Датчики для измерения концентрации химических веществ

Определение состава и измерение концентрации тех или иных химических веществ в организме несет ценную медико-биологическую информацию. Существует огромное число различных приборов, предназначенных для этих целей. Мы здесь остановимся только на датчиках, используемых при биотелеметрических измерениях.

Измерение концентрации химических веществ в организме биотелеметрическими методами сопряжено с трудностями, основной из которых является сложность датчиков. Причем датчики, как правило, должны давать количественную информацию о концентрации вполне определенного вещества, т. е. они должны быть специфичными по отношению к молекулам этого вещества. Создание подобных датчиков в условиях жестких технико-экономических ограничений на систему измерений, особенно в биотелеметрии, для многих биохимических веществ является в настоящее время трудноразрешимой проблемой. Наиболее просто и поэтому наиболее часто измеряется концентрация водородных ионов pH при исследовании желудочно-кишечного тракта.

Схема передатчика pH, использованная в радиокапсуле отечественного производства, изображена на рис. 3.12. Датчик pH состоит из двух электродов: измерительного ИЭ и электрода сравнения ЭС, включенных в контур передатчика. В качестве материала для электрода сравнения используется хлористое серебро. Потенциал измерительного pH-электрода, в качестве которого обычно используется стеклянный электрод, почти полностью определяется концентрацией ионов водорода в растворе, т. е. pH-электрод является специфическим по отношению к этим нонам. Недостатками стеклянного электрода являются его хрупкость и большое внутреннее сопротивление. Для определения pH могут использоваться также сурьмянистые и вольфрамовые электроды. Однако они действуют недостаточно избирательно по отношению к pH, в частности сурьмянистый электрод кроме pH реагирует еще на напряжение кислорода, а вольфрамовый — на 0₂ и ноны кальция.

Представляет определенный интерес химико-механический датчик для определения pH, используемый в радиокансулах [185]. Воспринимающая мембрана этого датчика выполнена из сополимера, состоящего из 20% полиакриловой кислоты и 80% поливинилового спирта. Вулканизацией в напряженном состоянии при температуре 80 °C в течение 30 мин образуется твердый биологически инертный материал, геометрические размеры которого изменяются на 60% при изменении pH от 3 до 8. Изменения мембраны передаются сердечнику, включенному в цепь ЧМ-генератора. В качестве существенного недостатка этого датчика следует отметить большую инерционность и нестабильность его показаний.

Биотелеметрическими методами может также измеряться концентрация других веществ: общая кислотность, наличие свободной соляной кислоты, скорость расщепления питательных веществ. Например, скорость расщепления питательных веществ (белков, жиров, углеводов) определяется по убыли субстрата, дозированное количество которого помещается внутрь индуктивного или емкостного датчика, контактирующего с исследуемой средой [185]. По мере ферментативного расщепления субстрата изменяется его индуктивность или емкость. Включение такого датчика в измерительную схему позволяет преобразовать информацию о скорости тех или иных веществ в ЧМ-сигнал.

Серебряный электрод может использоваться для определения ионов хлора, так как его потенциал зависит от концентрации ионов галоидных соединений, золотой электрод — для измерения напряжения кислорода и т. д.