенциал электрода. Аналогичный принцип лежит в основе бактериальных электродов [86], в которых вместо ферментной мембраны действует биологическая ткань [2]. [c.14] Производством ионоселективных электродов занимается большое число фирм во многих странах мира. Однако вследствие быстрого развития ионометрии полный перечень фирм-про-изводителей не приводится в настоящей монографии. [c.15] Вернуться к основной статье