Разработка высокочувствительных сенсоров для измерения локальной концентрации молекулярного кислорода in vivo неразрушающими методами весьма актуальна, поскольку хорошо известна центральная роль кислорода во многих нормальных и патологических процессах в клетках и тканях. Достоверные сведения о стационарной концентрации О₂ так же, как данные о кинетике поглощения кислорода в клетках и тканях, могут быть важны для диагностики и исследований на молекулярном уровне.

Неразрушающие методы магнитного резонанса находят все возрастающее применение для решения проблем оксиметрии [1]. В настоящее время в этих целях используется главным образом метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) с применением свободных нитроксильных радикалов в качестве сенсорного элемента. Метод ЭПР-оксиметрии использует эффект влияния молекулярного кислорода на спиновую релаксацию нитроксильных радикалов, которое регистрируется по изменению ширины линии ЭПР (D В). Однако существующие нитроксильные сенсоры обладают рядом принципиальных недостатков, связанных прежде всего с их биоокислением в живых тканях. Кроме того, реальная концентрация кислорода в клетках часто оказывается настолько малой, что не влияет на магнитные параметры нитроксильных радикалов.

Недавно [2] нами был предложен новый класс сенсоров кислорода для ЭПР-оксиметрии, основанный на углеродных материалах. Новые сенсоры отвечают одновременно как требованию высокой чувствительности, так и требованию высокой устойчивости к биоокислению в живых клетках и тканях. Предварительные исследования показали, что свойства углей как кислородных сенсоров определяются не только выбором исходного материала; в значительной степени они зависят от режима тепловой обработки (температуры и времени нагрева), состава газовой атмосферы, в которой проводится синтез углей, различных добавок (твердых и газообразных), присутствующих в системе, а также от размера угольных частиц. В результате была разработана оптимальная процедура синтеза, включающая следующие стадии: низкотемпературный пиролиз на управляемой компьютером установке с программируемым профилем изменения температуры в газовой атмосфере определенного cостава; измельчение полученных углей на агатовой шаровой мельнице; выделение фракций угольных частиц определенного размера с помощью микросит. Таким способом были получены угли из различных органических материалов: древесины, крахмала, хлопка, хитина и др.

Каждый из образцов угля был проверен на чувствительность к кислороду по измерениям ширины линии спектра ЭПР в водных суспензиях, обогащенных смесью кислорода и азота, взятых в известной пропорции. Измерения показали, что спектр ЭПР может быть представлен суммой двух лоренцевых линий, ширина которых по-разному зависит от концентрации кислорода. Такое поведение объясняется наличием двух типов парамагнитных центров - поверхностных и внутренних. Влияние кислорода сказывается, в первую очередь, на релаксации электронных спинов, расположенных на поверхности угольных частиц, что приводит к значительному уширению соответствующей линии спектра ЭПР пропорционально увеличению концентрации кислорода в суспензии. Увеличение скорости релаксации спинов остальных электронов, располагающихся внутри частиц угля, обусловлено наличием сильных обменных взаимодействий между электронными спинами [3]. Анализ, проведенный в рамках существующей теории обмена [4], показал, что уширение линии спектра ЭПР внутренних парамагнитных центров лимитируется скоростью обмена, зависящей от особенностей структуры угля. Это объясняет нелинейный характер соответствующей зависимости D В от концентрации О₂, а также влияние условий синтеза углей на параметры их спектра ЭПР.

Было проведено также изучение ядерной магнитной релаксации протонов воды в угольных суспензиях. Полученные данные подтвердили способность вновь синтезированных углей адсорбировать растворенные в воде молекулы парамагнитных веществ, таких как кислород, что открывает возможность разработки экспресс-метода оценки качества углеродных сенсоров.

Таблица

В результате проведенных исследований установлено, что наилучшими характеристиками обладают угли, полученные из древесины твердых пород (hardwood char) экзотических деревьев Центральной Америки и Бразилии. В табл. представлены для сравнения типичные значения некоторых параметров для различных классов кислородных сенсоров. Как можно видеть, применение новых углеродных сенсоров позволяет на несколько порядков повысить чувствительность и точность измерений концентрации молекулярного кислорода.

Characteristics of new class of oxygen sensors produced by means of a highly controlled low-temperature pyrolysis from different carbonaceous materials and used in conjunction with magnetic resonance methods for local oxygen concentration measurements were studied. Mechanisms of influence of dissolved oxygen on the linewidth of electron paramagnetic resonance and relaxation rate were discussed. It was shown that the use of highly-dispersed hardwood chars allows to increase greatly the accuracy of resonance methods of oxymetry.