УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОГО ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКСИДАНТНОЙ/АНТИОКСИДАНТНОЙ АКТИВНОСТИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
DEVICE FOR NON-INVASIVE POTENTIOMETRIC DETERMINATION OF OXIDANT/ANTIOXIDANT ACTIVITY OF BIOLOGICAL TISSUES

Изобретение относится к области электрохимических методов анализа, в частности к анализу поверхности биологических тканей (в т.ч. кожи) на предмет определения интегральной оксидантной/антиоксидантной активности объекта исследования.
Известен способ оценки антиоксидантного состояния кожи (Международная публикация WO 2007/077360). Измерения проводят методом вольтамперометрии с использованием рабочего электрода, электрода сравнения и противоэлектрода, помещенных в контактирующий с кожей раствор.
Недостатком этого способа является использование контактирующего с кожей раствора, питающего потенциостата и тока в качестве источника информации. Последний не является однозначной функцией содержания антиоксидантов в объекте исследования. Он зависит, наряду с другими, не поддающимися учету параметрами, также от наличия примесей, температуры и состояния поверхности рабочего электрода.
Известен способ определения уровня каротиноидов в поверхностном слое биологических тканей как показателя их антиоксидантного состояния. В основе измерения лежит принцип рамановской спектроскопии. Луч определенной длины волны взаимодействует с молекулами каротиноидов, при этом происходит смещение из голубой в зеленую часть спектра (Патент США №6205354).
Недостатком этого метода является то, что он позволяет оценить только антиоксидантную активность, обусловленную каротиноидами, которые являются лишь одним из видов большого количества антиоксидантов, содержащихся, в частности, в коже, то есть их концентрация не позволяет судить об общем содержании антиоксидантов в поверхностном слое биологической ткани.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является устройство для неинвазивного потенциометрического определения оксидантной/антиоксидантной активности биологических тканей, включающее открытый с одной стороны корпус, в котором размещены подсоединенные к прибору для измерения потенциалов, электрически связанные между собой электропроводящим гелем, содержащим медиаторную систему, электрод сравнения и измерительный электрод (Патент РФ №2433405).
Данное устройство имеет следующие недостатки.
Процесс измерения при использовании данного устройства включает много стадий: нанесение на поверхность биологической ткани электропроводного геля с введенной в него медиаторной системой, установка на поверхности биологической ткани рабочего электрода, контактирующего с гелем, содержащим медиаторную систему, введение в контакт с гелем электрода сравнения и лишь затем измерение. Электрод сравнения является одноразовым, что удорожает процесс измерения. При наклеивании электрода сравнения на кожу невозможно обеспечить плотное прилегание измерительного электрода к неровной поверхности исследуемого объекта. Это влечет за собой проникновение воздуха и, как следствие, образование воздушных пузырей, что искажает результаты измерений. Кроме того, известное устройство сложно по конструкции, а выполнение электродов из разных материалов и разной формы исключает их взаимозаменяемость.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является упрощение конструкции и эксплуатации устройства, улучшении эксплуатационных свойств.
Технический результат, обеспечиваемый настоящим изобретением, заключается в сокращении времени на подготовку к измерению, уменьшении количества операций при эксплуатации устройства, обеспечении возможности его многократного использования, повышении точности и достоверности результатов измерения.
Технический результат и решение поставленной задачи достигаются тем, что электроды выполнены идентичными в виде электропроводящего металлосодержащего слоя, нанесенного на противоположные стороны общей диэлектрической подложки в форме пластины, поверх электропроводящего металлосодержащего слоя расположен слой изолятора, разделяющий электропроводящий слой на контактную и рабочую зоны, при этом гель с медиаторной системой нанесен на рабочие зоны электродов равномерным слоем одинаковой толщины не более 0,3 мм. Также технический результат достигается тем, что расстояние между наружными поверхностями электродов составляет 1,1…2,2 мм; диэлектрическая подложка выполнена из высокотемпературного керамического материала; корпус выполнен из гибкого материала, в качестве которого предпочтительно используют лейкопластырь на синтетической основе; ширина слоя изолятора не менее ширины пластины диэлектрической подложки.
Технический результат достигается также другим вариантом исполнения, характеризующимся тем, что электроды выполнены идентичными в виде планарных толстопленочных электродов, поверх электропроводящей пленки которого расположен слой изолятора, разделяющий пленку на контактную и рабочую зоны, при этом подложки электродов соединены между собой сторонами, обратными поверхностям с электропроводящей пленкой, а гель с медиаторной системой нанесен на рабочие зоны обоих электродов равномерным слоем одинаковой толщины.
Указанные отличительные признаки существенны и в своей совокупности обеспечивают достижение технического результата.
Выполнение электродов идентичными на общей подложке или соединенными обратными непроводящими сторонами обеспечивает упрощение конструкции и эксплуатации, повышает точность и достоверность измерений за счет исключения факторов, связанных с влиянием на процессы измерения разных материалов, а расположение рабочих зон электродов на противоположных сторонах подложки препятствует диффузии исследуемой среды в зону электрода сравнения. Данный признак также упрощает эксплуатацию устройства. Выполнение корпуса из гибкого материала, предпочтительно лейкопластыря, позволяет легко адаптировать устройство к неровным поверхностям, исключить образование воздушных пузырей между гелем и корпусом, а также обеспечивает более плотное прилегание геля и электрода к исследуемой поверхности. Использование лейкопластыря в сочетании с двухсторонней конструкцией идентичных электродов существенно упрощает и ускоряет процесс подготовки к измерениям, что минимизирует влияние внешней среды на медиаторную систему в геле и, соответственно, повышает точность измерений. Заявленные толщина слоя геля и расстояние между поверхностями электродов выбраны оптимальными по результатам исследований с позиции минимизации влияния побочных процессов и времени измерения, что также повышает точность и достоверность результатов измерений.
На фиг. 1 изображено устройство в целом.
На фиг. 2 представлен вид на электроды в плане.
На фиг. 3 представлен вид на электроды с боку.
На фиг. 4 изображены электроды по второму варианту изобретения, выполненные на отдельных подложках.
Устройство для неинвазивного потенциометрического определения оксидантной/антиоксидантной активности биологических тканей содержит электрод сравнения 1 и измерительный электрод 2, выполненные идентичными в виде электропроводящего металлосодержащего слоя 3, нанесенного на противоположные стороны общей диэлектрической подложки в форме пластины 4. Расстояние между наружными поверхностями электродов составляет 1,1…2,2 мм. Диэлектрическая подложка выполнена из высокотемпературного керамического материала. Поверх электропроводящего слоя 3 расположен слой изолятора 5, разделяющий электропроводящий слой 3 на контактную 6 и рабочую 7 зоны. Ширина слоя изолятора 5 не менее ширины пластины 4 диэлектрической подложки. На рабочие зоны 7 электродов 1 и 2 равномерным слоем одинаковой толщины не более 0,3 мм нанесен электропроводящий гель 8 с медиаторной системой. Рабочие зоны 7 электродов во время измерения расположены в корпусе 9, помещенном открытой стороной на исследуемый объект, выполненным из гибкого материала, предпочтительно лейкопластыря с синтетической подложкой. Контактные зоны 6 электрически связаны с прибором для измерения потенциалов 10. Устройство размещают на исследуемом объекте 11.
По второму варианту изобретения электроды 1 и 2 выполнены в виде отдельных планарных толстопленочных электродов, поверх электропроводящего слоя 12 которых расположен слой изолятора 13, разделяющий электропроводящий слой на контактную 14 и рабочую 15 зоны. Подложки 16 электродов 1 и 2 соединены между собой сторонами, обратными поверхностям с электропроводящим слоем 12.
Устройство работает следующим образом.
Пластина 4 с электродами 1 и 2, покрытыми электропроводным гелем 8 с введенной в него медиаторной системой, крепится на поверхности биологической ткани 11, в частности кожи, с помощью лейкопластыря, выполняющего функции корпуса 9 устройства. За счет гибкости корпуса обеспечивается плотное прилегание устройства к поверхности любой формы без образования воздушных пузырей и доступа воздуха к гелю 8. Необходимым условием является нахождение рабочих зон 7 электродов 1 и 2 в контакте с проводящим гелем 8. Установившийся в системе электрический потенциал измеряют с помощью прибора 10. Изменение разности потенциалов фиксируют от момента установления контакта геля и электрода с исследуемым объектом и до истечения 5-15 мин.
Оксидантную/антиоксидантную активность определяют, используя разность конечного и начального потенциалов по формулам:
Ox
Red
где ΔЕ - разница между начальным потенциалом системы и значением потенциала, установившегося в конце измерения, C - концентрация окисленной формы медиаторной системы, М; C - концентрация восстановленной формы медиаторной системы, М; АОА - антиоксидантная активность, М-экв; OA - оксидантная активность, М-экв.
Расстояние между наружными поверхностями электродов, которое составляет 1,1…2,2 мм при условии толщины геля на рабочих поверхностях электродов не более 0,3 мм, является оптимальным, так как, с одной стороны, создает условия, при которых за время измерения оксиданты/антиоксиданты из объекта исследования не достигают рабочей поверхности электрода сравнения, а с другой стороны, обеспечивает минимальное время установления стационарного состояния диффузионных процессов в геле и, как следствие, приводит к корректному измерению потенциала.
При толщине слоя геля между кожей и рабочим электродом более 0,3 мм возрастает время диффузии определяемых веществ к рабочему электроду, что приводит к значительному увеличению времени измерения. При расстоянии между электропроводящими поверхностями электродов менее 1,1 мм определяемые объекты (оксиданты/антиоксиданты) успевают за время измерения продиффундировать к поверхности электрода сравнения, что искажает результаты измерения. При расстоянии между электропроводящими поверхностями электродов более 2,2 мм повышается электрическое сопротивление между ними, что вносит существенную погрешность в результат измерения.
-5
Зависимость точности (погрешности) измерения от толщины слоя электропроводящего геля и расстояния между наружными поверхностями электродов показана измерением АОА модельной системы электропроводящий гель, содержащий медиаторную систему и аскорбиновую кислоту в концентрации 2×10 М-экв. Время измерения - 10 мин.
Погрешность измерений в зависимости от толщины слоя электропроводящего геля приведена в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, с увеличением толщины слоя геля на электродах растет погрешность результатов измерений. При толщине более 0,3 мм она существенно возрастает и становится неприемлемой - более 15%.
Погрешность измерений в зависимости от расстояния между электропроводящими поверхностями электродов представлена в таблице 2.
Результаты измерений показывают, что при расстоянии в пределах 1,1…2,2 мм погрешность находится в допустимых значениях и не превышает 10%, изменяясь пропорционально задаваемому расстоянию. При расстоянии за пределами указанного диапазона расстояний значительно возрастают как сами величины погрешности измерений, так и разброс их значений.
Устройство было использовано для оценки оксидант-антиоксидантной активности кожи у групп пациентов как здоровых, так и страдающих различными заболеваниями. В таблице 3 приведена выборка результатов таких измерений с помощью заявленного устройства (число параллелей n=4-5).
Как видно из приведенных примеров, устройство обеспечивает достоверное определение оксидантной/антиоксидантной активности кожи человека в зависимости от состояния организма.
Предлагаемое устройство, обеспечивая достоверное и точное определение оксидантного/антиоксидантного состояния живой биологической ткани, существенно упрощает и удешевляет процесс измерения.