Буфер Сёренсена¶

Буфер Сёренсена — это смесь слабой кислоты и её сопряжённого основания (или слабого основания и его сопряжённой кислоты), способная поддерживать относительно постоянное значение pH при добавлении небольших количеств сильной кислоты или щёлочи, а также при разбавлении. Термин часто используется как синоним фосфатного буфера, но в более широком смысле относится к любому буферному раствору, приготовленному по принципу, предложенному датским химиком Сёреном Сёренсеном.

¶История

Концепция буферных растворов была разработана в начале XX века. В 1909 году датский биохимик Сёрен Петер Лауриц Сёренсен (1868–1939) ввёл понятие pH (от лат. pondus hydrogenii — «вес водорода») как отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода. Работая в лаборатории пивоваренной компании Carlsberg, Сёренсен изучал влияние кислотности на ферментативные реакции. Для точного измерения pH ему требовались растворы с известным и стабильным значением, которые не меняли бы свою кислотность в ходе эксперимента. В 1909 году он опубликовал работу, где описал метод приготовления фосфатных буферных смесей (KH₂PO₄ и Na₂HPO₄), которые позволяли поддерживать pH в диапазоне от 5,29 до 8,04. Эти растворы получили название «буферы Сёренсена» (или «фосфатные буферы Сёренсена»). Впоследствии принцип был распространён на другие системы, и термин стал нарицательным.

¶Принцип действия

Буфер Сёренсена работает на основе равновесия между слабой кислотой (HA) и её сопряжённым основанием (A⁻). При добавлении сильной кислоты (H⁺) ионы водорода связываются с основанием A⁻, образуя слабую кислоту HA. При добавлении сильного основания (OH⁻) гидроксид-ионы нейтрализуются кислотой HA, превращаясь в воду и основание A⁻. Таким образом, изменения pH минимизируются. Эффективность буфера описывается уравнением Гендерсона — Хассельбаха:

\[ \text{pH} = \text{p}K_a + \log\left(\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]}\right) \]

где pKₐ — отрицательный логарифм константы диссоциации слабой кислоты. Для фосфатного буфера pKₐ второй ступени фосфорной кислоты (H₃PO₄ → H⁺ + H₂PO₄⁻) составляет около 7,21 при 25 °C, что делает его пригодным для поддержания pH вблизи физиологических значений (6,8–7,4).

¶Классификация и виды

Хотя термин «буфер Сёренсена» чаще всего ассоциируется с фосфатным буфером, существуют и другие системы, приготовленные по аналогичному принципу:

¶Фосфатный буфер (основной)

Состоит из смеси одноосновного фосфата калия (KH₂PO₄) и двухосновного фосфата натрия (Na₂HPO₄). Изменяя соотношение компонентов, можно получить буфер с pH от 5,8 до 8,0. Наиболее распространённый вариант — фосфатно-солевой буфер (PBS), используемый в биологии и медицине.

¶Цитратный буфер

Смесь лимонной кислоты и её натриевой соли (цитрата натрия). Работает в диапазоне pH 3,0–6,2. Часто применяется в пищевой промышленности и биохимии.

¶Боратный буфер

Смесь борной кислоты (H₃BO₃) и её соли (например, тетрабората натрия). Диапазон pH 7,5–9,0. Используется в аналитической химии и электрофорезе.

¶Ацетатный буфер

Смесь уксусной кислоты (CH₃COOH) и ацетата натрия (CH₃COONa). Диапазон pH 3,7–5,6. Применяется в биохимических исследованиях и промышленности.

¶Применение

Буферы Сёренсена нашли широкое применение в различных областях науки и техники:

¶Биохимия и молекулярная биология

• Поддержание pH в ферментативных реакциях (например, при измерении активности ферментов).
• Использование в качестве компонента буферных растворов для электрофореза (например, TAE-буфер, TBE-буфер).
• Приготовление сред для культивирования клеток (PBS-буфер).
• В иммуноферментном анализе (ELISA) для промывки и разведения образцов.

¶Медицина

• В физиологических растворах для внутривенного введения (например, фосфатный буфер в составе инфузионных препаратов).
• В диагностических наборах для определения pH мочи, крови или других биологических жидкостей.
• В стоматологии — для приготовления растворов для обработки корневых каналов.

¶Пищевая промышленность

• Регулирование кислотности продуктов (например, в безалкогольных напитках, джемах, соусах).
• Стабилизация цвета и вкуса консервированных продуктов.
• В производстве сыров и молочных продуктов для контроля pH при сквашивании.

¶Аналитическая химия

• Калибровка pH-метров (стандартные буферные растворы с известным pH).
• Проведение титрования и других аналитических процедур, требующих постоянного pH.
• В хроматографии — в качестве подвижной фазы для разделения веществ.

¶Экология и гидрохимия

• Моделирование буферной ёмкости природных вод (например, океанической воды).
• Оценка устойчивости водных экосистем к кислотным дождям.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Простота приготовления: компоненты (фосфаты, цитраты, бораты) доступны и недороги.
• Широкий диапазон pH (от 3 до 9) при использовании разных систем.
• Хорошая воспроизводимость результатов.
• Биосовместимость (фосфатный буфер нетоксичен для большинства клеток).

¶Недостатки

• Фосфатный буфер может осаждать ионы кальция и магния, что ограничивает его применение в присутствии этих катионов (например, в физиологических растворах для клеток).
• Некоторые буферы (например, цитратный) могут влиять на активность ферментов, образуя комплексы с металлами.
• Боратный буфер токсичен для живых организмов при высоких концентрациях.
• Буферная ёмкость ограничена: при добавлении большого количества кислоты или щёлочи pH может выйти за пределы рабочего диапазона.

¶Интересные факты

• Сёрен Сёренсен разработал буферные растворы, работая над проблемой пивоварения: pH влиял на активность ферментов, расщепляющих крахмал, и на качество пива.
• В честь Сёренсена назван не только буфер, но и единица измерения pH (иногда называемая «сёренсен»), хотя в современной практике используется просто pH.
• Фосфатный буфер Сёренсена до сих пор используется в некоторых учебных лабораториях как классический пример буферной системы.
• В 1912 году Сёренсен опубликовал точные таблицы для приготовления фосфатных буферов с заданным pH, которые оставались стандартом до середины XX века.

¶Источники

• Sørensen, S. P. L. (1909). «Enzymstudien II: Über die Messung und die Bedeutung der Wasserstoffionenkonzentration bei enzymatischen Prozessen». Biochemische Zeitschrift, 21, 131–304.
• Lehninger, A. L., Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2008). Principles of Biochemistry (5th ed.). W. H. Freeman.
• Harris, D. C. (2010). Quantitative Chemical Analysis (8th ed.). W. H. Freeman.
• Буферные растворы // Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1969–1978.
• ГОСТ 8.135-2004 «ГСИ. Стандарт-титры для приготовления буферных растворов — эталонов pH. Технические условия».