6. fejezet - A fotoszintetikus oxigén evolúció és a légzés intenzitásának mérése polarográfiás módszerrel

szerző: Dr. Nyitrai Péter

Tartalom

6.1. A Clark-típusú O2-elektród
6.2. Joliot-féle O2-elektród
6.3. Készülék típusok
6.3.1. A Hansatech gyártmányú O2-elektród (6.1. ábra)
6.4. Függelék
6.5. Kloroplasztiszok intaktságának mérése K3[Fe(CN)6] redukció alapján
6.6. Tesztfeladatok
6.7. Irodalom

Biológiai minták fotoszintetikus oxigén fejlődésének, illetve a légzés során fogyasztott oxigén mennyiségének mérésére több módszert fejlesztettek ki. Gáz fázisban lévő O2, illetve vizes oldatokban oldott O2 mérésére, az oxigén koncentráció változásának nyomon követésére, egyszerűsége és széleskörű alkalmazhatósága miatt leginkább a polarográfiás módszer terjedt el. A leggyakrabban alkalmazott oxigén polarográf, az un. Clark-típusú elektród, (Clark 1956) ami egy bipoláris, állandó potenciálú O2-szenzor.

6.1. A Clark-típusú O2-elektród

A Clark-típusú oxigén-elektród kisméretű platina (Pt) katódot és egy nagyobb méretű ezüst-kloriddal borított ezüst (Ag) anódot tartalmaz, amelyeket általában indifferens anyagba (epoxigyanta) ágyaznak be. Az elektródok tömény KCl elektrolitba merülnek, ami puffert (bikarbonát, borát), illetve kiszáradás ellen glicerint, vagy polietilén-glikolt tartalmazhat. A két elektród közötti polarizációs egyenfeszültség 600-700 mV. Az elektródokat egy olyan polipropilén membrán borítja, ami permeábilis az oxigénre és a CO2-ra, de nem ereszti át a vizet és az ionokat, továbbá megakadályozza olyan vegyületeknek az elektródokhoz való bejutását, amelyek azokat mérgezhetik, vagy a mérést zavarhatják. Ilyen lehet pl. a ferricianiddal végzett Hill-reakció, amelynek során az ezüst a cianiddal komplexet képezve tönkreteszi az elektródot (elektródméreg).

Az elektródokra adott egyenfeszültség hatására a Pt katód polarizálódik, felülete negatívvá válik és rajta az odadiffundáló O2 redukálódik, míg az anódon az ezüst oxidálódik és AgCl válik ki. Az elektród folyamatok során keletkező áram egyenesen arányos a katódon redukálódott oxigén mennyiségével. A gáztérben, illetve folyadékban történő mérés azonos elv szerint történik, de folyadékfázisban az oxigén diffúziója sokkal lassúbb, ezért a mintatartóban az egyenletes oxigén koncentráció eléréséért és fenntartásáért a mintaoldatot megfelelő, állandó sebességgel kevertetni kell.

Az alábbi elektród folyamatok mennek végbe:

Pt katód: O2 + 2H2O + 2e- → H2O2 + 2OH- H2O2 + 2e- → 2OH-

Ag anód: 4 Ag → 4Ag+ + 4 e- 4 Ag+ + 4 Cl- → 4 AgCl

Az O2-elektród működése során az elektrolit a katód környékén lúgossá válik és a CO2 átjutva a membránon oldódik benne, karbonát ion formájában (ezért az állandó pH fenntartására alkalmaznak puffert).

A redukciós áram értékét az O2-nek a katódhoz való diffúziója szabja meg (diffúziós határáram). A diffúziós áram és az oldott oxigén mennyisége között, adott hőmérsékleten, lineáris kapcsolat van. A diffúziós határáram hőmérsékletfüggő, a hőmérséklet emelkedésével az áram exponenciálisan nő. A hőmérséklet változása befolyásolja az oxigén oldékonyságát is (különösen nyitott mintatartóval működő rendszer esetén). De változik a biológiai minta anyagcseréjének sebessége is. A fentiek miatt az O2-elektród használata során a rendszert állandó hőmérsékleten kell tartani, termosztálni kell.

Annak ellenére, hogy a Clark-elektród kvantitatív oxigénmérést tesz lehetővé, két hátrányos tulajdonsága is van. Egyrészt az elektródokat borító membrán miatt a rendszer csak lassan, akár több tíz másodperces késéssel (lag fázis) tudja követni az oxigén koncentráció időbeli változását. Másrészt a Pt katód érzékenysége a kis felülete miatt, kicsi.