Буфер Бриттона — Робинсона

Буфер Бриттона — Робинсона — это универсальный буферный раствор, широко используемый в биохимии и молекулярной биологии для поддержания стабильного значения pH в широком диапазоне (от 2,0 до 12,0). Представляет собой смесь трёх слабых кислот (борной, ортофосфорной и уксусной), титруемую сильным основанием (обычно гидроксидом натрия) до заданного pH. Назван в честь британских химиков Хьюберта Т. Бриттона и Роберта А. Робинсона, впервые описавших его в 1931 году.

Состав и принцип действия

Буфер Бриттона — Робинсона относится к так называемым «универсальным» буферам, способным поддерживать pH в широком интервале благодаря наличию нескольких кислотно-основных пар. В его состав входят три кислоты, каждая из которых имеет собственные константы диссоциации (pKa):

• Уксусная кислота (CH₃COOH, pKa ≈ 4,76) — обеспечивает буферную ёмкость в кислой области.
• Ортофосфорная кислота (H₃PO₄, pKa₁ ≈ 2,15; pKa₂ ≈ 7,20; pKa₃ ≈ 12,35) — даёт три буферные зоны в кислой, нейтральной и щелочной средах.
• Борная кислота (H₃BO₃, pKa ≈ 9,24) — дополняет буферную ёмкость в слабощелочной области.

При добавлении сильного основания (NaOH) происходит последовательная нейтрализация кислот, и в растворе образуются соответствующие сопряжённые основания (ацетат-, дигидрофосфат-, гидрофосфат-, фосфат- и борат-ионы). Совокупность этих пар позволяет раствору эффективно противостоять изменению pH при добавлении кислот или щелочей в диапазоне от 2 до 12.

Приготовление

Стандартный рецепт приготовления 1 литра буфера Бриттона — Робинсона (концентрация каждой кислоты 0,04 М) включает:

• 2,47 мл ледяной уксусной кислоты (CH₃COOH, 100%).
• 2,72 мл 85%-ной ортофосфорной кислоты (H₃PO₄).
• 2,47 г борной кислоты (H₃BO₃, кристаллической).

Указанные компоненты растворяют в дистиллированной воде, доводя объём до 1 литра. Полученный раствор имеет pH около 1,9. Для получения буфера с заданным pH его титруют 0,2 М раствором гидроксида натрия (NaOH) до нужного значения, контролируя pH с помощью pH-метра. После титрования объём доводят до 1 литра водой.

Таблица: Примерные объёмы 0,2 М NaOH для получения заданного pH

Примечание: значения являются приблизительными и могут незначительно варьироваться в зависимости от чистоты реактивов и точности измерений.

Свойства

• Широкий диапазон pH: от 2,0 до 12,0, что покрывает почти всю шкалу кислотности.
• Низкая ионная сила: концентрация каждой кислоты составляет 0,04 М, что делает буфер пригодным для экспериментов, чувствительных к высокой ионной силе (например, электрофорез или ферментативные реакции).
• Совместимость: буфер не содержит ионов металлов (кроме натрия), что важно для работы с металлозависимыми ферментами.
• Недостатки: борная кислота может образовывать комплексы с некоторыми сахарами (например, с маннитом), что ограничивает применение в исследованиях углеводов. Кроме того, фосфаты могут осаждать многовалентные катионы (Ca²⁺, Mg²⁺), что необходимо учитывать при работе с биологическими жидкостями.

Применение

Буфер Бриттона — Робинсона нашёл широкое применение в различных областях биохимии и аналитической химии:

### Биохимические исследования

• Изучение зависимости активности ферментов от pH: благодаря широкому диапазону, буфер позволяет проводить измерения активности ферментов в кислой, нейтральной и щелочной средах без изменения состава раствора.
• Электрофорез белков и нуклеиновых кислот: используется в качестве буфера для гелей и электродных буферов, особенно в случаях, когда требуется низкая ионная сила.
• Иммунохимические методы: применяется в ELISA и других иммуноферментных анализах для создания стабильных условий реакции.

### Аналитическая химия

• pH-метрия: используется для калибровки pH-метров в широком диапазоне, так как обеспечивает стабильные значения pH.
• Потенциометрическое титрование: служит фоновым электролитом при определении констант диссоциации слабых кислот и оснований.
• Спектрофотометрия: применяется для изучения спектральных свойств веществ в зависимости от pH.

### Микробиология и клеточная биология

• Культивирование микроорганизмов: используется для приготовления питательных сред, требующих стабильного pH в широком диапазоне.
• Исследования клеточного метаболизма: позволяет изучать влияние pH на рост и метаболизм клеток.

История

Буфер был впервые описан в 1931 году британскими химиками Хьюбертом Т. Бриттоном и Робертом А. Робинсоном в статье «Universal Buffer Mixtures and the pH Scale», опубликованной в журнале Journal of the Chemical Society. Авторы предложили смесь трёх кислот, которая, по их данным, обеспечивала линейную зависимость pH от объёма добавляемого основания в широком диапазоне. Впоследствии буфер получил широкое распространение в лабораторной практике, особенно в биохимии, где требовались универсальные буферные системы.

Сравнение с другими универсальными буферами

Помимо буфера Бриттона — Робинсона, существуют и другие универсальные буферные системы, например:

• Буфер Мак-Илвейна (цитратно-фосфатный) — диапазон pH 2,2–8,0, но содержит цитрат, который может связывать ионы металлов.
• Буфер Сёренсена (фосфатный) — диапазон pH 5,8–8,0, ограничен нейтральной областью.
• Буфер Триса — эффективен в диапазоне pH 7,0–9,0, но его буферная ёмкость сильно зависит от температуры.
• Буфер Хепеса — используется в биологии клетки, но имеет узкий диапазон (pH 6,8–8,2).

Буфер Бриттона — Робинсона выгодно отличается от них самым широким диапазоном pH (2–12) и низкой ионной силой, что делает его незаменимым для экспериментов, требующих изменения pH в широких пределах без смены буферной системы.

Критика и ограничения

Несмотря на универсальность, буфер Бриттона — Робинсона имеет ряд недостатков:

• Комплексообразование с сахарами: борная кислота образует комплексы с полиолами (например, с маннитом, сорбитом), что может искажать результаты экспериментов с углеводами.
• Осаждение фосфатов: фосфат-ионы могут осаждать двухвалентные катионы (Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺), что ограничивает применение в средах, содержащих эти ионы.
• Нестабильность при высоких температурах: при нагревании возможно разложение борной кислоты, что приводит к изменению pH.
• Токсичность борной кислоты: хотя в малых концентрациях борная кислота безопасна, при длительном воздействии или в высоких дозах она может оказывать токсическое действие на живые организмы, что требует осторожности при работе с клеточными культурами.

Интересные факты

• Буфер Бриттона — Робинсона часто называют «универсальным буфером Бриттона — Робинсона», хотя существуют и другие универсальные буферы, например, «универсальный буфер Кольтгофа» или «универсальный буфер Сёренсена».
• В некоторых источниках буфер ошибочно называют «буфером Бриттона — Робинсона — Уолпола», однако последний — это отдельный тип буфера на основе уксусной кислоты и ацетата натрия.
• В 2010-х годах буфер Бриттона — Робинсона был использован в исследованиях по созданию «искусственных ферментов» — наночастиц, имитирующих активность природных ферментов, где требовалась стабильная среда при различных pH.

Источники

• Britton, H. T. S.; Robinson, R. A. (1931). «Universal Buffer Mixtures and the pH Scale». Journal of the Chemical Society. 1931: 1456–1462.
• Perrin, D. D.; Dempsey, B. (1974). Buffers for pH and Metal Ion Control. London: Chapman and Hall.
• Stoll, V. S.; Blanchard, J. S. (2009). «Buffers: Principles and Practice». Methods in Enzymology. 463: 43–56.
• Scopes, R. K. (1994). Protein Purification: Principles and Practice. 3rd ed. New York: Springer-Verlag.
• Harris, D. C. (2010). Quantitative Chemical Analysis. 8th ed. New York: W. H. Freeman and Company.