Ионы калия: Роль ионов калия для организма

Ионы калия повысили эффективность превращения азота в аммиак

Международная группа исследователей, в состав которой вошёл сотрудник Сибирского федерального университета, обнаружила, что наночастицы золота, выращенные на органической матрице, содержащей ионы калия, показывают значительно большую эффективность электрохимического преобразования азота в аммиак. Работа опубликована в журнале Journal of Materials Chemistry A в коллекции «HOT Papers».

Аммиак — одно из наиболее широко производимых неорганических химических веществ. Большая часть современной промышленности и сельского хозяйства основана на использовании аммиака, который является важным сырьём для производства пластмасс, волокон, красителей, взрывчатых веществ, смол, фармацевтических препаратов и искусственных удобрений. При этом 80% и более производимого аммиака используется для удобрения сельскохозяйственных культур.

В индустриальном масштабе синтез аммиака идёт наиболее распространённым путём (процесс Хабера-Боша): смесь азота и водорода пропускается через нагретый катализатор (400-600° С) под высоким давлением (150-350 атм.). Однако такой процесс является энергоёмким, и на его долю приходится от 1 до 2% мирового годового потребления энергии. Поэтому крупномасштабное производство аммиака сопровождается высокой себестоимостью. Водород для этого процесса производится из природного газа, что ведет к выделению большого количества CO2 (не менее 450 миллионов тонн в год), усугубляя парниковый эффект.

В последние годы учёные стали обращать внимание на возможность производства аммиака с помощью электрохимической реакции восстановления азота. Такой процесс может управляться электричеством, получаемым от солнечной и ветровой энергии, и весь процесс преобразования может протекать при нормальных условиях. Множество катализаторов было исследовано за последние несколько лет, но их желаемая эффективность всё еще находится на начальной стадии, поскольку сложно одновременно достичь высокого выхода аммиака и выхода по току.

«Нашим коллегам из Китая удалось экспериментально приготовить катализаторы на основе ультрадисперсных наночастиц золота, встроенных в органическую матрицу, содержащую ионы калия. Эти катализаторы показали высокую стабильность и одновременную эффективность выхода аммиака и выхода по току. Для объяснения механизма работы катализатора мы создали модели и провели ряд расчётов. Обнаружилось, что присутствие катионов калия создает двойной эффект. С одной стороны, предотвращает приближение h4O+ к поверхности золота за счёт отталкивания от положительно заряженной координационной сферы комплексов K+, что приводит к подавлению конкурирующей нежелательной реакции выделения водорода. И с другой стороны, одновременно с этим переносимый заряд усиливает взаимодействие между связанной молекулой азота и поверхностью золота, что приводит к снижению лимитирующей стадии»

, — рассказал соавтор работы, старший научный сотрудник лаборатории нелинейной оптики и спектроскопии СФУ Артём Куклин.

Калия хлорид с глюкозой 5 мг/50 мг/мл

Краткая информация

Калий является основным внутриклеточным ионом, подобно тому как главным внеклеточным ионом является натрий. Взаимодействие этих ионов имеет важное значение в поддержании изотоничности клеток. Содержание калия в сыворотке крови человека составляет около 5,11 ммоль/л. Ионы калия играют существенную роль в регулировании функций организма.

Сердечная мышца реагирует на повышение содержания калия уменьшением возбудимости и проводимости. Большие дозы уменьшают автоматизм и сократительную способность миокарда. Увеличение концентрации калия в крови в 4 раза (что практически возможно только при внутривенном введении) приводит к остановке сердца. Снижение содержания калия в сыворотке  крови  повышает  опасность  развития  аритмий  при  применении

больших доз наперстянки; рост концентрации калия уменьшает опасность токсического действия сердечных гликозидов на сердце. Являясь антагонистом сердечных гликозидов в отношении влияния на ритм сердца, калий в то же время не противодействует их положительному инотропному действию.

Калий участвует в процессе проведения нервных импульсов и передачи их на иннервируемые органы. Введение в организм калия сопровождается повышением содержания ацетилхолина и возбуждением симпатического отдела нервной системы; при внутривенном введении отмечается увеличение выделения надпочечниками адреналина.

Показания к применению: 
Гипокалиемия (в том числе на фоне сахарного диабета, длительной диареи и/или рвоты, терапии гипотензивными лекарственными средствами, некоторыми диуретиками, ГКС), лечение и профилактика дигиталисной интоксикации, профилактика аритмии у больных с острым инфарктом миокарда.

Противопоказания: 
Гиперкалиемия, полная АV блокада, надпочечниковая недостаточность, ХПН, сопутствующая терапия калийсберегающими диуретиками, метаболические нарушения (ацидоз, гиповолемия с гипонатриемией), эрозивно-язвенные заболевания желудочно-кишечного тракта, возраст до 18 лет (эффективность и безопасность не установлены).

С осторожностью: Беременность, период лактации.

Сдать анализ на калий, натрий, хлор в крови

Метод определения Ион-селективный, ионселективные электроды (непрямой метод).

Исследуемый материал Сыворотка крови

Доступен выезд на дом

Онлайн-регистрация

Синонимы: Анализ крови на электррлиты; Электролиты в сыворотке крови. Electrolyte Panel; Serum electrolyte test; Sodium, Potassium, Chloride; Na/K/Cl. 

Краткая характеристика определяемых веществ (Калий, Натрий, Хлор) 

Калий (К+) 

Основной внутриклеточный катион. 

 Калий участвует в создании и поддержании ионных градиентов и мембранного потенциала клеток, в механизмах возбуждения нервных и мышечных волокон. Концентрация К+ внутри клеток существенно выше, чем во внеклеточной жидкости. Это соотношение поддерживается низкой проницаемостью клеточной мембраны для калия и работой Na+/K+-АТФазы – мембранного «насоса», который постоянно накачивает калий внутрь клетки. Уровень калия плазмы крови – важная физиологическая константа. Гиперкалиемия связана с риском остановки сердца. При гипокалиемии развиваются нарушения сердечного ритма, мышечная слабость, парезы кишечника, снижение рефлексов, гипотония. Концентрация К+ в плазме крови определяется количеством поступающего извне элемента, балансом калия между клетками и внеклеточной жидкостью и уровнем выведения его из организма почками (а также через потовые железы и кишечник). Содержание калия в пище может существенно изменять его концентрацию в плазме крови, поскольку механизмы поддержания калиевого гомеостаза достаточно медленны. В почках он фильтруется в клубочках, подвергается практически полной реабсорбции в проксимальных канальцах и секретируется в дистальных отделах. Выведение К+ почками зависит от его концентрации в плазме крови, уровня мочетока в дистальных канальцах, кислотно-основного состояния и влияния минералокортикоидов. Снижение почечной фильтрации (с соответствующим уменьшением дистального мочетока) ведет к уменьшению секреции калия и задержке его в организме. Альдостерон вызывает увеличение секреции К+ в канальцах почек (это связано с регуляцией баланса натрия). Изменение рН крови влияет на активность Na+/K+-АТФазы мембран клеток, приводит к изменению баланса калия между клетками крови и плазмой: при ацидозе К+ выходит из клеток в плазму крови, при алкалозе поступает внутрь клеток. Переход калия в клетки, параллельно транспорту глюкозы, вызывает увеличение концентрации инсулина. Механизм действия многих диуретиков, стимулирующих усиление экскреции натрия и воды, обуславливает увеличенные потери калия с мочой. При принятии диагностических и терапевтических решений в случаях гиперкалиемии следует исключить преаналитические погрешности. К ложному повышению калия в плазме приводит гемолиз крови, связанный с нарушениями правил взятия крови. Длительное хранение пробы крови до центрифугирования и отделения сыворотки или плазмы крови от форменных элементов вызывает повышение калия в пробе вследствие выхода его из клеток. Этот процесс гораздо быстрее идет при хранении пробы в холодильнике (снижение температуры блокирует активность Na+/K+-АТФазы), а также при значительных лейкоцитозах и экстремально повышенном количестве тромбоцитов. Повышение калия в пробе крови может быть вызвано загрязнением антикоагулянтами (калиевые соли ЭДТА и гепарина). 

Натрий (Na+) 

Основной катион, содержащийся во внеклеточном пространстве. 

Важнейший осмотически активный компонент внеклеточного пространства, с которым связана регуляция распределения воды в организме и поддержание нормального объема внеклеточной жидкости. 96% общего количества натрия в организме содержится вне клеток. Изменения концентрации Na+ во внеклеточной жидкости вызывают быстрое перераспределение воды, что приводит к вторичным изменениям объема внеклеточной жидкости. Натрий участвует в механизмах возбуждения нервных и мышечных клеток, формировании щелочного резерва крови. Снижение его уровня в плазме вызывает общую слабость, а значительная гипонатриемия приводит к развитию различных неврологических нарушений. Натрий поступает с пищей при обычной диете в избыточных количествах и практически полностью всасывается в кишечнике; избыток натрия экскретируется почками. Почки – основной орган регуляции натриевого обмена и мишень действия диуретиков, гипотензивных препаратов. Ионы Na+ фильтруются в почечных клубочках, а затем подвергаются регулируемой реабсорбции в разных отделах почечных канальцев. Главными регуляторами обмена натрия являются ренин-ангиотензин-альдостероновая система, вазопрессин (антидиуретический гормон), предсердный натрийуретический гормон. Изменения баланса натрия сопровождают многие патологические состояния. 

Хлор (Сl-)

Основной анион внеклеточной жидкости. 

Вместе с натрием составляет основную часть осмотически активных компонентов плазмы. Ионы хлора играют важную роль в распределении воды, в поддержании осмотического давления и кислотно-основного состояния. Содержание Сl- во внеклеточной жидкости в 40-50 раз выше его содержания в цитоплазме клеток. Это основной анион секретов желудка. При потере хлоридов развивается алкалоз, при избытке – ацидоз. В организм хлор поступает с пищей и почти полностью всасывается в желудочно-кишечном тракте. В почках ионы хлора фильтруются в клубочках, затем реабсорбируются в канальцах – пассивно, вслед за натрием, а также механизмами активного транспорта. Его выделение с мочой изменяется при действии эндогенных факторов и лекарственных препаратов, влияющих на почечную реабсорбцию натрия и воды, а также при состояниях, связанных с изменениями кислотно-основного состояния. Содержание Сl- в крови в норме изменяется параллельно изменению содержания натрия, изолированное изменение концентрации хлоридов наблюдается при нарушениях кислотно-основного состояния. 

С какой целью определяют уровни Калия, Натрия и Хлора в крови 

Натрий, калий, хлор входят в число основных электролитов плазмы. Тест используют для выявления нарушений электролитного баланса при различных патологических состояниях и в контроле лечения.

Препараты, содержащие ионы калия и магния — список препаратов из 01.11.02.02.01 входит в группу клинико-фармакологических указателей (КФУ) 01.11.02.02

	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 10 г: банки или фл.; пак. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12 или 20 шт. рег. №: ЛП-006784 от 16.02.21 Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 20 г: банки или фл.; пак. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12 или 20 шт. рег. №: ЛП-006784 от 16.02.21 Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 25 г: банки или фл.; пак. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12 или 20 шт. рег. №: ЛП-006784 от 16.02.21 Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 50 г: банки или фл.; пак. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12 или 20 шт. рег. №: ЛП-006784 от 16.02.21
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 10 г: пак. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40 или 50 шт. рег. №: ЛП-005429 от 28.03.19
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 10 г: пак. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12 или 20 шт. рег. №: ЛП-002672 от 23.10.14
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 10 г: пак. 1, 2, 5, 10, 20 или 50 шт. рег. №: ЛП-003670 от 06.06.16 Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 20 г: пак. 1, 2, 5, 10, 20 или 50 шт. рег. №: ЛП-003670 от 06.06.16 Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 25 г: пак. 1, 2, 5, 10, 20 или 50 шт. рег. №: ЛП-003670 от 06.06.16
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 10 г: пак. 10 шт. рег. №: ЛП-005322 от 31.01.19
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 10 г: пакеты 3 шт. рег. №: ЛСР-001325/10 от 24.02.10
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 20 г: банки 1 шт. рег. №: ЛСР-001325/10 от 24.02.10
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 20 г: банки темного стекла рег. №: ЛСР-001325/10 от 24.02.10
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 20 г: пак. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40 или 50 шт. рег. №: ЛП-005429 от 28.03.19
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 20 г: пак. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10 или 20 шт. рег. №: ЛП-003463 от 16.02.16 Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 25 г: пак. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10 или 20 шт. рег. №: ЛП-003463 от 16.02.16 Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 50 г: пак. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10 или 20 шт. рег. №: ЛП-003463 от 16.02.16
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 20 г: пак. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12 или 20 шт. рег. №: ЛП-002672 от 23.10.14
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 20 г: пак. 10 шт. рег. №: ЛП-005322 от 31.01.19
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 20г: банки или пакеты рег. №: Р N000365/01 от 18.07.08
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 25 г: пак. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40 или 50 шт. рег. №: ЛП-005429 от 28.03.19
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 25 г: пак. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12 или 20 шт. рег. №: ЛП-002672 от 23.10.14
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 25 г: пак. 10 шт. рег. №: ЛП-005322 от 31.01.19
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 50 г: пак. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40 или 50 шт. рег. №: ЛП-005429 от 28.03.19
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь: 10, 20 или 25 г пак. рег. №: ЛП-001628 от 06.04.12
	Магния сульфат		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь: пак. 10 г рег. №: ЛП-003929 от 27.10.16 Дата перерегистрации: 17.07.17 Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь: пак. 20 г рег. №: ЛП-003929 от 27.10.16 Дата перерегистрации: 17.07.17 Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь: пак. 25 г рег. №: ЛП-003929 от 27.10.16 Дата перерегистрации: 17.07.17
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 1 г/5 мл: амп. 10 шт. рег. №: Р N001483/01 от 04.12.08
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 1 г/5 мл: амп. 10 шт. рег. №: П N016215/01 от 09.06.10
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 1.25 г/5 мл: амп. 10 шт. рег. №: Р N001483/01 от 04.12.08
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 1.25 г/5 мл: амп. 10 шт. рег. №: Р N000627/01 от 27.08.10
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 1.25 г/5 мл: амп. 10 шт. рег. №: Р N001826/01 от 07.05.13
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 1.25 г/5 мл: амп. 10 шт. рег. №: Р N001547/01 от 22.07.08
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 1.25 г/5 мл: амп. 10 шт. рег. №: ЛСР-007956/08 от 08.10.08
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 1.25 г/5 мл: амп. 10 шт. рег. №: П N016215/01 от 09.06.10
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 1.25 г/5 мл: амп. 5, 10 или 20 шт. рег. №: ЛСР-007707/08 от 25.09.08
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 2 г/10 мл: амп. 10 шт. рег. №: Р N001483/01 от 04.12.08
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 2.5 г/10 мл: амп. 10 шт. рег. №: Р N001483/01 от 04.12.08
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 2.5 г/10 мл: амп. 10 шт. рег. №: ЛСР-008316/08 от 21.10.08
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 2.5 г/10 мл: амп. 10 шт. рег. №: Р N001547/01 от 22.07.08
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 2.5 г/10 мл: амп. 10 шт. рег. №: Р N000627/01 от 27.08.10
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 2.5 г/10 мл: амп. 10 шт. рег. №: Р N001826/01 от 07.05.13
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 2.5 г/10 мл: амп. 10 шт. рег. №: ЛСР-007956/08 от 08.10.08
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 2.5 г/10 мл: амп. 5, 10 или 20 шт. рег. №: ЛСР-007707/08 от 25.09.08
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 250 мг/1 мл: амп. 5 мл или 10 мл 5, 10, 20, 50 или 100 шт. рег. №: ЛП-002860 от 16.02.15 Дата перерегистрации: 17.02.20
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 250 мг/мл: 5 мл или 10 мл амп. 5 или 10 шт. рег. №: ЛП-002345 от 15.01.14
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 250 мг/мл: амп. 5 или 10 мл 5 или 10 шт. рег. №: Р N000504/01 от 02.04.12 Дата перерегистрации: 13.05.16	Произведено: ОЗОН (Россия)
	Магния сульфат		Р-р д/в/в введения 250 мг/мл: амп. 5 мл или 10 мл 10 шт. рег. №: ЛСР-001482/08 от 14.03.08 Дата перерегистрации: 14.12.11
	Магния сульфат		Р-р д/в/в и в/м введения 1.25 г/5 мл: амп. 10 шт. рег. №: ЛС-001207 от 24.06.11
	Магния сульфат		Р-р д/в/в и в/м введения 25% (1.25 г/5 мл): амп. 10 шт. рег. №: ЛС-000167 от 23.04.10
	Магния сульфат		Р-р д/в/в и в/м введения 25% (2.5 г/10 мл): амп. 10 шт. рег. №: ЛС-000167 от 23.04.10
	Магния сульфат		Р-р д/в/в и в/м введения 250 мг/мл: 5 мл или 10 мл амп. 10 шт. рег. №: П N016215/01 от 09.06.10
	Магния сульфат буфус		Р-р д/в/в введения 250 мг/1 мл: 5 мл или 10 мл амп. 10 шт. рег. №: ЛП-005272 от 21.12.18
	Магния сульфат-Дарница		Р-р д/в/в введения 1.25 г/5 мл: амп. 10 шт. рег. №: П N010669 от 19.09.12
	Магния сульфат-Дж		Р-р д/в/в введения 250 мг/1 мл: амп. 5 мл или 10 мл 5 или 10 шт. рег. №: ЛП-003262 от 20.10.15 Дата перерегистрации: 23.09.19
	Магния сульфат-ЛекТ		Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 10 г: пак. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 20, 50 или 100 шт. рег. №: ЛП-006854 от 17.03.21 Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 20 г: пак. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 20, 50 или 100 шт. рег. №: ЛП-006854 от 17.03.21 Порошок д/пригот. р-ра д/приема внутрь 25 г: пак. 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 20, 50 или 100 шт. рег. №: ЛП-006854 от 17.03.21
	Кормагнезин		Р-р д/в/в введения 200 мг/мл: 10 мл амп. 5 шт. рег. №: П N012743/01 от 18.08.06	Произведено: SOLUPHARM (Германия)
	Кормагнезин®		Р-р д/инъекц. 1 г/10 мл: амп. 5 шт. рег. №: П N012743/01-2001 от 02.03.06 Р-р д/в/в введения 409.5 мг/1 мл: амп. 10 мл 5 шт. рег. №: П N012743/01 от 25.03.11	Произведено: SOLUPHARM (Германия)

Калий, ионы — Справочник химика 21

    Образование малорастворимого гексанитрокобальтата(111) калия. Ионы Со + окисляются в уксуснокислой среде нитрит-ионами [c.269]

    Одним из наиболее важных практических применений перманганатометрии является определение железа. На анализ обычно поступают пробы, содержащие железо (И1), поэтому перед титрованием его необходимо восстановить до железа (П). Пробу, содержащую только железо (И), титруют в сернокислом растворе в соответствии с уравнением (13.2) до появления бледно-розового окрашивания раствора, вызванного избыточной каплей перманганата калия. Ионы Ре(П1), образующиеся при титровании, имеют желтый цвет, что несколько затрудняет фиксирование точки эквивалентности. Для более четкого обнаружения точки эквивалентности в пробу вводят фосфорную кислоту, образующую с ионами Ре (И ) бесцветный комплекс. Для восстановления Ре(П1) до Ре(П) можно использовать различные восстановители, необходимо лишь, чтобы восстановление шло достаточно быстро, никаких других продуктов восстановления, кроме Ре (И), в растворе не было, а избыток восстановителя мог быть количественно удален перед титрованием раствора. [c.274]

    Почва как ионообменник из катионов заряжена главным образом ионами кальция Са » «, в меньщей мере — магния и еще в меньщей мере ионами аммония МН «, натрия и калия Ионы кальция Са и магния способствуют поддержанию прочной структуры почвы. Под структурностью почвы работники сельского хозяйства понимают ее способность распадаться на отдельные комочки. Ионы К или N11 и особенно Ма+, напротив, способствуют разрушению структурных агрегатов почвы и усиливают вымывание гумуса и минеральных веществ. Во влажном состоянии такая почва становится липкой, а в сухом — превращается в глыбы, не поддающиеся обработке (солонец). Вытекающая из такой почвы вода имеет цвет чайного настоя, что указывает на потерю гумуса. [c.116]

    Первый способ. По условию задачи при обработке 12,5 г смеси хлорида и бромида калия нитратом серебра образовалось 20,78 г смеси хлорида и бромида серебра. Масса смеси увеличилась на 8,28 г (20,78 — 12,5 = 8,28) в результате замены в соединениях смеси иона калия ионом серебра. При замене 1. г-моя калия 1 г-ион серебра масса смеси должна увеличиться на 69 г (108 — 39 = 69). По условию задачи [c.152]

    Большинство солей аммония бесцветны и хорошо растворимы в воде. По некоторым своим свойствам они подобны солям щелочных металлов, особенно калия (ионы К+ и Nh5 имеют близкие размеры). [c.431]

    Калий-ион определяется по окрашиванию пламени горелки в фиолетовый цвет, а если смотреть на пламя через синее стекло, оно кажется окрашенным в пурпурно-красный цвет. [c.69]

    Контакт растворов можно осуществить с помощью трубки, заполненной раствором хлорида калия, ионы которого имеют близкую подвижность. Применение такого электролитического ключа (мостика) позволяет уменьшить диффузионный потенциал до пренебрежимо малой величины. При грд = 0 уравнение (12,1) содержит три члена  [c.233]

    Можно указать также на титрование ионов меди (I) раствором роданида калия, ионов молибдата— раствором хлорида бария, ионов уранила — раствором фосфата натрия и др. [c.458]

    При установлении окислительно-восстановительного равновесия между ионами разной валентности, например и Ре » , потенциал инертного электрода имеет определенную величину. Если при титровании такого раствора двухромовокислым калием ионы Ре полностью окисляются до Ре , то потенциал электрода резко изменит свою величину и, таким образом, может быть определен конец реакции. Подобные способы, получившие широкое применение в аналитической химии, получили название потенциометрического титрования. [c.187]

    Гидролиз солей, образованных слабыми многоосновными кислотами, протекает ступенчато, причем продуктами первых стадий гидролиза являются кислые соли. Так, при гидролизе карбоната калия ион СОз присоединяет одни ион водорода, образуя гидрокарбонат-ион НСОз [c.150]

    Калий (соли калия, ионы калия) окрашивают пламя горелки в фиолетовый цвет. Однако в присутствии даже ничтожных количеств натрия фиолетовый цвет маскируется желтым. Предложите любые способы качественного определения калия и натрия при их совместном присутствии. [c.31]

    Очищенный йод используйте для последующих экспериментов, например определите плотность его кристаллов докажите, что молекула состоит из двух атомов проведите синтез йодоводорода изучите поведение в водных растворах и в растворах йодида калия (ион 1з ) и т. п. Напоминаем, что, если Вы предложите быструю и интересную программу исследования, охватывающего многие задания практикума, Вы (или группа) можете быть освобождены от выполнения программы практикума по утвержденному плану. [c.104]

    Известно, что степень протекания реакции слева направо определяется константой (равновесия, так как переход электронов в окислительно-восстановительной реакции происходит лишь до тех пор, пока существует разность потенциалов. Реакция окисления-восстановления переходит в состояние равновесия, когда разность потенциалов становится равной нулю, т. е. в данном состоянии (в состоянии равновесия) потенциалы окислителя и восстановителя становятся одинаковыми, равными. Например, при равновесии для реакции восстановления перманганата калия ионом Ре2+ потенциал окислителя равен потенциалу восстановителя т. е. [c.348]

    При пользовании таблицей следует иметь в виду, что не все термодинамически возможные реакции удается осуществить практически, несмотря на го, что исходя из стандартных потенциалов онн должны были бы протекать. Так, например, в водных растворах нельзя восстановить металлическим калием ионы алюминия, а металлическим магнием ионы цинка. [c.172]

    У одноатомных ионов степень окисления равна заряду иона. Например, калий-иона К +1, барий-иона Ва +2, железо (III)-иона 4-3, сульфид-иона 8 2 и т. д. [c.56]

    Соли калия (ионы калия) окрашивают пламя горелки в фиолетовый цвет. Однако в присутствии даже ничтожных количеств соединений натрия фиолетовый цвет маскируется желтым. В этом случае его можно заметить через синее стекло, поглощающее желтые лучи. [c.173]

    Для отделения и НН -ионов анализируемый раствор можно обработать при кипячении едким кали или карбонатом калия до исчезновения запаха аммиака. При этом соли аммония разлагаются, ионы магния осаждаются в виде осадка гидроокиси или оксикарбоната I растворе остаются соли натрия и калия. Ионы натрия можно открыть из такого раствора, предварительно профильтровав его через фильтр или отцентрифугировав осадок на центрифуге. [c.119]

    Но В растворе хлорида калия ионы ртути (I) сразу образуют осадок каломели  [c.484]

    Обнаружение ионов калия. Ионы обнаруживают раствором N33 [Со(Ы02)б]. Учитывая условия (см. с. 239), благоприятствующие образованию желтого осадка K2Na [ o(N02)6], следует предварительно проверить pH раствора, который мог заметно измениться в процессе выпаривания и удаления ионов аммония. [c.246]

    Ионы щелочных металлов и аммония не мешают определению молибдена. Ионы щелочноземельных металлов, Ь g, 2п, N1, Со, Мп, УОз и А1 маскируют добавлением комплексона П1. Ион алюминия можно также маскировать тартратом аммония. В присутствии ионов Ре и Си к раствору прибавляют небольшой избыток цианида калия. Ионы Мп, Со и 2п можно блокировать также в форме их цианидных соединений. Вольфраматы маскируют добавлением тартрата аммония. [c.163]

    Бром в бромате калия (ион ВгО ) в результате реакции окисления-восстановления превращается в ион Вг  [c.163]

    Окислительно-восстановительная способность представляет собою понятие, характеризующее именно электрохимическую систему, но часто говорят и об окислнтельио-восстановительной способности того или иного вещества (или иона). При этом следует, однако, иметь в виду, что многие вещества могут окисляться или восстанавливаться до различных продуктов. Например, перманганат калия (ион МпО может в зависимости от условий, прежде всего от pH раствора, восстанавливаться либо до иоиа Мп2+, либо до МпО , либо до иона МпО .  [c.287]

    Следует иметь в виду, что многие вещества могут окисляться или восстанавливаться до различных продуктов. Например, такой распространенный окислитель как перманганат калия (ион МпО ) может, как было показано ранее (стр. 45), в зависимости от условий, прежде всего от pH раствора, восстанавливаться либо до иона Мп +, либо до диоксида марганца, либо до иона манганата МПО4. Соответствующие электродные процессы записываются уравнениями. [c.121]

    Обнаружение ионов аммония, алюминия и железа (II). Ионы А1 +, Ре2+ и ЫН4 обнаруживают в первоначальном растворе предварительными исследованиями — обычными капельными реакциями. Ионы аммония обнаруживают действием едкого натра по выделению аммиака, ионы Ре2+ реакцией с гексацианоферритом (1И) калия. Ионы А1 + открывают капельной реакцией с ализарином. [c.197]

    Калийные соли используются главным образом как калийные удобрения (см. 10.12). Соли калия (ионы калня) окрашивают пламя горелки в фиолетовый цвет. Одназю в присутствшг даже ничтожных количеств соединений натрия фиохетовый цвет маскируется желтым. В этом случае его можно заметить через синее стекло, поглощающее желтые лучи. [c.241]

    Таллий азотнокислый. Растворяют 300 г сернокислого таллия в 6 л дистиллированной воды и полученный раствор пропускают через колонку с ионитом со скоростью 50 мл/мин до уравнивания концентрации таллия в исходном растворе и фильтрате (контроль по плотности раствора). Затем промывают ионит, пропуская 1 л воды с той же скоростью. Качественное присутствие или отсутствие Т1 + в фильтрате устанавливается по реакции с йодистым калием. Ионит после сорбции галлия содержит около 200 г Т1 + (1 г-экв). Основная часть фильтрата (5—5,5 л) предствляет собой раствор сернокислого натрия, который удаляется последняя часть фильтрата ( 0,5 л) содержит сернокислый таллий в смеси с сернокислым натрием и в следующем цикле процесса пропускается через Катионит в Na-форме перед пропусканием раствора сернокислого таллия. Промывной раствор содержит только сернокислый таллий и используется для растворения исходной соли в следующем цикле синтеза. [c.89]

    Этой реакцией можно обнаружить калий-ион только в отсутствии Nh5+-H0H0B, которые с этим реактивом также дают осадок. Поэтому, прежде чем исследовать соли калия данной реакцией, их следует прокалить для удаления возможных примесей солей аммония. [c.70]

    Продукт окисления иодида калия ионами Au(III) образует при pH 3—5 окрашенное соединение с бриллиантовым зеленым [491]. Оптимальная кислотность соответствует pH 3,9, максимумы светопоглощения лежат при 628 и 688 нм. При 628 нм соблюдается закон Бера в интервале концентраций 0,01—0,08 мкг/мл Аи чувствительность 0,0014 мкг/мл Аи. Мешают ВгОд, СЮз, JO3, IO3, JOI, Сг,ОГ, NOi, Н2О,, МпО , S or, [Fe( N)e]=[c.154]

    Дихлоркарбен образуется при реакции -элиминирования элементов галогеноводорода от полигалогенопроизводных под действием сильных оснований. Так, r lj возникает при обработке хлороформа mpem-бутилатом калия. Ион iHeO» отрывает протон от молекулы хлороформа, а возникающий при этом трихлор-метильный анион диссоциирует на ион хлора и дихлоркарбен [c.266]

    Титриметрические методы. И о д о м е т р и ч е с к и й м е-тод основан на реакции окисления иодида калия ионом меди (II) но реакции 2Си804 + 4К1 = 12 + Си212 + 2К 804. [c.86]

---

Основой калий-ионных аккумуляторов может стать «позолоченный» оксид графена

Калий-ионные аккумуляторы — аналог широко используемых сейчас литий-ионных аккумуляторов, которые являются основным источником энергии для мобильных устройств на протяжении последних 20 лет. Литий — малораспространенный химический элемент, и резкое увеличение спроса на литиевое сырье привело к значительному удорожанию этого металла, поэтому сейчас ведется поиск более дешевых источников тока, в которых соединения лития заменены на вещества и материалы, содержащие более распространенные элементы, такие как натрий, калий, магний и другие.

Принцип действия литий-ионных и калий-ионных аккумуляторов схож. В их основе – два электрода, анод и катод, помещенные в одно пространство — корпус аккумулятора. Корпус заполнен пористым сепаратором, который изготавливается из полипропилена и полиэтилена. Сепаратор, в свою очередь, пропитан электролитом — раствором соли. Электрический ток возникает, когда ионы вещества (лития, натрия, калия) движутся из материала анода через электролит в материал катода. Когда все ионы вещества из анода перейдут в катод, аккумулятор полностью разрядится. Во время зарядки при подключении внешнего источника электропитания происходит обратный процесс. Ионные аккумуляторы различаются только электродными материалами и электрохимическими реакциями, которые протекают в ходе циклов заряда-разряда.

«Эта работа посвящена исследованию полученного нами материала на основе восстановленного оксида графена и диоксида олова в качестве анода в калий-ионном аккумуляторе. Недавно в нашей лаборатории был разработан метод, который позволяет наносить на поверхность листочков восстановленного оксида графена покрытие из наноразмерных кристаллов дисульфида олова. Дисульфид олова SnS2 — это то самое вещество, которое используется в качестве основы для краски, имитирующей позолоту. Получается, что мы покрасили золотой краской листочки графена, толщина которых один-два нанометра, а длина и ширина — около одного микрона», — рассказал один из авторов статьи Петр Приходченко, руководитель проекта РНФ, доктор химических наук, заведующий лабораторией пероксидных соединений и материалов на их основе Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН.

Авторы показали, что такой материал хорошо работает в качестве электрода в литий- и натрий-ионных аккумуляторах. Он обратимо взаимодействует с калием и может быть использован в качестве анода в калий-ионном аккумуляторе. Ученые отмечают, что им было важно показать, что разработанный ими метод позволяет получать уникальные материалы, которые могут использоваться для решения самых разных задач, например, для создания новых устройств накопления энергии.

Петр Приходченко добавил, что калий-ионный аккумулятор вряд ли имеет реальные перспективы для массового применения в ближайшие годы. Это связано со многими проблемами, например, с тем, что размер ионов калия значительно больше ионов лития. Большому катиону труднее встроиться в структуру электродного материала, это приводит к значительному увеличению объема, что сказывается на стабильности электрода. Кроме того, калий значительно тяжелее натрия и лития, поэтому удельная электрохимическая емкость калий-ионного аккумулятора должна быть ниже в аналогичных условиях.

Ученые предсказывают, что на основе соединений калия можно реализовать более высоковольтовые, то есть более мощные, аккумуляторы по сравнению с натриевыми аналогами. Некоторые исследователи указывают также на то, что ионная проводимость в калийсодержащих электролитах выше, чем в натрийсодержащих. На данный момент ученые получили слишком мало экспериментальных данных, чтобы можно было однозначно судить о практической значимости данного направления. Для развития этой области химии важно понимать, какие процессы протекают в калий-ионных аккумуляторах, в чем их отличия от литиевых или натриевых аналогов, а в чем имеются общие подходы для оптимизации работы устройств.

«Грант РНФ играет решающую роль в наших исследованиях. Для нас это в первую очередь возможность получить современное лабораторное оборудование для синтеза и исследования наноматериалов. Кроме того, это возможность участвовать в международных конференциях, проводить исследования в других организациях, в том числе в ведущих зарубежных университетах на оборудовании, которого нет у нас в институте, а зачастую и вообще в России», — заключил ученый.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Университета Дикина, Австралия, и Еврейского университета в Иерусалиме, Израиль.

Электролиты крови

Электролиты – это минеральные соединения, которые способны проводить электрический заряд. Находясь в тканях и крови в виде растворов солей, они помогают перемещению питательных веществ в клетки и выводу продуктов обмена веществ из клеток, поддерживают в них водный баланс и необходимый уровень кислотности.

Калий – важная составляющая большинства клеток. Вместе с другими электролитами ионы калия отвечают за функционирование мышц и нервов, нормальный кислотно-щелочной баланс, водный обмен. В крови содержится только небольшое количество макроэлемента, даже незначительные колебания его уровня приводят к серьезным последствиям. Существенные отклонения от нормы могут привести к состояниям, представляющим опасность для жизни (шок, нарушение сердечной деятельности, дыхательная недостаточность и прочее). В норме концентрация калия составляет 3,5-5,1 ммоль/литр.

Натрий имеется во всех тканях и жидкостях организма. Он необходим для сокращения мышц, поддержания водно-солевого баланса. Макроэлемент всасывается в кишечнике из обычной столовой соли. Отклонения его нормального уровня связано с нарушением одного из механизмов его поддержания. Например, нормальная концентрация натрия нарушается, если антидиуретический гормон, который предупреждает потерю жидкости с мочой, вырабатывается в аномальном количестве. Нарушение количества этого электролита влечет за собой появление отеков или обезвоживания, так как меняется количество жидкости в тканях. Анализ на натрий используется при диагностике многих заболеваний (например, патологий почек, легких, мозга).

Хлор входит в состав многих биологически активных веществ, выполняет целый ряд физиологических функций. Его уровень в норме относительно стабилен (небольшое уменьшение показателей наблюдается после еды). Тест на количество хлора часто назначается в комплексе с другими исследованиями для выявления различных патологий. Его результаты также используются для установления причины слабости, длительной рвоты, диарей, нарушений дыхания.

Ионизированный кальций. Значительные колебания его уровня чреваты нарушением сердечного ритма (тахикардией либо брадикардией), нарушениям ясности сознания, спазмами мышц. В некоторых случаях такие колебания могут стать причиной комы.
Изменения показателей в течение суток являются нормой. Максимальная концентрация макроэлемента наблюдается в конце дня, а утром она снижена. Количество Ca может отклоняться от нормы у женщин, которые используют оральные либо инъекционные контрацептивы. У пожилых людей его количество значительно снижено. Прием ряда препаратов может оказывать значительное влияние на результаты теста. Важно поставить в известность врача, который будет оценивать результаты анализа, о приеме любых препаратов. Как дефицит, так и переизбыток макроэлемента может быть вызван различными причинами. Для точной диагностики во многих случаях требуется дополнительное обследование. Грамотно оценить его результаты, поставить диагноз и назначить лечение может только врач.

Интерпретация результатов

Нарушения баланса электролитов может быть вызвано различными причинами. На результаты влияют, как различные заболевания, так и питьевой режим, рацион питания, прием многих лекарственных препаратов. Поэтому при расшифровке результатов, установлении диагноза и назначении лечения в обязательном порядке учитывают эти моменты.

Грамотно интерпретировать результаты может только врач. В некоторых случаях для этого требуется комплексное обследование.

Когда нужно сдавать анализ Калий (К+), натрий (Na+), хлориды?

1. Заболевания почек и сердечно-сосудистой системы, в том числе артериальная гипертензия и аритмия.
2. Обильная рвота, тошнота, диарея, запор.
3. Фармакотерапия диуретиками.
4. Злоупотребление слабительными, адсорбентами.
5. Повышенное потребление соли (хлористого натрия).
6. Синдром Кушинга.
7. Высокие дозы, длительное использование глюкокортикостероидов.
8. Неадекватная диета, повышенное потребление кофе, алкоголя, сахара.
9. Мышечная слабость, рабдомиолиз и паралич.
10. Химиотерапия.
11. Сахарный диабет.
12. Дисфункция надпочечников.
13. Образование камней в почках.
14. Остеопороз.

Показания к исследованию

Нарушения баланса электролитов в крови могут проявляться следующими симптомами:

• повышенное давление;
• тошнота или рвота;
• постоянная слабость;
• приступы головокружения;
• дискомфортные ощущения в области сердца.

Подготовка к исследованию:  

• Не принимать пищу в течение 12 часов перед исследованием.
• Исключить физическое и эмоциональное перенапряжение за 30 минут до исследования.
• Не курить в течение 30 минут до сдачи крови.

Ион калия — обзор

Физиологическая роль

Ион калия (K ⁺ ), возможно, является наиболее часто добавляемым электролитом. ³⁷ Калий играет важную роль в физиологии клеточных мембран, особенно в поддержании мембранного потенциала покоя и в создании потенциалов действия в нервной системе и сердце. Калий активно транспортируется в клетки аденозинтрифосфатазой натрия-калия (Na, K-АТФаза; Na ⁺ помпа), которая поддерживает внутриклеточный K ⁺ как минимум в 30 раз больше, чем внеклеточный K ⁺ .Внутриклеточная концентрация K ⁺ (K ⁺ ) обычно составляет 150 мМ, а внеклеточная концентрация составляет всего от 3,5 до 5,0 мМ. К ⁺ в сыворотке примерно на 0,5 мМ больше, чем в плазме К ⁺ из-за лизиса клеток во время свертывания. Общий K ⁺ в организме взрослого человека весом 70 кг составляет приблизительно 4256 мЭкв, из которых 4200 мЭкв является внутриклеточным; из 56 мг-экв в ECV, только 12 мг-экв в PV. Общие причины потерь K ⁺ показаны в Таблице 42.7. Отношение внутриклеточного к внеклеточному K ⁺ способствует разнице потенциалов покоя через клеточные мембраны и, следовательно, целостности сердечной и нервно-мышечной передачи.

Внеклеточный K ⁺ определяется катехоламинами, ренин-ангиотензин-альдостероновой системой, глюкозой и инсулином, а также прямым высвобождением из работающих или поврежденных мышц. ³⁷ Основным механизмом, поддерживающим K ⁺ внутри клеток, является перенос трех ионов Na ⁺ из клетки на каждые два иона K ⁺ , переносимых насосом Na, K-ATPase. ³⁸ И инсулин, и агонисты β-адренорецепторов способствуют проникновению K ⁺ в клетки ³⁸ (рис.42,3). Напротив, агонисты α-адренорецепторов ухудшают клеточный захват K ⁺ . ³⁹ Метаболический ацидоз имеет тенденцию вытеснять K ⁺ из клеток, тогда как метаболический алкалоз способствует перемещению в клетки.

Обычное потребление K ⁺ составляет от 50 до 150 мг-экв / день. Свободно фильтруется в клубочках, большая часть экскреции K ⁺ приходится на мочу с некоторым выделением фекалий. Наиболее отфильтрованный K ⁺ реабсорбируется; экскреция обычно примерно равна поступлению. Пока СКФ превышает> 8 мл / кг, может выводиться с пищей потребление K ⁺ , если оно не превышает норму.При условии, что плазменный K ⁺ составляет 4,0 мМ и нормальная СКФ 180 л / день, 720 мг-экв K ⁺ фильтруется ежедневно, из которых от 85% до 90% реабсорбируется в проксимальных извитых канальцах и петле Генле. Оставшиеся от 10% до 15% достигают дистальных извитых канальцев, которые являются основным местом, в котором регулируется экскреция K ⁺ . Экскреция ионов K ⁺ является функцией открытых каналов K ⁺ и электрической движущей силы в кортикальном собирательном канале. ³⁸

Двумя наиболее важными регуляторами экскреции K ⁺ являются плазменный K ⁺ и альдостерон, хотя есть некоторые данные, позволяющие предположить участие ЦНС и кишечного рефлекса, опосредованного богатой калием пищей.Секреция калия в дистальные извитые канальцы и кортикальные собирательные каналы увеличивается из-за гиперкалиемии, альдостерона, алкалиемии, повышенной доставки Na ⁺ в дистальные канальцы и собирательный проток, высокой скорости потока мочи и присутствия в просвете жидкости не реабсорбируемых веществ. анионы, такие как карбенициллин, фосфаты и сульфаты. По мере увеличения реабсорбции Na ⁺ увеличивается электрическая движущая сила, препятствующая реабсорбции K ⁺ . Альдостерон увеличивает реабсорбцию Na ⁺ , вызывая открытие эпителиального канала Na ^{+ 40} ; Калийсберегающие диуретики (амилорид и триамтерен) и триметроприм блокируют эпителиальный канал Na ⁺ , тем самым увеличивая реабсорбцию K ⁺ .Истощение запасов магния способствует почечной недостаточности K ⁺ .

PDB-101: молекула месяца: калиевые каналы

Все живые клетки окружены мембраной, которая отделяет водный мир внутри от окружающей среды снаружи. Мембраны являются эффективными барьерами для малых ионов (а также для больших молекул, таких как белки и ДНК), предоставляя новую возможность: различия в уровнях ионов могут использоваться для быстрой передачи сигналов. Например, клетка может повысить уровень ионов калия внутри нее.Затем, в мгновение ока, калий может высвободиться через каналы в мембране, создавая большое изменение уровня калия, которое будет ощущаться по всей клетке. Этот процесс используется во всех типах клеток — бактериях, растениях и животных. Два общих примера работы ионных каналов — это сокращение мышц (которое запускается высвобождением ионов кальция) и передача нервных сигналов (которая включает сложный поток ионов натрия и калия).

Ионные каналы в нервных сигналах

Когда вы чувствуете запах цветка и знаете, что это роза, или касаетесь горячего предмета и сразу же отрываете руку, нервы из вашего носа и рук используют высвобождение ионов для отправки сигналов в ваш мозг и передать соответствующий ответ.Нервные клетки готовы к отправке сигнала, концентрируя ионы калия внутри и избирательно откачивая ионы натрия наружу. Это создает разницу в электрическом потенциале на клеточной мембране. Чтобы послать сигнал, натриевые каналы вдоль нерва открываются, позволяя натрию проникать и уменьшая напряжение на мембране. Затем калиевые каналы открываются, выпуская ионы калия наружу и восстанавливая исходное напряжение. Другие каналы и насосы позже сбрасывают распределение ионов натрия и калия внутри и снаружи клетки.Благодаря продуманной конструкции оба этих канала чувствительны к напряжению на мембране, открываясь при изменении напряжения. Итак, когда каналы открываются на одном конце нервной клетки, поток ионов там мгновенно запускает каналы, расположенные дальше по мембране, чтобы открыться. В результате возникает волна открывающихся каналов, которая устремляется вниз по нервной клетке, неся нервный сигнал до конца.

Калиевые каналы

Калиевые каналы предназначены для пропускания потока ионов калия через мембрану, но для блокирования потока других ионов, в частности ионов натрия.Эти каналы обычно состоят из двух частей: фильтра, который выбирает и пропускает калий, но не натрий, и вентиль, который открывает и закрывает канал на основе сигналов окружающей среды. Показанная здесь структура из записи PDB 1bl8 показывает фильтрующую часть бактериального калиевого канала. Он состоит из четырех идентичных белковых молекул, которые охватывают всю ширину мембраны, образуя селективную пору в центре. Ионы калия, показанные зеленым, свободно проходят через него со скоростью до ста миллионов ионов в секунду.Но он также в высшей степени селективен — пропускает только один ион натрия на каждые десять тысяч ионов калия. Кристаллографические структуры этого канала показали, как это достигается.

Открытие и закрытие

Сотни различных ионных каналов создаются живыми клетками для множества различных функций. Все они имеют похожие фильтры, показанные вверху в этих двух примерах, подключенные к специализированным доменам стробирования, показанным внизу. Мембрана схематично показана серой полосой, и только две из четырех цепочек показаны в фильтрах селективности, так что вы можете видеть поры.Стробирующие домены открывают и закрывают канал на основе различных сигналов, таких как напряжение или присутствие ключевых сигнальных молекул. Для открытия и закрытия калиевых каналов используются несколько структурных механизмов. Считается, что в двух простых бактериальных каналах, показанных здесь, белковые домены, связанные с каналом, скручивают четыре цепи канала. Это можно ясно увидеть, сравнив «открытую» структуру канала записи PDB 1lnq справа с «закрытой» структурой записи PDB 1k4c слева (область стробирования этой структуры взята из низкого разрешения структура в 1ф6г ).Считается, что более сложные каналы, обнаруженные в нервных клетках, которые открываются и закрываются после обнаружения изменений напряжения на мембране, включают в себя небольшой привязанный шар белка, который плавает над и физически блокирует поры. (Примечание: несколько неожиданно, кристаллическая структура закрытого канала содержит несколько ионов калия в канале, показанном здесь зеленым цветом, но структура открытого канала была решена без ионов калия.)

A Poisonous Aside

Ионные каналы играют решающую роль. роль в передаче сигналов по нервам, поэтому любая блокировка этих каналов может иметь серьезные последствия.Скорпионы пользуются этим, чтобы парализовать свою добычу. Яд скорпиона содержит набор мощных нейротоксинов, которые связываются с ионными каналами и блокируют поток ионов. В показанном здесь примере харибдотоксин (запись PDB 2crd ) атакует калиевые каналы и блокирует их функцию в передаче нервных сигналов. Поверхность белка покрыта положительно заряженными аминокислотами ярко-синего цвета, которые, как считается, приклеивают токсин к открытому отверстию поры. Эти токсины обычно представляют собой небольшие высокостабильные белки.Харибдотоксин состоит всего из 37 аминокислот, но содержит три дисульфидные связи — две здесь показаны ярко-желтым цветом — которые удерживают белок в его правильной ядовитой форме.

нервных сигналов

нервных сигналов

Нервные сигналы

---

Потенциал покоя
Клетка тратит много энергии на перекачивание ионов натрия за пределы клетки и перекачивание ионов калия внутрь клетки. Существует некоторая диффузия обоих ионов через клеточную мембрану в сторону, где концентрация каждого иона меньше.Поскольку ионы калия утекают легче, положительный заряд снаружи клетки немного увеличивается по сравнению с чуть большим количеством ионов калия во внеклеточной жидкости. Внутри клеток также находятся отрицательно заряженные белки и молекулы нуклеиновых кислот, которые слишком велики, чтобы пересечь клеточную мембрану. В результате внешняя часть ячейки заряжена положительно по отношению к внутренней части ячейки. Этот мембранный потенциал (называемый потенциалом покоя в нервных клетках) является характеристикой клеток в целом и обеспечивает электрическую силу, которая влияет на движение ионов через мембрану.

Потенциал действия
Когда нервная клетка достаточно стимулирована, натриевые каналы в клеточной мембране открываются, и ионы натрия проникают в клетку, деполяризуя клеточную мембрану (заряд меняется на противоположный: внутри становится положительным по отношению к внешнему). Примерно через полмиллисекунды натриевые каналы снова закрываются, а калиевые каналы открываются, позволяя положительным ионам калия перемещаться за пределы клетки. Клетка быстро реполяризуется. Натрий-калиевый насос восстанавливает правильную концентрацию ионов внутри и снаружи клетки.Достаточно всего нескольких ионов натрия, чтобы войти в ячейку и изменить полярность, и перезагрузка системы не займет много времени.

Щелкните изображение

Ионы натрия, попавшие в клетку, распространяются на соседнюю отрицательную область и меняют ее на положительную. В результате потенциал действия (= деполяризация мембраны) продолжает распространяться вдоль мембраны. Этот электрический сигнал — нервный импульс.

Стимуляция мышц
Когда нерв заканчивается мышечным волокном, нервный импульс заставляет конец нерва высвобождать химический передатчик — ацетилхолин — который проходит через очень короткое расстояние нервно-мышечного соединения.Когда ацетилхолин достигает мышцы, он деполяризует мембрану мышечной клетки и инициирует потенциал действия, который заставляет волокна сокращаться. После стимуляции сокращения мышечных волокон ацетилхолин расщепляется ферментами, и восстанавливается потенциал покоя мышечной мембраны.

Гомеостатическая чувствительность
Хотя это всего 2% массы человеческого тела, мозг использует 20% энергии тела. Нервные клетки относятся к числу наиболее требовательных к энергии клеток в организме.Поскольку у них нет никаких средств хранения энергии, им требуется постоянная подача глюкозы и кислорода. Если уровень глюкозы падает слишком низко, человек впадает в кому. Более того, если в нормальных условиях мозгу не хватает кислорода в течение 3-7 минут, нервные клетки умирают, чтобы никогда не восстановиться.

---

Выдержки и адаптированы из: Curtis, H., and N. S. Barnes. 1989. Биология. Worth Publishers, Inc., Нью-Йорк, Вандер, А., Дж. Шерман и Дороти Лучано. 2001. Физиология человека. Механизмы функции тела.Макгроу Хилл. Boston., Более ранняя модель использования энергии человеческого мозга недооценивала ее эффективность

Проапоптотическая роль ионов калия в клетках печени

Калиевые каналы — это трансмембранные белки, которые избирательно способствуют проникновению ионов калия. Значение этих каналов для биологии опухолей стало очевидным. Однако влияние ионов калия на опухолевые или нормальные клетки изучается редко. Чтобы решить эту проблему, мы изучили биологические эффекты клеток L02 и HepG2 с эктогенными ионами калия.Анализировали пролиферацию клеток, клеточный цикл и скорость апоптоза. Наши результаты показали, что ионы калия ингибируют пролиферацию клеток L02 и HepG2 и способствуют их апоптозу. Ионы калия индуцировали апоптоз через регуляцию членов семейства Bcl-2 и деполяризовали митохондриальную мембрану, особенно для клетки HepG2. Эти биологические эффекты были связаны с канальным белком HERG. Облегчая экспрессию канального белка HERG, ионы калия могут препятствовать его перемещению в проколовые пути, вызывая апоптоз.Эти результаты продемонстрировали, что ионы калия могут быть ключевым регулятором функции клеток печени. Таким образом, наши результаты показывают, что ионы калия могут ингибировать онкогенез за счет индукции апоптоза клеток гепатомы за счет активации белков канала транспорта ионов калия HERG и VDAC1.

1. Введение

Ионные каналы плазматической мембраны (ПМ) включают почти все основные клеточные процессы и злокачественный фенотип опухолевых клеток. Потоки ионов регулируют объем клетки и мембранный потенциал через их ионные каналы и участвуют во внутриклеточной передаче сигнала и контроле функций клетки.Более того, в процессе развития туморогенеза различия в уровнях экспрессии опухолевых генов определяются ионными каналами, которые могут включать, по крайней мере частично, ряд патофизиологических особенностей, связанных со злокачественным ростом [1–3].

В семействе молекул ионного транспорта, основанного на биохимической структуре и высочайшей вариабельности, калиевые каналы могут быть наиболее подходящими для таргетной терапии канала при раке [4]. Это может быть использовано как новое направление исследований, дающее важные ключи к разгадке при разработке новых терапевтических агентов [5].Таким образом, изучение ионного канала, служащего новой мишенью для диагностики и лечения рака, очень важно. В этом исследовании мы сравнили действие ионов калия на клетки L02 и HepG2 и исследовали механизм регуляции функциональных изменений клеток, вызванных ионами калия.

Дифференциальная экспрессия калиевых каналов часто наблюдается в разных опухолях; Эти различия позволяют опухолям иметь много преимуществ в биологическом поведении [6, 7]. Изменения экспрессии наблюдаются на уровне генома, транскрипции, трансляции или на эпигенетическом уровне, а в некоторых случаях могут также регулировать уровень экспрессии калиевого канала посредством восходящих изменений [8, 9].Некоторые гормоны или факторы роста могут активировать калиевые каналы и вызывать аномальную экспрессию генов калиевых каналов [10]. Изменения клеточной гибели, пролиферации, адгезии и миграции оказывают значительное влияние на жизнедеятельность. Все эти изменения могут повлиять на онкогенез. Следовательно, прерывание экспрессии калиевых каналов в сочетании с текущим лечением может значительно улучшить лечение рака. Короче говоря, вмешательство в экспрессию или активность калиевых каналов может предложить новую терапию рака печени [4].

2. Материалы и методы

2.1. Приготовление планшетов, покрытых ионами калия

Приготовили

PBS с различными концентрациями ионов калия, и сокращения представляют K 0 (0 ммоль / л), K 25 (3,75 ммоль / л), K 50 (7,5 ммоль / л), K 75 (11,25 ммоль / л) и K 100 (15 ммоль / л). Диспергированный PBS добавляли в 6-луночные планшеты (добавляли 200 мкл, л на лунку) или 96-луночные планшеты (добавляли 10 мкл л на лунку), а затем сушили при 100 ° C в течение 2 часов на воздухе, стерилизовали ультрафиолетовое облучение в течение получаса.

2.2. Культура клеток и обработка

Линия печеночных клеток L02 и линия клеток гепатомы Клетки HepG2 совместно культивировали с различными концентрациями ионов калия и культивировали в DMEM с добавлением 10% FBS (Gibco, Карлсбад, Калифорния, США) в 5% CO ₂ при 37 ° С.

2.3. Пролиферация и жизнеспособность клеток

Набор для подсчета клеток был приобретен у DOJINDO (EQ645; Кумамото, Япония) для определения пролиферации клеток. Для проведения анализа клетки L02 () и HepG2 (), культивированные в 96-луночных планшетах, обрабатывали с использованием вышеуказанных методов.В каждую лунку добавляли 10 мкл мкл растворов CCK-8. Клетки инкубировали при 37 ° C в инкубаторе в течение 1 часа. Считывающее устройство для микропланшетов (Thermo Scientific, Waltham, PA, USA) использовали для определения значений поглощения при 450 нм. Каждая группа состоит из пяти повторностей. Данные были повторены в пяти независимых экспериментах, и пролиферация клеток наблюдалась в разные моменты времени, как указано.

Для подсчета клеток клетки L02 () и HepG2 () добавляли в 6-луночные планшеты, обработанные указанными выше способами с 2 мл ростовой среды, а затем клетки наблюдали в соответствии с общим протоколом с помощью оптического микроскопа.Общее количество клеток подсчитывали с помощью счетчика клеток через 48 часов.

2.4. Анализ окрашивания аннексином V-FITC / 7-AAD

Клетки

L02 и HepG2 обрабатывали ионами калия, как описано выше, в 6-луночных планшетах. Затем клетки собирали и дважды промывали PBS. После центрифугирования клетки ресуспендировали в 100–90–110 мкл 90–111 л связывающего буфера и затем окрашивали аннексином V-FITC / 7-AAD (640906/420404; BioLegend, Калифорния, США) для анализа апоптоза клеток.

2,5. Анализ клеточного цикла

Клетки L02 и HepG2 культивировали в 6-луночных планшетах, обработанных указанными выше способами, а затем культивировали в течение 48 часов. Клетки собирали, фиксировали 70% этанолом в течение ночи и затем ресуспендировали в холодном PBS, а затем инкубировали с 1 мг / мл 7-AAD (420404; BioLegend, CA, USA) при 37 ° C в течение 15 мин. Образцы были обнаружены с помощью проточного цитометра FACScalibur (BD Biosciences, Сан-Диего, Калифорния, США), а пропорции клеток в фазах G1, S и G2 были исследованы с помощью программного обеспечения ModFit LTTM (BD Biosciences, Сан-Диего, США). ).

2.6. Вестерн-блоттинг и антитела

Концентрацию общего белка определяли с помощью анализа Pierce BCA (23225; Thermo Scientific, Уолтем, Пенсильвания, США) и микропланшет-ридера (Thermo Scientific, Уолтем, Пенсильвания, США) при 562 нм. Лизаты клеток разделяли в 10% SDS-PAGE и переносили на PVDF-мембрану (ISEQ00010; Millipore, MA, США). Белки-мишени были обнаружены с помощью специфических антител. Первичные антитела использовали в разведении 1: 1500. Полосы исследовали с помощью системы усиленной хемилюминесценции (32209; Thermo Scientific, Waltham, PA, USA).Все данные были количественно определены с использованием программного обеспечения Bio-Profil BiolD (S: 11.640150; VILBER, Франция). Первичные антитела — это анти-Bax (sc-493; Санта-Крус, Техас, США), анти-каспаза-3 (sc-7148; Санта-Крус, Техас, США), анти-P53 (sc-126; Санта-Крус, Техас. , США), анти-HERG (sc-48428; Санта-Крус, Техас, США), анти-VDAC1 / пориновое антитело (ab15895; Abcam, Кембридж, Массачусетс), анти-ACSS1 (ab69270; Abcam, Кембридж, Массачусетс), анти- -Bcl-2 (2870; CST, Дэнверс, Массачусетс, США) и анти-GAPDH (5174; CST, Данверс, Массачусетс, США).

2.7.Деполяризация митохондриальной мембраны

JC-10 (Enzo Life Sciences, Нью-Йорк, США) использовали для обнаружения деполяризации митохондриальной мембраны клеток. Величина поглощения JC-10 находится на уровне поляризации митохондриальной мембраны. Гиперполяризованные митохондрии осложнялись более высокой абсорбцией JC-10 по сравнению с деполяризацией. После обработки клетки L02 и HepG2 один раз промывали PBS, а затем инкубировали с 500 мкл л 1х раствора для нанесения красителя JC-10 в течение 40 минут.После инкубации клетки подвергали проточной цитометрии.

2,8. Анализ активности каспазы-3/7

Клетки

L02 и HepG2 культивировали в 96-луночных планшетах, обработанных указанными выше способами, и инкубировали в течение 48 часов. После обработки ионом калия активность каспазы-3/7 в клетках печени анализировали с использованием набора для анализа каспазы-Glo 3/7.

2.9. Статистика

Все данные представлены как среднее ± стандартное отклонение, по крайней мере, из трех усредненных повторов независимых экспериментов. Статистическое сравнение количественных данных в группе определяли с помощью однофакторного дисперсионного анализа или теста Стьюдента.Для определения различий между группами, не имеющими нормального распределения, медианы сравнивались с использованием дисперсионного анализа Краскела-Уоллиса. Для анализа данных использовали программу SPSS 19.0 (SPSS Inc., Чикаго, США). считался статистически значимым.

3. Результаты

3.1. Ионы калия ингибировали пролиферацию клеток в клетках L02 и HepG2

Чтобы изучить влияние ионов калия на пролиферацию клеток, клетки обрабатывали увеличивающимися концентрациями калия в указанные моменты времени.С помощью анализа CCK-8 результаты показали, что ионы калия могут ингибировать пролиферацию клеток L02 (рис. 1 (а)) и HepG2 (рис. 1 (b)), особенно для клеток HepG2. Ингибирование зависело как от времени, так и от дозы. Размножение клеток L02, совместно культивируемых с ионами калия, очевидно, уменьшилось после культивирования в течение 48 часов (). Размножение клеток HepG2, совместно культивированных с ионами калия, особенно снижалось через 48 часов.

С другой стороны, рост клеток количественно определяли по общему количеству клеток.Клетки L02 и HepG2 добавляли в 6-луночные планшеты, обработанные указанными выше способами, и культивировали в течение 48 часов. Как показано на рисунке 1, количество клеток для L02 (рисунок 1 (c)) и HepG2 (рисунок 1 (d)) было низким с увеличением концентрации ионов калия. Тенденция к снижению более очевидна для клеток HepG2, чем клеток L02.

3.2. Ионы калия влияли на клеточный цикл L02 и HepG2

Чтобы проверить влияние ионов калия на клеточный цикл клеток L02 и HepG2, мы провели анализ проточной цитометрии.Результаты показали, что эффекты ионов калия на клеточный цикл клеток L02 (рис. 2 (а)) и клеток HepG2 (рис. 2 (b)) были дозозависимыми. Количество клеток в фазе S в клетках L02 и HepG2 уменьшилось, тогда как оно значительно увеличилось в фазе G2 / M. Эти результаты продемонстрировали, что ионы калия могут останавливать клеточный цикл в S-фазе и подавлять рост L02 и HepG2, предотвращая правильную репликацию ДНК. И арест более значим для HepG2, чем для клеток L02.

3.3. Ион калия индуцирует апоптоз клеток L02 и HepG2 посредством регулирования антиапоптозных членов семейства Bcl-2, митохондриальных белков и белка, связанного с калиевым каналом

После совместного культивирования с ионами калия в течение 48 часов было проведено окрашивание аннексином V-FITC / 7-AAD . И количество клеток, положительных по аннексину V, значительно увеличилось. Результаты показали, что положительные по аннексину V клетки L02 (Фигуры 3 (a) и 3 (b)) и HepG2 (Фигуры 3 (c) и 3 (d)) увеличивались в зависимости от концентрации, особенно для клеток HepG2.

Как показано на фиг. 4 (а), уровень экспрессии Bcl-2 снижается в клетках L02, но уровень экспрессии Bax и каспазы-3 повышается. Мы могли видеть те же тенденции в клетках HepG2 (рис. 4 (c)), но тенденции более очевидны, чем в клетке L02. Более того, в группе K 100 уровни экспрессии Bax и каспазы-3 снижены. Мы определили соотношение Bcl-2 / Bax в клетках L02 (рис. 4 (b)) и HepG2 (рис. 4 (d)) на уровне белка, которое значительно увеличилось в зависимости от концентрации, особенно для клеток HepG2.Они могут быть ответственны за апоптоз, индуцированный ионами калия, наблюдаемый в клетках L02 и HepG2.

Мы выполнили детекцию активации каспазы-3/7, чтобы определить апоптотическую роль ионов калия в клетках L02 и HepG2. Ионы калия вызывали очевидную активацию активности каспазы-3/7 в клетках L02 (рис. 5 (а)) и HepG2 (рис. 5 (b)). Таким образом, результаты показали, что ионы калия могут снижать жизнеспособность клеток, способствовать апоптозу клеток и увеличивать активность каспазы-3/7 клеток L02 и HepG2.Это более очевидно в клетках HepG2, чем в клетках L02.

Для оценки изменений экспрессии генов, связанных с митохондриальными и калиевыми каналами, после обработки клеток печени ионами калия оценивали уровни белков, связанных с митохондриями, VDAC1 и ACSS1, а также белка HERG, связанного с калиевым каналом. Как показано на фиг. 4 (a) и 4 (c), экспрессия ACSS1 снижается дозозависимым образом, а экспрессия VDAC1 и HERG повышается, особенно для клеток HepG2.

3.4. Ионы калия деполяризовали митохондриальную мембрану клеток L02 и HepG2

Мы использовали JC-10 для измерения поляризации митохондриальной мембраны в клетках L02 и HepG2. Результаты показали, что соотношение красной и зеленой флуоресценции было значительно ниже в обработанных ионами калия клетках L02 (рис. 6 (а)) и клетках HepG2 (рис. 6 (b)). И результаты продемонстрировали деполяризацию потенциала митохондриальной мембраны после воздействия ионов калия в клетках печени. Более того, эти изменения указывают на то, что потенциал митохондриальной мембраны клеток печени деполяризуется в зависимости от концентрации после воздействия ионов калия, особенно для клеток HepG2.

4. Обсуждения

Гепатоцеллюлярная карцинома (ГЦК) — распространенная злокачественная опухоль печени, обычно у людей с развивающимся хроническим заболеванием печени или циррозом. ГЦК является частой причиной рака и занимает пятое место, а также является второй по частоте причиной смерти от рака среди людей [11]. Пациенты с ГЦК имеют плохой прогноз; поэтому необходимы срочные меры по сдерживанию ГЦК [12–14].

Признаки опухоли включают подавление запрограммированной гибели клеток и аномальную пролиферацию клеток [2].Необходимо изучение новых стратегий для индукции апоптоза и подавления пролиферации опухолевых клеток. Исследователи обнаружили, что первыми характеристиками калиевых каналов в неневральных клетках была роль пролиферации [1, 2]. Наше исследование также показало, что ионы калия могут подавлять пролиферацию клеток печени, особенно клеток HepG2. Более того, результаты анализа клеточного цикла показали, что ионы калия могут блокировать S-фазу клеточного цикла и подавлять рост клеток L02 и HepG2 за счет предотвращения правильной репликации ДНК.Противоопухолевое влияние ионов калия доказано на большинстве опухолевых клеток человека посредством регуляции клеточного цикла и апоптоза [15, 16]. Ингибирование апоптоза может быть результатом канцерогенеза, поэтому индукция апоптоза может быть лучшей потенциальной противоопухолевой терапевтической стратегией [17–20]. Однако о влиянии ионов калия на гепатоцеллюлярную карциному не сообщалось. Наши результаты показали, что ионы калия способствуют апоптозу клеток и вызывают очевидную активацию активности каспазы-3/7 как в клетках L02, так и в клетках HepG2, особенно в клетках HegG2.Следовательно, необходимо глубоко изучить конкретные механизмы.

Апоптоз является важным механизмом устранения как избыточных нормальных клеток, так и тех клеток, которые подверглись повреждению. Два общих пути апоптоза — экзогенный (опосредованный рецептором смерти) и внутренний (митохондриальный) подход [21, 22]. Калиевый канал является важным фактором изменений мембранного потенциала в ходе клеточного цикла. Следовательно, блокирование активности калиевых каналов может вызвать антипролиферативный эффект [23, 24].Одновременно при инициировании апоптоза внутриклеточная концентрация ионов калия снижалась. Калиевый канал является ключевым каналом для поддержания стабильности потенциала клеточной мембраны. Поскольку существует много типов этих каналов, обеспечивающих доминирующий отток калия, они играют важную роль в регуляции проницаемости мембран и объема клеток [25, 26]. Опухолевые клетки с отрицательным потенциалом покоя обычно меньше нормальных клеток [27]; таким образом, возможен приток большего количества ионов калия через высокий уровень экспрессии калиевых каналов в ответ на определенный физический процесс.Наши результаты продемонстрировали важность митохондриального пути апоптоза. После обработки ионами калия в течение 48 часов потенциал митохондриальной мембраны (ΔΨm) клеток HepG2 и L02 снизился, что объясняет, что ионы калия вызывают апоптоз клеток HepG2 и L02. Ионы калия могут ингибировать прогрессирование и пролиферацию клеточного цикла за счет снижения выработки АТФ и деполяризации митохондриальной мембраны.

Помимо обеспечения клеточной энергии митохондрии участвуют в других задачах, таких как передача сигналов, клеточная дифференцировка и гибель клеток, а также поддержание контроля клеточного цикла и роста клеток.Митохондрия является важным фактором, контролирующим внутренний путь апоптоза клеток, включая высвобождение кофакторов каспаз, таких как цитохром c (Cyt c) и SMAC, образование апоптотических тел и индукцию апоптоза. Более того, семейство генов Bcl-2 является ключевым звеном митохондриального пути [28]. Этот путь включает несколько участников, включая Bax, проапоптотический белок, и Bcl-2, антиапоптотический белок, который играет решающую роль в регуляции апоптоза [29, 30]. Отношение Bcl-2 / Bax использовалось для оценки апоптоза клеток, и его уменьшение могло активировать экспрессию белков каспаз [31, 32].Методом вестерн-блоттинга мы обнаружили, что соотношение Bcl-2 / Bax в клетках печени снижалось после совместного культивирования с ионами калия в течение 48 часов. Эти данные показали, что уменьшение соотношения тесно связано с апоптозом клеток печени, индуцированным ионами калия.

Напряжение-зависимый анион-селективный канал, белок 1 (VDAC1) представляет собой потенциал-зависимый анионный канал, который участвует в регуляции клеточного метаболизма, митохондриального апоптоза и сперматогенеза. VDAC1, митохондриальный порин 1, играет ключевую роль в апоптозе, опосредованном митохондриями, и в транспортировке различных ионов или небольших молекул через внешнюю мембрану митохондрий.В частности, VDAC1 является основным каналом переноса ионов и участвует в развитии рака. Увеличивающаяся экспрессия VDAC может быть специфической мишенью для лечения рака [33]. Связывание HK2 с VDAC противодействует апоптозу клеток за счет ингибирования Bax-индуцированного высвобождения Cyt c [7, 34, 35] и ингибирует переход митохондриальной проницаемости [36]. Продукт разложения HK, по-видимому, нарушает аэробный гликолиз и энергетический баланс клеток, регулирует взаимодействие белков семейства Bcl-2 и способствует образованию митохондриального олигомера VDAC, вызывающего гибель клеток [37, 38].Таким образом, комплекс HK-VDAC стал важной мишенью для лечения рака [39, 40]. Наши результаты показали, что ионы калия повышают экспрессию VDAC1 дозозависимым образом. Следовательно, ионы калия превышают баланс митохондриального мембранного потенциала за счет активации VDAC1 или нарушения баланса соотношения Bcl-2 / Bax, а затем индуцируют Cyt c, высвобождаемый из митохондрий, активацию каспазы и дисбаланс соотношения каспазы-3/7, что в конечном итоге приводит к апоптозу клеток.

Был обнаружен еще один белок ACSS1, который является ключевым белком в дыхательных цепях митохондрий и кодирует митохондриальную ацетил-КоА-синтетазу, которую он использовал для производства молекул АТФ.Наши результаты показали, что ионы калия вызывали подавление ACSS1, а затем митохондриальный энергетический метаболизм был ограничен. Это вызвало уменьшение пролиферации клеток и остановку клеточного цикла. Как деполяризация митохондриальной мембраны, так и метаболические нарушения являются супрессорами клеточного цикла. Экспрессия ACSS1 в клетках HepG2 снижалась после совместного культивирования с ионами калия, но не было никакой разницы в клетках L02. Он продемонстрировал, что ионы калия могут разрушать дыхательные цепи митохондрий и сдерживать энергетический метаболизм митохондрий.Более того, для различий между клеткой L02 и HepG2 решающую роль может играть ACSS1.

Чтобы дополнительно оценить изменение экспрессии генов, связанное с калиевым каналом, индуцированное ионами калия в клетках L02 и HepG2, была оценена экспрессия HERG. HERG — это ген (KCNh3), который кодирует белок, известный как Kv11.1, альфа-субъединицу канала ионов калия [41]. HERG включает регуляцию функций нервной системы, а также канцерогенез и развитие лейкозной опухоли [41].Уровни экспрессии HERG в клетках печени повышены, особенно в клетках HepG2. Результаты показали, что эти биологические функции, на которые влияют ионы калия, были связаны с канальным белком HERG.

Известно, что ионы калия играют обширную роль. Мы изучили биологическую функцию, вызываемую ионами калия в клетках печени, и изучили их молекулярный механизм. Облегчая экспрессию канального белка HERG, ионы калия могут предотвращать шунтирование клеток по прораковым путям и нарушать баланс митохондриального мембранного потенциала за счет повышения экспрессии VDAC1 или нарушения баланса соотношения Bcl-2 / Bax, а затем индуцировать высвобождение цитохрома с из митохондрий, активация каспазы и дисбаланс рациона каспазы-3/7, что в конечном итоге приводит к апоптозу клеток.

В заключение, наши результаты показали, что ионы калия могут быть ключевым регулятором функции клеток печени. Ионы калия могут ингибировать онкогенез за счет индукции апоптоза клеток гепатомы за счет активации белков канала транспорта ионов калия HERG и VDAC1.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Вклад авторов

Чжэнлинь Ся и Сюйсен Хуанг внесли равный вклад в эту работу.

Благодарности

Работа поддержана грантом Китайского национального фонда естественных наук (№81071990), Фонд естественных наук провинции Гуандун (№ S2012010008279), Проект планирования науки и технологий провинции Гуандун (№ 2012A030400055, № 2010B080701088, № 2011B08070196, № 2011B031800184 и № 2012B03180411) и Наука и технологии. проекты Гуанчжоу (№ 2011J410010).

Количественная оценка структуры гидратации ионов натрия и калия: дополнительные шаги по лестнице Иакова

* Соответствующие авторы

^а Отделение физических наук, Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория, П.O. Box 999, Richland, Вашингтон 99352, США
Эл. Почта: [email protected]

^б Школа химической инженерии, Университет Квинсленда, Сент-Люсия, Брисбен 4072, Австралия
Эл. Почта: т[email protected], [email protected]

^с Швейцарский источник света, Институт Пауля Шеррера (PSI), 5232 Виллиген, Швейцария

^д Отдел рентгеновских исследований, Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Lemont, Illinois 60439, USA

^e Химический факультет Цюрихского университета, CH-8057 Цюрих, Швейцария

^f Институт теоретической физики Регенсбургского университета, D-93053 Регенсбург, Германия

^г Отдел вычислительных исследований, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Беркли, Калифорния 94720, США

^ч Кафедра химического машиностроения, Вашингтонский университет, Сиэтл, Вашингтон, США

Как калий попадает в клетки?

Сбалансированное калийное домашнее хозяйство имеет решающее значение для выживания как людей, так и бактерий.Поскольку бактерии подвержены гораздо большим колебаниям условий окружающей среды, контролируемое потребление калия часто представляет собой особую проблему. Поскольку клеточная мембрана непроницаема для ионов калия, она должна перемещаться через определенные мембранные транспортные белки.

С одной стороны, калиевые каналы обеспечивают быстрый, но пассивный приток ионов калия. Это прекращается, как только достигается электрохимическое равновесие между клеткой и окружающей средой.Для достижения более высоких внутриклеточных концентраций калий активно транспортируется в клетку через калиевые насосы, при этом энергия расходуется в форме АТФ.

Поскольку оба семейства белков — каналы и насосы — выполняют очень разные функции, они всегда описывались как отдельные друг от друга. Этому, однако, противоречит наблюдение, что KdpFABC, высокоаффинная, активная система поглощения калия бактерий, не представляет собой простой насос, а состоит из четырех различных белков.Один из них является производным от обычного насоса, а другой похож на калиевый канал.

Инга Хенельт, доцент кафедры биохимии Университета Гете, и ее коллега Кристина Паулино из Университета Гронингена, Нидерланды, поэтому решили поближе взглянуть на мембранный белок KdpFABC через микроскоп, или, точнее, криоэлектрон. микроскоп. Результат их удивил: «Все предыдущие гипотезы были ошибочными», — утверждает Инга Хенельт.«Несмотря на то, что перед нами были все данные, нам потребовалось время, чтобы понять, каким образом калий проходит через комплекс в клетку».

Во-первых, канальный белок связывает калий и транспортирует его через первый туннель к насосу. По прибытии первый туннель, обращенный наружу, закрывается, а второй туннель, обращенный внутрь, открывается. Этот туннель также проходит между обоими белками и в конечном итоге заканчивается внутри клетки. «Этот комплекс, по сути, сочетает в себе лучшие качества обоих семейств белков», — объясняет Шарлотт Сток, докторант исследовательской группы Инге Хэнельт.«Каналоподобный белок связывает калий, сначала очень специфично и с высоким сродством, в то время как помпа обеспечивает активный транспорт, который может обогатить калий в клетке в 10 000 раз».

Данные, недавно опубликованные в журнале Nature Communications , впечатлили ученых тем, насколько разнообразным может быть перенос через мембраны. «Мы узнали, что при исследовании различных белков мембранного транспорта мы не должны полагаться на кажущиеся неопровержимыми механизмы, но должны быть готовы к сюрпризам», — резюмирует Инга Хэнельт.

###

Публикация: Charlott Stock, Lisa Hielkema, Igor Tascon, Dorith Wunnicke, Gert T. Oostergetel, Mikel Azkargorta, Cristina Paulino, Inga Hänelt, Крио-ЭМ структуры KdpFABC предполагают механизм транспорта K + через два межсубъединичных полуканала, в : Nature Communications , 10.1038 / s41467-018-07319-2

Изображение можно загрузить по адресу: http://www.uni-frankfurt.de/75137139

Надпись: Наружные и внутренние открывающиеся структуры KdpFABC в клеточной мембране.Предоставлено: исследовательская группа Инги Ханельт.

Дополнительная информация: д-р Инга Ханельт, Институт биохимии, факультет 14, кампус Ридберг, телефон: +49 69 798-29262, [email protected].

Текущие новости науки, образования и общества в GOETHE-UNI онлайн (http://www.aktuelles.uni-frankfurt.de)

Университет Гете — это исследовательский университет в европейском финансовом центре Франкфурта. Университет был основан в 1914 году за счет частных средств, в основном еврейских спонсоров, и с тех пор добился новаторских достижений в области социальных наук, социологии и экономики. медицина, квантовая физика, исследования мозга и трудовое право.1 января 2008 года он получил уникальный уровень автономии, вернувшись к своим историческим корням как «университет-основатель». Сегодня он входит в десятку лучших по внешнему финансированию и в тройку крупнейших университетов Германии с тремя кластерами передового опыта в области медицины, наук о жизни и гуманитарных наук. Вместе с Техническим университетом Дармштадта и Университетом Майнца он выступает в качестве партнера межгосударственного стратегического альянса Рейн-Майн университетов. Интернет: http: //www.uni-frankfurt.де

Издатель: президент Университета Гете Редактор: д-р Анн Харди, референт отдела научных коммуникаций, PR и коммуникаций, Теодор-В.-Адорно-Платц 1, 60323 Франкфурт-на-Майне, тел .: (069) 798-13035 , Факс: (069) 798-763 12531

---

---

Журнал

Nature Communications

Заявление об отказе от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Заживление дендритов в калийно-металлической батарее на месте

Значение

Исторически самонагрев батареи отрицательно рассматривался как нежелательный атрибут. Однако мы сообщаем, что самонагрев батареи, если его правильно контролировать, может сгладить дендритные особенности в калиевых металлических батареях. Это может открыть дверь для калий-ионных батарей с высокой гравиметрической и объемной плотностью энергии, которые могут стать устойчивой и недорогой альтернативой существующей литий-ионной технологии.

Abstract

Использование калиевых (K) металлических анодов может привести к созданию высокопроизводительных K-ионных аккумуляторов, которые являются устойчивой и недорогой альтернативой литиевой (Li)-ионной технологии. Однако образование дендритов на таких поверхностях K-металлов неизбежно, что препятствует их утилизации. Здесь мы сообщаем, что K-дендриты можно вылечить на месте в K-металлической батарее. Заживление запускается управляемым током самонагревом на границе раздела электролит / дендрит, что вызывает миграцию поверхностных атомов от кончиков дендритов, тем самым сглаживая дендритную поверхность.Мы обнаружили, что этот процесс для K намного эффективнее, чем для металлического Li. Мы показываем, что причиной этого является гораздо большая подвижность поверхностных атомов в K по сравнению с металлическим Li, что позволяет заживлению дендритов происходить при более низкой плотности тока на порядок. Мы демонстрируем, что анод из K-металла может быть соединен с катодом из оксида кобальта калия для достижения заживления дендритов в практическом устройстве с полной ячейкой.

Литий-ионные аккумуляторные батареи (LIB) стали выдающейся технологией накопления энергии за последние несколько десятилетий благодаря их высокой плотности энергии и исключительным характеристикам цикличности (1, 2).Однако неравномерное распределение и дефицит Li в земной коре (∼20 ppm) делает использование LIB как единственного источника накопления энергии крайне непрактичным и неэкономичным (3). Батареи на основе ионов щелочных металлов, такие как натриевые (Na) -ионные батареи (NIB) и калиевые (K) -ионные батареи (KIB), привлекли к себе пристальное внимание в последние несколько лет в надежде, что их обильное присутствие в земных корки (∼2,36 мас.% и ∼2,09 мас.% соответственно по сравнению с ∼0,0017 мас.% Li) и более низкие затраты помогут крупномасштабным приложениям хранения энергии (4, 5).NIB интенсивно исследуются в последние несколько лет, в то время как KIB постепенно привлекают всеобщее внимание (6, 7).

Стандартный потенциал для K ⁺ / K составляет -2,93 В по сравнению со стандартным водородным электродом (SHE), что сравнимо с -3,04 В для Li ⁺ / Li. Кроме того, K теоретически предлагает более высокое рабочее напряжение, чем Na, поскольку стандартный окислительно-восстановительный потенциал для Na ⁺ / Na составляет -2,71 В по сравнению с SHE. В обычно используемом электролите этиленкарбонат / диэтилкарбонат (EC / DEC) было определено, что K ⁺ / K равно -0.15 В по сравнению с Li ⁺ / Li (ссылка 7). Этот низкий потенциал обеспечивает KIB превосходную позицию среди возможных альтернатив для замены литиевых батарей. Следует также отметить, что K, в отличие от Li, не сплавляется с алюминием при низких потенциалах (8), что позволяет использовать недорогую алюминиевую фольгу в качестве токосъемника для анода. По сравнению с LIB и NIB, еще одним важным преимуществом KIB является то, что ион K имеет гораздо более слабую кислотность по Льюису (9, 10) и образует менее сольватированные ионы, чем Li и Na.Это обеспечивает более высокую ионную проводимость и более быстрый перенос сольватированных ионов K с перспективами улучшенных характеристик высокой мощности для KIB.

Были исследованы различные анодные и катодные материалы для вторичных батарей типа K. Из-за большего размера и массы ионов K ⁺ для KIBs было зарегистрировано лишь несколько катодных материалов. Среди них берлинская лазурь и ее аналоги, как сообщается, обратимо накапливают ионы K в неводных электролитах, но низкая объемная емкость из-за низкой плотности гексацианоферратов ограничивает их практическое применение (8, 11, 12).Недавно Deng et al. синтезировали иерархически структурированный слоистый катод типа P2 K _0,6 CoO ₂ , который не только обладал высокой удельной емкостью, но также был способен циклировать ионы K ⁺ с достаточно высокими скоростями (13). Что касается анода, во вторичных K-батареях были исследованы различные материалы, такие как графит (14), твердый углерод (15), мягкий углерод (16), а также сплавы на основе фосфора (17). В отличие от этого, прямое использование металла K в качестве анода обеспечило бы более высокую удельную емкость, чем углеродсодержащие, легирующие или интеркаляционные соединения, поскольку плотность упаковки атомов K является самой высокой в ​​его металлической форме.Однако, как и у Li, на аноде из K-металла наблюдаются дендритные выступы во время процессов электрохимического осаждения и снятия покрытия, которые происходят, когда батарея заряжается и разряжается. Рост дендритов связан с необратимой потерей емкости, снижением кулоновской эффективности, а также с сушкой и деградацией электролита (18). Что наиболее важно, эти дендритные выступы могут пробить разделительную мембрану и привести к электрическому короткому замыканию батареи, что приведет к серьезному тепловому выходу из строя, что может привести к катастрофической опасности пожара.

Кинетически зарождение и рост металлических дендритов очень благоприятны во время процессов электрохимического осаждения и зачистки. Принято считать, что более высокая плотность тока (то есть более быстрый заряд / разряд) будет способствовать росту дендритов, поскольку в таких условиях должна благоприятствовать агрегация дендритов, ограниченная диффузией. В предыдущих работах (19, 20), посвященных системам Li-металл, мы показали, что это не всегда так. В частности, мы продемонстрировали отчетливый режим, в котором верно обратное, где при очень высоких плотностях тока (∼15 мА · см ⁻² ) внутренний самонагрев батареи вызывает обширную поверхностную диффузию Li, которая сглаживает ( лечит) дендриты.В этом исследовании мы исследуем, как K-дендриты в K-металлических батареях реагируют на саморазогрев. Мы обнаружили, что процесс заживления (сглаживания) дендритов, вызванного тепловым воздействием, значительно более эффективен в K по сравнению с металлическим Li. Параметр, используемый для управления саморазогревом батареи (джоулевым), — это рабочая плотность тока (или скорость заряда-разряда) элемента. Поскольку K-дендриты гораздо легче вылечить по сравнению с их аналогами из Li, плотность тока, необходимая для запуска заживления, была на порядок ниже для K (∼1.5 мА см ⁻² ) по сравнению с металлическим Li (∼15 мА см ⁻² ). Эта заметно более низкая плотность тока предполагает, что меньшее повышение температуры во время циклирования требуется для самодиффузионного заживления K-дендритов, что сделает деградацию электролита или повреждение сепаратора менее вероятным. Следовательно, термически активированное заживление K-дендритов не только более эффективно, но и намного безопаснее по сравнению с Li.

Чтобы раскрыть механизм того, почему K-дендриты заживают намного легче, чем Li, мы использовали расчеты из первых принципов теории функционала плотности (DFT), чтобы оценить степень поверхностной диффузии атомов K-металла путем расчета энергетических барьеров активации для поверхностной диффузии через механизмы прыжковой и обменной диффузии (20).Аналогичные расчеты были выполнены и для самодиффузии Li. Далее, мы смотрим на картину Аррениуса, чтобы исследовать поверхностную диффузию K как процесс, активируемый температурой, и сравниваем результаты с результатами Ли (20). Наше теоретическое исследование показывает, что активационный барьер для поверхностной диффузии в K (∼0,1 эВ) значительно ниже, чем в Li (∼0,15 эВ). Следовательно, даже при умеренно высокой температуре ~ 50 ° C константа скорости поверхностной диффузии K примерно в пять раз выше, чем у Li при той же температуре.Значительно более высокая самодиффузия для K по сравнению с металлическим Li объясняет, почему дендриты K гораздо легче лечить по сравнению с Li. Мы также показываем, что K-дендриты можно лечить в устройстве с полной ячейкой, которое состоит из катода K _0,6 CoO ₂ и анода из K-металла.

Самонагрев батареи обычно имеет негативный оттенок; однако наши результаты показывают, что самонагрев батареи, если его правильно контролировать, может сгладить дендритные особенности в K-металлических батареях. Это может привести к появлению высокопроизводительных K-ионных аккумуляторов, которые могут стать устойчивой и недорогой альтернативой литий-ионной технологии.

Результаты

Чтобы изучить морфологию К-металлического электрода после циклирования, мы протестировали симметричные ячейки КК в широком диапазоне рабочих плотностей тока (рис.1 A и B ) в диапазоне от низких (∼0,01). мА см ⁻² ) до умеренно высоких значений (∼2 мА см ⁻² ). Мы визуализировали поверхности фольги K-металла, используемой в экспериментах, с помощью ex situ сканирующей электронной микроскопии (SEM). На рис. 1 C — J показаны СЭМ-изображения поверхности электрода из K-металла после 50 циклов заряда и разряда при плотностях тока ∼0.01, ∼0.1, ∼0.5, ∼0.75, ∼1.5 и ∼2 мА см ⁻² . Как и ожидалось, большие изолированные полусферические отложения (рис. 1 C ) наблюдались после работы при низкой плотности тока (∼0,01 мА · см ⁻² ). При таких низких плотностях тока осаждение K считается контролируемым с переносом заряда (21). По мере увеличения рабочей плотности тока (рис. 1 D — F ) зародыши растут в дендритной форме, а осаждение контролируется диффузией (21). Образующиеся дендриты более плотно упакованы, и их диаметр уменьшается с увеличением плотности тока.Однако при дальнейшем увеличении плотности тока (∼2 мА · см ⁻² ) морфология поверхности K-металла оказывается гладкой и недендритной по своей природе (рис. 1 H ). При плотности тока 1,5 мА см ^-2 может наблюдаться частичное заживление (рис. 1 G ), где отдельные дендритные структуры, кажется, слились (или слились) вместе. Изображения поперечного сечения электрода, циклически повторяющегося при ∼0.01 и ∼2 мА · см ^-2 , показаны на рис. 1 I и J соответственно.Из-за их пористой природы осаждение платины и ионное измельчение дендритов приводит к их структурному разрушению (рис. 1 I ). Однако изображение поперечного сечения ясно показывает высокую степень пористости, которую можно ожидать от дендритного слоя. Напротив, поперечное сечение электрода из K-металла, циклически повторяющегося при ∼2 мА · см ^-2 , показало уплотненный (или залеченный) подслой, в котором отдельные дендриты K слились и слились вместе (рис. 1 J ) , что подтверждает эффективность феномена исцеления.Эти результаты также согласуются с профилями напряжения на рис. 1 B . Профиль напряжения клетки, циклически изменяющейся при ∼0,5 мА · см ^-2 , свидетельствует об обширном росте дендритов и увеличении импеданса клетки. Напротив, ячейка, подвергшаяся циклу ∼2 мА / см ^-2 , изначально демонстрирует высокий импеданс, но профиль напряжения стабилизируется, что указывает на то, что дендриты, образовавшиеся в начальных циклах, со временем заживают.

Рис. 1.

Морфология дендритов в K-K симметричных ячейках.( A ) Схема симметричной К-К-ячейки. ( B ) Потенциально-временные профили для симметричных ячеек K-K, работающих при низких и высоких плотностях тока. СЭМ-изображения, отображающие морфологию поверхности K-металлического электрода в KK-симметричных ячейках, циклически изменяемых при различных плотностях тока: ( C ) ∼0,01 мА · см ⁻² , ( D ) ∼0,1 мА · см ⁻² , ( E ) ∼0,5 мА см ⁻² , ( F ) ∼0,75 мА см ⁻² , ( G ) ∼1.5 мА см ⁻² и ( H ) ∼2 мА см ⁻² . Изображения поперечного сечения электрода из K-металла, работающего при ( I ) ∼0,01 мА · см ⁻² и ( J ) ∼2 мА · см ⁻² , полученных методом фрезерования FIB.

Мы использовали расчеты методом DFT из первых принципов для изучения характеристик поверхностной диффузии Li и K металлов. Для изучения поверхностной диффузии мы рассматриваем как прыжковые, так и обменные механизмы. В прыжковом механизме мы считаем, что адатом перемещается из одного равновесного положения адсорбции в другое (рис.2 A и B ). Скорость диффузии оценивается расчетным энергетическим барьером вдоль пути. Путь диффузии определяется путем сравнения энергии адсорбции адатомов на высокосимметричных узлах их соответствующих наиболее стабильных окончаний на поверхности. Адатому позволяют расслабиться в направлении, перпендикулярном поверхности (001). Энергия адсорбции (E _ad ) рассчитывается путем вычитания энергии чистого металлического электрода без адатома (E _slab ) и энергии одиночного адатома (E _атом ) из энергии системы с релаксированный адсорбат адатом (E _sys ), т.е.е., E _ad = E _sys — E _slab — E _atom (20).

Рис. 2.

Расчеты поверхностной диффузии из первых принципов методом DFT. График энергии адсорбции для адатома Li ( A ) на Li (001) и ( B ) K адатома на K (001). ( C ) Снимки атомной конфигурации вдоль MEP для самодиффузии с адатомом в четырехкратной полости в механизме обмена. ( D ) Энергетический барьер активации, рассчитанный методом NEB для диффузии по обменному механизму для Li и K.( E ) На изображении Аррениуса константа скорости диффузии (k ^STST ) при температуре T вычисляется с использованием простой приближенной формы (24) STST, в которой k ^STST = n _p v ₀ exp [- (Седло E — E _мин ) / k _B T] ( Материалы и методы ). На графике нанесено изменение константы скорости диффузии в зависимости от температуры как для Li, так и для K.

Обменный или согласованный механизм смещения диффузии включает кооперативное движение нескольких поверхностных атомов.Чтобы определить активационный барьер в этом механизме, рассматривается путь обменной диффузии (20) (т. Е. Предпочтительный сайт адсорбции к ближайшему соседу на поверхности, затем к следующему предпочтительному сайту адсорбции). Адатом A изначально находится в четырехугольной полой позиции, в то время как поверхностный атом B является одним из его ближайших соседей на поверхности (001). Оба атома движутся кооперативно, так что адатом A заменяет поверхностный атом B, в то время как поверхностный атом B становится адатомом в следующем четырехкратном пустом узле.Это проиллюстрировано на рис. 2 C и было заимствовано из подхода, использованного в исх. 22. Метод подталкивающей эластичной ленты (NEB) (23) был использован для определения пути минимальной энергии (MEP) и активационного барьера в механизме обмена (Рис. 2 D ).

Минимальный путь энергии для самодиффузии как Li на Li (001), так и K на K (001) в обменном механизме затруднен энергетическим барьером активации (∼0,15 эВ для Li и ∼0,1 эВ для K). . Этот энергетический барьер для обмена намного ниже, чем соответствующий барьер для прыжкового механизма.Например, в случае K барьер для механизма обмена (∼0,1 эВ) меньше половины барьера для механизма прыжков (∼0,23 эВ), и поэтому мы заключаем, что обменный механизм является преобладающим механизмом для самообслуживания. -диффузия в K. Этот барьер диффузии в K также значительно ниже, чем барьер для обоих типов диффузии (т.е. обменной, а также прыжковой) в Li. Следовательно, K демонстрирует гораздо более высокую скорость самодиффузии [рассчитанная с использованием уравнения Аррениуса (24), рис.2 E ] по сравнению с Li. Например, при температуре ∼50 ° C константа скорости поверхностной диффузии для K примерно в пять раз выше (рис. 2 E ), чем у Li при той же температуре. Несмотря на то, что моделирование эффектов границы раздела твердого электролита (SEI) и растворителя (электролита) с помощью DFT является сложной задачей из-за размера и сложности системы, такая работа должна проводиться в рамках будущих исследований.

Обсуждение

Величина энергетического барьера самодиффузии металла была предложена в качестве дескриптора возникновения дендритов (25), а ростовые явления на границах раздела тесно связаны с коэффициентом диффузии (26, 27).Принимая во внимание связь между более низким барьером самодиффузии и ростом структур с гладкой поверхностью, мы делаем вывод, что K-металл может представлять собой относительно гладкую поверхность с подавлением роста дендритов. Этот вывод согласуется с нашими экспериментальными данными, поскольку подавление роста K-дендритов четко наблюдается при плотностях тока, которые обеспечивают достаточную тепловую энергию для самодиффузии. Прогнозируемое повышение температуры дендритов в зависимости от плотности тока приведено в приложении SI , рис.S3 вместе с деталями подхода к тепловому моделированию ( SI Приложение , рис. S1). Поскольку электрическое сопротивление электролита и SEI намного превышает сопротивление дендрита металла, предполагается, что джоулева нагрев происходит преимущественно в электролите и SEI, и что тепло передается дендриту K-металла на границе дендрит / SEI / электролит ( SI Приложение , Рис. S2). Результаты расчетного теплового моделирования показывают, что температуры порядка 30–40 ° C (в дендритах K, SI Приложение , рис.S3 A ) и 40–50 ° C (в электролите / SEI, SI Приложение , рис. S3 B ) возможны при плотностях тока ∼2,0 мА · см ⁻² . Обратите внимание, что эти температуры намного ниже температуры плавления K (∼63,5 ° C) или начальной температуры, при которой может начаться разложение электролита / сепаратора (около 80–90 ° C).

Контрольный эксперимент по термическому отжигу также был проведен для подтверждения механизма термической поверхностной диффузии для заживления K-дендритов.Для этого клетки подвергали циклическому воздействию при плотности тока ∼0,5 мА · см ^-2 в течение примерно 200 часов (50 циклов заряда-разряда) для создания плотных областей близко расположенных дендритов ( SI Приложение , рис. S4 A ). Затем ячейки подвергались термическому отжигу при ∼40 ° C на горячей плите в течение 72 часов. Отжиг проводился без вскрытия ячеек, чтобы гарантировать, что отжиг происходит в присутствии электролита батареи. Контроль этих электродов после термического отжига с помощью СЭМ ( СИ приложение , рис.S4 B и C ) указывает на диффузные или слитые поверхности и гладкую морфологию, которая похожа на электроды, циклируемые при высокой плотности тока (∼2 мА · см ⁻² , см. Рис. 1 H ). Такое заживление дендритов в режиме высокой плотности тока существенно снижает риск проникновения дендритов через сепаратор, повышая безопасность вторичных батарей, использующих металл K в качестве анода.

Для анализа структуры / химического состава SEI анода из K-металла прогоняли при низком (∼0.01 мА см ⁻² ) и высоких (∼2 мА см ⁻² ) плотностей тока, мы провели профилирование по глубине ( SI Приложение , рис. S5) с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). Сканирование O1s показывает наличие связи C – O при примерно 530 эВ, связи C = O при 531,8 эВ и CO ₃ ^2- при 533,5 эВ. Сканы K2p показывают дублеты, соответствующие K-F (293,5, 295,8 эВ) и связи K – O (292, 295 эВ). Кроме того, пик, соответствующий K ₄ X / K ₃ X (290.8 эВ), где X — противоион. В целом, мы обнаружили, что гораздо более острые пики ( SI Приложение , рис. S5 C и D ) наблюдались для образца, подвергнутого циклическому воздействию 2 мА см ^-2 , что предполагает меньшее разнообразие в составе SEI. Напротив, образец, подвергнутый циклическому воздействию 0,01 мА см ^-2 , показал более размытые и более широкие пики ( SI Приложение , рис. S5 A и B ), что указывает на более разнообразный SEI со значительным вкладом несколько соединений.Например, вклад K ₄ X / K ₃ X (где X — противоион) заметен при плотности тока 0,01 мА · см ⁻² , но пренебрежимо мал при 2 мА · см ⁻² . Эти наблюдения можно объяснить на основе кинетики реакции. При низких плотностях тока (например, 0,01 мА · см ⁻² ) реакции с медленной кинетикой имеют достаточное время для завершения, в отличие от циклирования при высоких плотностях тока (например, 2 мА · см ⁻² ), когда нанесение покрытия и удаление калия преобладает над реакциями с медленной кинетикой.Таким образом, при высоких плотностях тока меньше соединений присутствует в больших количествах, что приводит к резким пикам в спектрах XPS. При низких плотностях тока более разнообразный набор соединений присутствует в относительно меньших количествах, что приводит к расширению отклика XPS.

Еще одним ключевым наблюдением стало изменение состава SEI в зависимости от его толщины. XPS с распылением анодов металлического калия выявил равномерное распределение соединений по глубине SEI для образцов, подвергнутых циклическому давлению 2 мА · см ^-2 . SI Приложение , рис. S5 C и D показывает, что XPS-спектры K2p и O1s практически не меняются с глубиной. Ситуация иная для образцов, подвергнутых циклированию при 0,01 мА см ^-2 , со значительными изменениями относительной интенсивности пиков XPS с глубиной ( SI Приложение , рис. S5 A и B ). Изменение типов и количества соединений по толщине SEI на калий-металлическом аноде циклически составляло 0.01 мА см ⁻² указывает на повышенную неоднородность SEI. С другой стороны, при плотности тока заживления 2 мА / см ^-2 SEI гораздо более однороден по толщине по сравнению с SEI, который развивается при низких плотностях тока.

Чтобы исследовать влияние плотности тока на толщину SEI, мы провели спектроскопию электрохимического импеданса на симметричных ячейках KK с циклическим циклом при низкой (0,01 мА см ⁻² ) и высокой (2 мА см ⁻² ) плотностях тока ( SI Приложение , рис.S6). Ясно, что сопротивление SEI от перехватов высокочастотных полукругов ниже для ячейки, циклированной при 2 мА см ^-2 , по сравнению с ячейкой, циклированной при 0,01 мА см ^-2 . Из-за гораздо меньшего сопротивления ячейки К-К, циклически повторяемой при 2 мА / см ^-2 , два полукруга, представляющие перенос заряда (CT) и сопротивление SEI, имеют тенденцию перекрываться и не могут быть различимы. Следовательно, для случая 2 мА см ⁻² , один полукруг используется для подгонки, чтобы получить полный импеданс (т.е.е., SEI + CT) клетки. Расчетное сопротивление SEI + CT составило ∼46,8 Ом (при 2 мА · см ⁻² ), что значительно меньше, чем сопротивление SEI анода, циклически измененного при 0,01 мА · см ⁻² (∼168,3 Ом) с дендритная морфология. Это снижение сопротивления указывает на относительно более тонкий SEI для фольги из K-металла, которая циклически повторяется при плотности тока заживления 2 мА · см ^-2 по сравнению с 0,01 мА · см ^-2 .

На основании приложения SI , рис.S5 и S6 мы заключаем, что SEI, который формируется при плотности тока заживления 2 мА · см ^-2 , намного более однороден (то есть менее гетерогенный) и тоньше, чем SEI, созданный при низких плотностях тока. Хорошо известно, что зарождение дендритов усиливается для более гетерогенных и более толстых SEI из-за неоднородной диффузии K ⁺ через такие слои. Следовательно, в нашей системе, как только дендриты заживают (из-за поверхностной диффузии, вызванной самонагревом батареи), они с меньшей вероятностью будут обновляться из-за повышенной однородности и уменьшенной толщины слоя SEI, который формируется при плотности тока заживления.

Чтобы продемонстрировать применение заживления K-дендритов в работающей вторичной батарее, мы собрали полную ячейку (рис. 3 A ) с металлической фольгой K в качестве анода и слоистым слоем типа P2 K _0,6 CoO ₂ (s-KCO) (13) в качестве катода. Катод s-KCO имеет иерархически структурированные сферы микрометрового размера, собранные из нано- или субмикронных первичных частиц. Наноразмерные первичные частицы способствуют быстрой интеркаляции / деинтеркаляции ионов ( SI, приложение , таблица S1), в то время как микросферы минимального размера минимизируют паразитные реакции и улучшают объемную плотность энергии батареи.Эти катоды s-KCO не только сохраняли высокую емкость с низкой скоростью замирания при плотности тока ∼500 мА · г ⁻¹ (13), но также могли работать при этих плотностях тока (рис. 3 B). ), необходимый для лечения дендритов. Циклические циклы полных ячеек проводились при низкой плотности тока ∼0,5 мА · см ^-2 (рис. 3 C ), а в другом эксперименте — при низкой плотности тока ∼0,5 мА · см ^-2 со вспышками более высокого тока. плотности (∼2 мА · см ⁻² ) циклов (рис.3 E ) для изучения морфологии дендритов на циклическом металлическом аноде. СЭМ-изображения ex situ анода из K-металла после циклирования показывают шероховатую дендритную поверхность при низких плотностях тока (∼0,5 мА · см ⁻² ) (рис. 3 D ). Однако поверхность анода из K-металла, подвергшаяся циклическому воздействию вспышек более высоких плотностей тока (∼2 мА · см ^-2 ), имела гладкую поверхность (рис. 3 F ) из-за заживления K-дендритов. с помощью поверхностной диффузии с помощью джоулевого нагрева, что согласуется с наблюдениями, сделанными в системе симметричных ячеек.Как и ожидалось, ячейка, циклируемая при низкой плотности тока (рис. 3 C ), имеет более низкую среднюю кулоновскую эффективность (∼96,43%), чем ячейка, циклируемая при низкой плотности тока с повторными дозами высокой плотности тока (рис. 3 E ) циклов исцеления (∼98,92%).

Рис. 3.

Заживление дендритов в полной ячейке с K-металлом в качестве анода и s-KCO в качестве катода. ( A ) Схема полноэлементного устройства. ( B ) Профили напряжения ячейки s-KCO | K, работающей при низких и высоких плотностях тока.Стабильность цикла полных ячеек, показывающая удельную зарядную емкость (красный) и кулоновскую эффективность KCO (синий) при циклировании при ( C ) низкой плотности тока (∼0,5 мА · см ^-2 ) и ( E ) слабом токе плотность (∼0,5 мА · см ⁻² ) со всплесками высокой плотности тока (∼2 мА · см ⁻² ) циклов. СЭМ-изображения электрода из K-металла после циклирования при ( D ) низких плотностях тока (∼0,5 мА · см ^-2 ) демонстрируют морфологию дендритной поверхности, в то время как поверхность металла K после циклирования при ( F ) низкая плотность тока (∼0.5 мА · см ⁻² ) со всплесками высокой плотности тока (∼2 мА · см ⁻² ) циклов лишена каких-либо отчетливых дендритных выступов.

Следует отметить, что плавление калия происходит при гораздо более низкой температуре (63,5 ° C) по сравнению с литием (180,5 ° C). Однако при плотности тока ∼2 мА · см ⁻² плавление в нашей калиевой батарее не происходит. Типичный профиль напряжения при этой плотности тока показан на рис. 1 B . Во время роста дендритов, а также процесса заживления профиль напряжения показывает большие колебания (или всплески), которые связаны с изменяющейся морфологией дендритной поверхности и слоя SEI.После завершения заживления наблюдается стабильный профиль напряжения. Как видно из рис. 1 B , для стабилизации и заживления поверхности калия и SEI требуется около 30 часов. Такие временные рамки не согласуются с процессом плавления, который протекал бы намного быстрее, если бы температура дендрита превысила точку плавления калия. С другой стороны, заживление, вызванное поверхностной диффузией, согласуется с временными рамками, наблюдаемыми в наших экспериментах. Далее наше тепловое моделирование ( SI Приложение , рис.S3) предсказывает максимальные температуры дендритов ∼40 ° C при рабочей плотности тока ∼2 мА · см ⁻² . Это намного ниже температуры плавления металлического калия. Нагрев (отжиг) монетного элемента на горячей плите при ∼40 ° C также подтверждает гипотезу поверхностной диффузии, поскольку для полного заживления требуется более 36 часов ( SI Приложение , рис. S4), что сопоставимо с временными рамками в электрохимическом испытании (рис. 1 B ). Эти результаты показывают, что заживление дендритов — это скорее поверхностная диффузия, чем процесс плавления.

Возможно, что при заживлении дендритов система управления батареями (BMS) могла случайно выйти из строя и применить плотности тока, которые намного превышают 2 мА · см ⁻² . Возможно ли при таком сценарии плавление анода из металлического калия? Конечно, это могло произойти в симметричной ячейке KK, поскольку в такой ячейке плотность тока может быть увеличена до сколь угодно большого значения, и в этот момент повышение температуры в фольге K-металла может превысить температуру плавления, что приведет к катастрофическим последствиям. отказ.Однако это не так в практической конфигурации с полной ячейкой. Среди катодов для неводных KIB s-KCO предлагает одни из лучших высокоскоростных возможностей, о которых сообщалось на сегодняшний день (13). Однако даже электрод s-KCO (который оптимизирован для высокоскоростной работы) не может эффективно работать при плотности тока выше 2 мА · см ^-2 , как показано в приложении SI , рис. S7. При плотности тока 2 мА · см ⁻² мы прогнозируем максимальную температуру дендритов около 40 ° C на основе нашего теплового моделирования ( SI Приложение , рис.S3), что значительно ниже точки плавления металлического калия. Другие высокопроизводительные катоды ( SI, приложение , таблица S1) для калий-ионных батарей также не могут работать при плотностях тока выше 2 мА · см ^-2 . Таким образом, в нашем практическом полноэлементном устройстве мы не выполняем цикл и, что более важно, даже в случае отказа / неисправности BMS, мы не можем выполнять цикл со скоростью, которая может привести к плавлению калия. Кроме того, поскольку емкость s-KCO падает почти до нуля при таких плотностях тока, как 5 мА · см ^-2 , увеличение плотности тока свыше 2 мА · см ^-2 для катода s-KCO не будет способствовать заживлению дендритов. на аноде из К-металла.

Испытания с полной ячейкой на рис. 3 были проведены с ∼0,8 M KPF ₆ в диметиловом эфире (DME) в качестве электролита. Мы также собрали симметричные ячейки K-K в электролите ∼0,8 M KPF ₆ в DME, чтобы подтвердить, что механизм заживления все еще применим в электролите на основе эфира. СЭМ-изображения циклических анодов из K-металла при различных плотностях тока показаны в приложении SI , рис. S8. Эволюция дендритов с изменением плотности тока очень похожа на результаты, показанные на рис.1 для электролита на карбонатной основе. При плотности тока ~ 2 мА · см ^-2 наблюдалась гладкая поверхность, указывающая на заживление дендритов. Из этих результатов мы заключаем, что явление заживления K-дендритов применимо как к карбонатным, так и к электролитам на основе эфира.

Подводя итог, мы изучили, как K-дендриты реагируют на саморазогрев, и сравнили наши результаты с результатами Li. Тестирование симметричных ячеек показывает, что заживление дендритов, вызванное самонагревом, намного более эффективно в K по сравнению с металлическим Li.Это позволяет заживлению дендритов происходить при более низкой плотности тока для K по сравнению с Li. Для объяснения основной причины такого поведения использовались подробные вычисления DFT. Было обнаружено, что энергетические барьеры для самоповерхностной диффузии в K намного ниже, чем в металлическом Li, что объясняет, почему K-дендриты легче лечить по сравнению с их аналогами из Li. Наконец, мы показываем, что заживление анода из К-металла, вызванное самонагревом, также может быть достигнуто в условиях полной ячейки, что указывает на то, что эта концепция заживления имеет важное практическое значение.

Материалы и методы

Подготовка электродов.

Все процедуры проводились в перчаточном боксе, наполненном аргоном (MBraun Labstar). Для синтеза s-KCO ~ 0,95 г CoCl ₂ · 6H ₂ O добавляли в раствор, содержащий ~ 20 мл H ₂ O, ~ 55 мл глицерина и ~ 2,5 г мочевины. при комнатной температуре при перемешивании. После перемешивания в течение ~ 2 часов и проверки растворения всех химикатов смесь переносили в автоклав из нержавеющей стали с тефлоновым покрытием объемом ~ 100 мл и проводили реакцию в лабораторной печи при ~ 180 ° C в течение ~ 12 часов.Предшественники (CoCO ₃ ) собирали центрифугированием, промывали несколько раз водой и этанолом и сушили при ~ 80 ° C в течение ночи. Полученные микросферы CoCO ₃ кальцинировали при ~ 500 ° C в течение ~ 4 ч на воздухе с получением микросфер Co ₃ O ₄ . Затем ~ 3 мМ Co ₃ O ₄ вместе с ~ 6 мМ гранул КОН были диспергированы в ~ 1 мл H ₂ O. После гомогенного перемешивания суспензия сушилась при ~ 80 ° C. с ночевкой.Наконец, твердая смесь была предварительно нагрета до ~ 350 ° C в течение ~ 2 часов и ~ 700 ° C в течение ~ 10 часов в среде O ₂ для получения микросфер типа P2 K _0,6 CoO ₂ . После естественного охлаждения температуру поддерживали на уровне ~ 200 ° C перед сбором образцов в перчаточном боксе, заполненном аргоном, чтобы предотвратить загрязнение из-за влаги в воздухе. Для изготовления рабочего электрода вручную использовались синтезированные P2-типа K _0,6 CoO ₂ (s-KCO), углеродная сажа super-P и связующее из поливинилиденфторида с массовым соотношением ∼5: 1: 1. измельчали ​​с соответствующим количеством N -метил 2-пирролидона до однородной суспензии, используя пестик и ступку в атмосфере аргона.Смесь суспензии наносили на токосъемник из алюминиевой фольги, а затем сушили при ~ 100 ° C в течение ~ 12 ч в вакууме. Массовая загрузка активных материалов для электрода составляла ~ 1,0 мг / см ^-2 .

Электрохимические измерения.

Arbin BT2000 использовался для проведения всех испытаний гальваностатического заряда / разряда и гальваники / снятия изоляции. Для сборки симметричных ячеек K / K и полных ячеек s-KCO / K использовались круглые ячейки типа 2032. Для симметричных ячеек K / K металлический калий (99,5% на основе следов металлов, Sigma-Aldrich) использовался как в качестве анода, так и в качестве катода и ∼0.В качестве электролита использовали 8 M KPF ₆ в EC: DEC (1: 1 об.%). Для полной ячейки s-KCO / K в качестве анода использовался металлический калий, в то время как s-KCO (13) использовался в качестве катода с ~ 0,8 M KPF ₆ в DME в качестве электролита. K / K-симметричные клетки с ~ 0,8 M KPF ₆ в DME были также собраны. Соль (KPF ₆ ) и растворители (EC, DEC и DME) были приобретены у Sigma-Aldrich. Симметричные ячейки циклически менялись при различных плотностях тока с одинаковым временем цикла (2 часа зарядки, 10 минут отдыха, 2 часа разрядки, 10 минут отдыха).Для элемента s-KCO / K гальваностатические циклы заряда / разряда проводились в диапазоне напряжений от 1,7 до 3,75 В (по сравнению с K / K ⁺ ). Емкость была приведена к активной массовой загрузке s-KCO. Упомянутые плотности тока относятся к аноду из K-металла. Celgard 2340 использовался в качестве мембранного сепаратора во всех наших испытаниях.

Характеристики электродов.

Ячейки открывали в перчаточном ящике, наполненном аргоном, чтобы получить циклический электрод из K-металла. Электрод промывали растворителем DEC для удаления любых солей и сушили.Затем К-электрод был запечатан в контейнер, заполненный аргоном, и перенесен для дальнейшей характеристики. К-дендриты получали с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа Carl Zeiss Supra 55. Использовалась апертура ∼30 мкм и энергия пучка ∼5 кВ. Поперечное сечение образца было получено с помощью распыления сфокусированным ионным пучком галлия (FIB) при энергии ~ 30 кэВ с использованием трехмерной двухлучевой системы FEI VERSA. Грубое напыление проводилось при ∼15 нА, а окончательная очистка поверхности поперечного сечения — при токе пучка ∼1 нА.Платина, осажденная ионным пучком на верхней поверхности, защищает поверхность образца от повреждений из-за распыления при более высоких токах ионного пучка. Вторичные электронные изображения поперечного сечения были получены при падающем электронном пучке с энергией ~ 10 кэВ и при наклоне образца ~ 52 °. Определение характеристик SEI проводилось с использованием рентгеновского излучения Al Kα (~ 1486 эВ) в системе PHI 5000 Versaprobe (20).

Расчеты из первых принципов.

Для расчетов DFT (28) из первых принципов использовалась программа Венского пакета моделирования ab initio.Электроны ядра описывались псевдопотенциалами расширенной волны проектора (29), а обменно-корреляционные энергии электронов использовали функционал Пердью, Берка и Эрнцерхофа (30) для приближения обобщенного градиента. Энергетическая обрезка плоских волн для разных границ раздела (для всех расчетов) была принята равной 550 эВ. Все ионы были полностью релаксированы во время структурной оптимизации до тех пор, пока полная энергия не сошлась в пределах 10 ^-5 эВ на ячейку, и полная энергия была рассчитана методом линейных тетраэдров с поправками Блохля.Поверхности электродов моделируются пятислойными пластинами. Вакуумный слой для моделей слябов составляет около 11,5 Å. Энергии адсорбции и пути диффузии были определены в геометрии 4 × 4 с использованием сетки 5 × 5 × 1 k-точек. Для всех расчетов адсорбции атомам двух самых верхних поверхностных слоев позволяли релаксировать во всех направлениях (20).

Мы рассчитали константы скорости, используя простую приближенную форму (24) теории переходных состояний (STST), в которой kSTST = npv0⁡exp (−EdiffkBT), где np — количество возможных направлений выхода, v0 — частота гармоники. , Ediff — энергетический барьер активации процесса диффузии, kB — постоянная Больцмана, T — температура.np = 4 из-за четырехкратной симметрии диффузионного механизма. Здесь константа скорости была рассчитана для механизма обмена, а частота гармоники была аппроксимирована из гармонической аппроксимации кривой потенциальной энергии для механизма обмена (20).

Благодарности

Эта работа была поддержана NSF (Премия № 1922633). Н.К. также выражает признательность за финансовую поддержку со стороны Джона А. Кларка и Эдварда Т. Кроссана, получившего звание профессора в Политехническом институте Ренсселера.

Сноски

• Вклад авторов: P.H., L.L. и N.K. спланированное исследование; П.Х., С.Б., А.Ю., Т.Г., А.Л., Р.Дж. и Н.К. проведенное исследование; P.H., S.B., X.F., L.L., A.Y., T.G., V.S., A.L., R.J., S.N., Y.S., C.W. и N.K. внесены новые реагенты / аналитические инструменты; P.H., S.B., A.Y., T.G., A.L., R.J., S.N., Y.S., C.W. и N.K. проанализированные данные; и П.Х., С.Б. и Н.К. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу https://www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1915470117/-/DCSupplemental.

  No related posts.