Кратко — химия и выводы.
1) Равновесие гидролиза:
$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}\rightleftharpoons \mathrm{N}{\mathrm{H}}_3+{\mathrm{H}}^{+}$.
По уравнению Хендерсона–Хассельбалька
$\mathrm{pH}=\mathrm{p}{K}_a+\log \frac{[\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3]}{[\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}]}$,
откуда
$\frac{[\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3]}{[\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}]}=10^{\mathrm{pH}-\mathrm{p}{K}_a}$.
Для аммония $\mathrm{p}{K}_a\approx 9.25$. Приближённые доли свободного аммиака:
- при $\mathrm{pH}=4:\frac{[\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3]}{[\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}]}=10^{4-9.25}=10^{-5.25}\approx 5.6\times 10^{-6}$, доля $\approx 0.00056\%$;
- при $\mathrm{pH}=7:\dots =10^{7-9.25}=10^{-2.25}\approx 5.6\times 10^{-3}$, доля $\approx 0.56\%$;
- при $\mathrm{pH}=11:\dots =10^{11-9.25}=10^{1.75}\approx 56.2$, доля $\approx 98.2\%$.
2) Характер изменений:
- В кислой среде (pH 4) аммоний почти полностью протонирован ($\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}$) — минимальная концентрация свободного $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$, малая летучесть и низкий риск щёлочных реакций.
- При нейтральной среде небольшая часть свободного $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ (порядка долей процента) — обычно допустимо, но может иметь значение при чувствительных белках/реакциях.
- В щёлочи образуется и доминирует свободный $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ — он может улетучиваться, сдвигать рН, вызывать щёлочную деградацию (деамидирование, денатурация, агрегацию) и токсичные эффекты.
3) Практические выводы для хранения биопрепаратов:
- По возможности хранить в среде, где аммоний остаётся протонированным: рекомендовано $\mathrm{pH}<\mathrm{p}{K}_a-2$ (т.е. $\mathrm{pH}\lesssim 7.25$) для удержания свободного $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3<1\%$. При необходимости ещё более безопасно — кислые буферы (например $\mathrm{pH}4$), если совместимо с препаратом.
- Избегать использования аммонийных солей в щёлочной среде — риск потери катиона как летучего аммиака и повреждения биомолекул.
- Упаковка: герметичные ёмкости, контроль температуры (охлаждение уменьшает летучесть и скорость реакций), минимизировать время нахождения при повышенной температуре или при высоком $\mathrm{pH}$.
- Рассмотреть замену аммония на не летучие и нейтральные ионы (Na+, K+) или подбор буферов, совместимых по $\mathrm{pH}$ и по реакционной стабильности белка.
- Контролировать $\mathrm{pH}$ и биологическую активность при хранении, особенно при длительном хранении или перед применением.
Эти правила помогут минимизировать образование свободного аммиака и связанные с ним деградационные процессы.