ВЫБОР АНАЛИЗАТОРА КИСЛОРОДА ДЛЯ РЕСПИРОМЕТРИИ

article description image

Кислородные анализаторы используются для решения множества задач и находят применение в различных отраслях промышленности, природоохранной деятельности и науки. Правильный выбор метода определения содержания кислорода зависит, в первую очередь, от сферы применения, так как в каждом конкретном случае преследуются отличные друг от друга цели.

Принцип, используемый в анализаторе

Парамагнитные анализаторы

Анализаторы на базе оксида циркония

Анализаторы на базе топливных элементов

Преимущества

  • неограниченный срок службы
  • очень высокая скорость измерений
  • очень высокая скорость измерений
  • высокая механическая прочность
  • относительная нечувствительность к колебаниям температуры
  • низкие показатели шума и дрифта
  • позволяют вводить поправки на разбавление исследуемой газовой смеси водяным паром

Недостатки

  • требуют калибровки
  • шумные
  • очень чувствительны к колебаниям температуры
  • чувствительны к объёмным скоростям газового потока
  • чувствительны к водяным парам
  • чувствительны к вибрации
  • наличие в пробе летучих органических веществ приводит к ошибке измерений
  • чувствительны к водяным парам
  • более короткий срок службы, по сравнению с парамагнитными анализаторами; более длинный – по сравнению с анализаторами на базе топливных элементов
  • может быть выведен из строя конденсатом
  • топливные элементы требуют замены
  • низкая скорость измерений, по сравнению с другими технологиями

  

К оборудованию, используемому при изучении метаболизма животных, предъявляются особые требования. Ситуация осложняется тем, что в каждом конкретном случае используются различные экспериментальные модели и условия проведения экспериментов. И, что важнее всего, исследователи должны принимать во внимание наличие в системе животных – объектов исследования. Таким образом, требования к оборудованию для проточной респирометрии выходят за пределы просто сравнения характеристик различных анализаторов. Понимание принципов, лежащих в основе того или иного метода определения кислорода, а также возможностей технических средств, имеет решающее значение правильного выбора типа анализатора, лучше всего соответствующего нуждам исследования.

Надеемся, что данная статья поможет вам лучше разобраться в вопросах выбора анализатора кислорода для респирометрии.

Технологии, используемые для определения содержания кислорода, их преимущества и недостатки

Парамагнитные анализаторы кислорода находят широкое применение в промышленности. В их основе - сфокусированное магнитное поле, притягивающее молекулы кислорода. Кислород – парамагнетик, в то время как молекулы большинства других газов не имеют магнитного момента. В основе чувствительного элемента анализатора – две стеклянные сферы, заполненные азотом и установленные на вращающейся штанге-подвесе. В центре между сферами на штанге установлено зеркало. Вся конструкция находится внутри магнитного поля. Луч света, падая на зеркало, отражается на пару фотоэлементов. Магнитное поле, притягивая кислород, создает поток газа, попадающего внутрь чувствительного элемента. Данный поток вызывает перемещение сфер, которые приводят во вращение зеркало. Таким образом изменяется частота облучения фотоэлементов отражённым от зеркала светом. Данные изменения регистрируются фотоэлементами, в результате чего генерируется сигнал, служащий обратной связью для электрической системы, контролирующей напряжение на электродвигателе, удерживающим стеклянные сферы и зеркало в исходном положении. При этом измеряется электрический ток, протекающий через электродвигатель. Теоретически, величина этого тока прямо пропорциональна концентрации кислорода.

Парамагнитные анализаторы кислорода обладают характеристиками, необходимыми для особо ответственных измерений. Например, для оценки концентрации кислорода в газах для медицинского применения. Благодаря свойствами чувствительного элемента датчики данного типа анализаторов не имеют ограничений по сроку службы в отличие от анализаторов на базе топливных элементов или оксида циркония.

Так как парамагнитные анализаторы практически мгновенно определяют изменения концентрации О2 в окружающем сферы с азотом пространстве для них характерна очень высокая скорость измерений (при условии, что камера, содержащая электродвигатель, собрана точно и имеет минимальный объём). Необходимо отметить, однако, что системы для изучения респирометрии редко требуют наличия высокоскоростного анализатора кислорода с быстрой реакцией на изменения концентрации О2. Учитывая соотношение объёма клеток с животными с соединительными трубками к объёмной скорости газового потока, проточные характеристики системы налагают ограничения только на временное разрешение, а не на время, необходимое для обнаружения анализатором изменения концентрации О2.

Парамагнитные анализаторы нуждаются в калибровке при двух различных концентрациях кислорода. Данная процедура может представлять значительные сложности и приводить к погрешностям в измерениях. Повторная калибровка при смещении заданных значений очень сложна математически и при использовании парамагнитных анализаторов редко проводится с нужной точностью. В результате возможны погрешности в ту или иную сторону в петле обратной связи, приводящие к значимым ошибкам при проведении измерений. Более того, для парамагнитных анализаторов характерен довольно высокий уровень шума (обычно более 0,002% О2), а само зеркало может служить источником помех, возникающих при механических воздействиях или вибрации.

Для того чтобы величина смещения сфер с азотом оставалась постоянной при любой концентрации О2 скорость потока газа также должна оставаться постоянной. Так как поток исследуемого газа сообщает переносящую силу на узел электродвигателя, любые минутные изменения объёмной скорости газового потока будут фиксироваться как изменения в концентрации кислорода.

Сами магниты имеют большой температурный коэффициент, так что мощные магниты в парамагнитных анализаторах могут приводить к серьёзным проблемам с дрифтом показаний даже вследствие небольших колебаний температуры. Эффект Кюри становится причиной ещё большей чувствительности парамагнитного эффекта к колебаниям температуры.

Парамагнитные анализаторы взаимодействуют с водяными парами, так как вода по своей природе диамагнетик (т.е. может служить причиной возникновения индуцированного магнитного поля в направлении, противоположном магнитному полю, приложенному извне. Отталкивается посредством магнитного поля, приложенного извне). Следовательно, пары воды будут противодействовать парамагнитному эффекту О2.

Анализаторы на базе оксида циркония определяют концентрации кислорода используя проводимость чувствительного элемента из диоксид-циркониевой керамики. Элемент состоит из двух электропроводящих электродов, присоединенных к каждой стороне трубки из твердотельного электролита. Измеряемый поток газа течет через внутренний канал трубки, в то время как эталонный газ находится снаружи. Цирконий – электролит, который пропускает только ионы кислорода при температуре более 600оС; следовательно, напряжение, генерируемое между электродами можно представить в виде функции от отношения парциального давления кислорода во внутренней и наружной части электродов и их температуры. Электроды из циркония обычно работают при температуре между 700 и 800оС. Они быстро реагируют на изменения концентрации О2, так как кислород быстро перемещается через цирконий, разогретый до красного каления.

Чувствительные элементы способны обеспечивать очень быстрые измерения вследствие быстрой диффузии кислорода через раскалённый электролит.

Чувствительные элементы на базе оксида циркония имеют несколько недостатков, делающих их неподходящими для респирометрии. Летучие органические вещества, такие как метан, немедленно сгорают при контакте с такими высокими температурами. Эта реакция потребляет кислород, что приводит к ошибкам в измерениях. Так как все животные производят летучие органические вещества, использование чувствительных элементов на основе циркония для обнаружения концентраций кислорода ведёт к переоценке скорости потребления кислорода. Кроме того, любые следы воды в жидком виде приводят к тепловому шоку чувствительного элемента с последующим повреждением или выходом из строя. Датчики также могут выйти из строя при присутствии в газе паров воды.

Анализаторы на основе оксида циркония отличаются высоким энергопотреблением (так как работают при высокой температуре чувствительного элемента) и занимают много места. Вследствие помех Джонсона-Найквиста, возникающих при высоких температурах, они также дают довольно шумный сигнал, с уровнем помех сопоставимым с парамагнитными анализаторами.

Анализаторы кислорода на топливных элементах измеряют парциальное давление кислорода, проходящего через полупроницаемую мембрану. Чувствительный элемент представляет собой замкнутое пространство, содержащее два электрода, отделённых от исследуемого газа полупроницаемой мембраной, контролирующей скорость, через которую кислород поступает внутрь датчика. Кислород вступает в реакцию с металлическим анодом, создавая ток между катодом и анодом. Производимое электричество пропорционально концентрации кислорода.

Топливные элементы отличаются механической прочностью и нечувствительностью к вибрации. Они также относительно нечувствительны к колебаниям температуры и абсолютно нечувствительны к летучим органическим соединениям, изолируемым от электрохимических процессов в датчике мембраной, проницаемой только для кислорода. Анализаторы, использующие топливные элементы, характеризуются длительной стабильностью, очень низким уровнем шума в сигнале (менее 0,0001%) и минимальным дрифтом. В отличии от циркониевых и парамагнитных анализаторов они не взаимодействуют с водяными парами. Исключение составляет эффект разбавления исследуемого газа парами воды. Эффект разбавления легко вычисляется математически путём измерения давления водяного пара и барометрического давления с использованием закона Дальтона для парциальных давлений. Это позволяет вводить автоматические поправки во всей системе (соответствующие уравнения приведены в книге Measuring Metabolic Rates: A Manual for Scientists by John R. B. Lighton,2008-05-14).

Несмотря на то, что анализаторы на топливных элементах проводят измерения медленнее по сравнению с другими методами (из-за минимального времени необходимого для диффузии О2 через электролит), система для респирометрии не ограничена скоростью измерений, так как скорость можно увеличить математически. Чувствительность топливных элементов точно известна, следовательно, скорость их реакции может быть увеличена на значения, эквивалентные другим технологиям при поддержании низкого уровня шумов. Это обеспечивается использованием непрерывных преобразований (впервые обсуждалось в работе Bartholomew et al, 1981, INSTANTANEOUS  MEASUREMENTS  OF OXYGEN CONSUMPTION  DURING PRE-FLIGHT  WARM-UP AND POST-FLIGHT  COOLING  IN  SPHINGID  AND SATURNIID  MOTHS).

Срок службы топливных элементов составляет примерно два года, после чего каждый элемент требует замены. Замена топливных элементов не требует значительных расходов.

Выбор подходящего кислородного анализатора в значительной мере зависит от природы исследований, а также от требуемой точности и разрешения. При проведении респирометрии анализатор кислорода обычно является одной из составных частей большой системы. Кроме конструкции самого анализатора необходимо также учитывать конструкцию всей системы, так как другие элементы могут создавать ограничения для способности анализатора точно определять уровень потребления кислорода.

Выбор лучшего анализатора для ваших экспериментов очень важен, однако его необходимо использовать как часть правильно сконструированной системы для реализации всех его преимуществ. 

ДРУГИЕ СТАТЬИ