SU1165988A1 - Фотоактивный электрохимический датчик дл оценки токсичности жидкости - Google Patents

Abstract

1. ФОТОАКТИВННЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ ЖИДКОСТИ, содержащий детектирующий электрод, биологический индикатор и блок подвода контролируемой жидкости и света, отличающийс  тем, что, с целью сокращени  времени измерени , биологический индикатор вьшолнен в виде двух слоев, причем один слой со стороны электрода представл ет собой газопроницаемую пленку , а другой - диализную мембрану, содержащую цилиндрическую полость дл  энзима. О) Од сл о 00 00

Description

2. Датчик по п. 1, отличающ и и с   тем, что диаметр иммобилизованного энзимного сло  гидробионтов и диаметр отверсти  направл ющей светового потока определ ют по соотношению

,. dfc d (0,2-0,5)d3. где dj. - диаметр иммобилизованного сло , мм

d - диаметр отверсти  направл ющей Светового потока, мм;;

dj - диаметр электролитического канала детектирующего электрода , мм.

3. Датчик nOjji. 1, о т л и ч а ющ и и с   тем, что газопроницаема  пленка выполнена толщиной 5-10 мкм.

Изобретение относитс  к устройствам дп  исследовани  химических свойств веществ, точнее к анализу воды методом биотестировани  с использованием микроводорослей и может быть использовано в лабораторных и полевых услови х при оценке токсичности различных источников загр знени  водных объектов, а также при определении очагов загр знени  в мор х и океанах. Цель изобретени  - сокращение вре мени измерени . Снизу на воспринимакицей поверхнос ти детектирующего электрода непосред ственно установлен биологический индикатор так, что его газопроницаема  пленка обращена к воспринимакмцей поверхности, что позвол ет значитель но уменьшить динамическую ошибку, а следовательно, повысить точность оценки. Это обусловлено цвум  основными факторами. Прежде всего воспринимающа  поверхность детектирукицего электрода не контактирует ни со слое микроводорослей, ни с контролируемой жидкостью, так как она отделена от них га зопроницаемой пленкой. Следовательно воспринимающа  поверхность не подвержена биообрастанию и по влению других труднорастврримых пленок, существенно вли ющих на процессы в приэлектродных сло х, и находитс  всегда в готовом рабочем состо нии. Смена биологического |Индикатора также не сказываетс  на готовность воспринимающей поверхности. Вторым не менее, важным фактором  вл етс  инерционность детектируи цего электрода, определ ема  в основном структурой приэлектродного сло , в данном случае структурой биологического индикатора. Эта структура от измерени  к измерению остаетс  строго посто нной, так как биологические индикаторы обладают абсолютной идентичностью . Газопроницаема  пленка не вносит искажений в динамические характеристики при смене биологического индикатора, так как константы скоростей реакции остаютс  строго одинаковыми. Проницаема  дл  ионов и света диализна  мембрана вьшолнена, например , из бумажного фильтра или сетки фитопланктона, а газопроницаема  пленка, например, из полиэтилена толщиной 5-10 мкм. Выполнение диализной пленки в виде бумажного фильтра или сетки обеспечивает качественную иммибилизацию энзимного сло  гидробионтов, от которой во многом завис т физиологические состо ни  биологического индикатора. Эта задача очень важна при подготовке строго одинакрвых биологических индикаторов. Диализна  мембрана обеспечивает надежный односторонний контакт с контролируемой жидкостью, удержива  при этом в одном положении иммобилизованный энзимный слой микроврдорослей. Этим повьщ аетс  точностьоценки. Кроме того, диализна  мембрана, проницаема  дл  искусственного света, обеспечива  возможность равномерного освещени  сло  гидробионтов при включенном источнике света. Вьтолнение газопроницаемой пленки, например, из полиэтилена обеспечивает удержание и фиксацию иммобилизованного энзимного сло  микроводорослей в процессе его 3 работы и при транспортировке. Она проницаема дл  кислорода, вьщел емо го в процессе фотосинтеза, а также дл  света, необходимого при длитель ном хранении биологического -индикатора в определенных услови х. Этим достигаетс  сохранность индикатора и его основных характеристик.. Нижни предел газопроницаемой пленки 5 мкм ; обусловлен максимальной газопроница емостью, котора   вл етс  фуйкццей , толщины пленки и отсутствие вли ни  на процессы в приэлектродном слое. Верхний предел обусловлен инерционностью , когда детектирующий электрод успевает определ ть скорость изменени  кислорода в иммобилизованном энзимном слое без динамической погрешности . Диаметр иммобилизованного энзимного сло  гидробионтов и диаметр отверсти  направл ющей светового потока определ ют по соотношению d а„ (0,2-0,5)d,, где dj. - диаметр иммобилизованного сло , ММ; d - диаметр отверсти  направл ющей светового потока, мм-, dj - диаметр электролитического канала детектирующего электрода, мм. Выбор соотношени  d. d приводит к тому, что световой поток полностью , как это и требуетс , поглощаетс  иммобилизованным энзимным слоем гидробионтов, не попада  на воспринимающую поверхность электрода . Этим исключаетс  часто встречающеес   вление фототоков и повьш1аетс  точность измерени . Кроме того, не происходит нагрев воспринимакицей поверхности и элементов детектирующе го электрода. Одновременно обеспечиваетс  доступность контакта иммо билизованного энзимного сло  гидробионтов через диализную мембрану с контролируемой жидкостью по всей его плоскости. Выбор соотношени  dj. (0,2-0,5)d5 обусловлен исключением попадани  кислорода из иммобилизованного энзимного сло  в электролит детектирующего электрода, например, электрохимического датчи- ка растворенного кислорода. Нижний предел определ етс  производительностью по кислороду иммобилизованного энзимного сло  и нижним пределом чувствительности детектирующего 88, 4 электрода. Относительное увеличение, например обоих диаметров при сохранении их отношени  по предельному минимальному значению также невозможно , так как при этом увеличиваютс  все габаритные размеры и вли ние детектирующего электрода на- процессы газообмена. Верхнее значение соотношений обеспечивает предельный случай, когда инерционность детектирующего электрода остаетс  на том уровне, который позвол ет достоверно следить за изменением кислорода в иммобилизованном энзимном слое гидробионтов. При этом соотношении кислород энзимного сло  не вли ет на динамические характеристики детектирующего электрода, что позвол ет повысить точность измерени  фотосинтеза и дыхани  и приводит к повьшхению точности оценки токсичности . На фиг. 1 изображен фотоактивный электрохимический датчик дл  оценки токсичности жидкостей, разрез; на фиг. 2 - воспринимающа ,поверхность детектирующего электрода с биологическим индикатором и направл ющей светового потока; на фиг.Зформа получени  и обработка резуль- татов измерени  датчиком. Фотоактивный электрохи шческий датчик дл  оценки токсичности жидкостей (фиг. 1) содержит три блока: детектирующий электрод, биологический индикатор и блок подвода контролируемой жидкости и света, и состоит из составного корпуса 1, в котором расположена камера 2, ограниченна  Ьверху воспринимающей поверхностью 3 детектирующего эЛект - рода 4, снабженна  термистором 5, впускной 6 и вьтускной 7 трубками и соединенна  световодами 8 с источником 9 света, который установленв изолированной от камеры 2 и детектирующего электрода 4 полости 10 корпуса 1. Неспоредственно на воспринимающую поверхность 3 детектирующего электрода 4 установлен биологический индикатор 11, выполненный в виде иммобилизованного в проницаемую дл  ионов и света диализную мембрану 12 (фиг. 2) энзимного сло  13 гидробионтов, например иикроводорослей , закрытого газопроницаемой пленкой 14.

5

Между биологическим индикатором 11 и камерой 2 установлена направл юща  15 светового потока.

Детектирующий электрод 4, в качестве которого можно использовать, например, электрохимический датчик растворенного кислорода, расположен в верхней части корпуса 1 и включает катод 16, анод 17, электролит 18 закрытые полийерной мембраной 19, котора  посредством шайбы 20, резиновой прокладки 21 и фигурной гайки 22 плотно прижимаетс  и равномерно нат гиваетс  к торцовой части датчика. Катод 16 вварен в стекл нный стержень 23, образующий в датчике электролитический канал 24. Электрические выводы детектирук цего электрода 4 выполнены через герметизированный кабель 25, который соединен с измерительным блоком (не показан). Детектирующий электрод 4 герметично крепитс  к корпусу 1 посредством гайки 26.

Источник 9 света 9 закреплен в теплоизол ционной муфте 27, на ко )торой вьшолнены контактные вьшоды источника 9 света и термистора 5. Полость 10 изолирована от камеры 2 и детектирующего электрода 4 теплоизол ционной прокладкой 28.

Вьшоды впускной 6 и вьшускной 7 трубок, а также электрические выводы источника 9 света и термистора 5 осуществлены в нижней части корпуса 1 через гайку 29.

Оценка токсичности фотоактивным энзимоэлектрохимическим датчикснм осуществл етс  следующим образом.

Подготовленный заранее биологический индикатор 11 устанавливают газопроницаемой пленкой 14 непосредственно на воспринимающую поверхность 3 детектирующего электрода 4. Затем помещают направл ющую 15 светового потока и детектируннций электрод 4 герметично креп т гайкой 26 к корпусу 1. Через впускную 6 трубку контролируемую жидкость подают в камеру 2 и выдерживают ее в течение 10 мин. За это врем  токсичные вещества проникают через диализную мембрану 12 и воздействуют на клетки микроводорослей энзимного сло  13. Так как в камере 2 отсутствует естественное освещение, то клетки микроводорослей в этот период поглощают кислород (процесс

659886

дыхани ) в иммобилизованном энзимном слое 13, а также кислород контролируемой жидкости, экраниру  при этом воспринимающую поверхность 3 5 детектирующего электрода 4 от проникновени  кислорода на его поверхность . За врем  примерно 2-3 мин показание детектирующего электрода 4 равно нулю (концентраци  кислорода 10 на его воспринимакнцей поверхности равна нулю). Нулевое содержание кислорода используетс  дл  калибровки и поверки работоспособности детек ,тирующего электрода 4. tS Затем включают источник 9 света. Свет проходит по световодам 8 и равномерно освещает иммобилизован ньй энзимный слой 13 микроводорослей} начинаетс  процесс фотосинтеза. 20 Клетки микроводорослей продуцируют кислород, который через газопроницаемую пленку 14 попадает на воспринимаюшую поверхность 3 и измер етс  детектирующим электродом 4. Очевидно, что кислород иммобилизованного энзимного сло  13 может выходить и в контролируемую жидкость. Однако , это практически не происходит, так как градиент концентраций между

30 контролируемой жидкостью и иммобилизованным слоем всегда значительно меньше или равен нулю, в то врем  как между слоем и воспринимающей поверхностью 3 детектирующего электе рода 4 имеет максимальное значение за счет потреблени  кислорода датчиком .

В зависимости от степени поражени  токсическими веществами иммобилизованного энзимного сло  13 микроводорослей клетки микроводорослей по-разному, фртосинтезируют, что .вьфажено в наклоне кривой зависимости изменени  кислорода во времени.

5 При достижении концентрации кислорода в иммобилизованном слое 13, например, 8,9 мг/л источник 9 света выключаетс  (фиг. 3), и происходит последующее потребление кислорода

0 в иммобилизованном слое 13, которое определ етс  детектирун цим электродом 4. При достижении кислорода, например, 2,9 мг/л источник 9 света снова включаетс  и начинаетс  очередное вьщеление кислорода и его измерение детектирующим электродом 4, цикл повторитс . Таким образом, можно получить серию кривых зависимости 7 скорости фотосинтеза или дыхани  во времени при воздействии токсических веществ контролируемой жидкости Оценку.токсичности производ т например , по уменьшению на 50 скорости фотосинтеза или дыхани  по сравне нию с первоначальным калибровочный значением или по определению времени достижени  заданного значени  уменьшени  скоростей фотосинтеза или дыхани . Дл  данного примера уменьшение скорости фотосинтеза на 50% происходит за 7,5 мин. Первоначальное калибровочное значение периодически получают, подава  в камеру 2 калибровочную жидкость, например водопроводную воду, котора  одновременно промывает камеру 2 и трубки 6 и 7 и определ ет указанным методом скорость фотосинтеза и дыхани . Дл  данного примера (фиг. 3) первоначаль на  скорость дл  фотосинтеза выбра-. на 6 мг/мин, а дл  дыхани  3 мг/мин Выбор этой скорости дл  фотосинтеза может регулироватьс  интенсивностью освещенности иммобилизованного энзимного сло  13. Периодичность получени  калибровочного значени  определ етс  состо нием биологического индикатора и составл ет, примерно , 1 дл  20-30 измерений. После завершени  измерени  контролируемую жидкость через выпускную 888 трубку 7 отвод т из камеры.2 и измерительный цикл повтор етс . Контролируема  жидкость может иметь различную температуру. Поэтому , измер   температуру жидкости в камере 2 термистором 5, выполненным в виде бескорпусного транзистора , ввод т соответствующие поправки на изменение выходного сигнала детактирующего электрода 4 от, температуры . Предлагаемый энзимоэлектрохимический датчик прост в изготовлении не требует высококвалифицированного персонала дл  обслуживани . Он может быть использован в переносных лабораторных и промьшшенных приборах и сигнализаторах при контроле состава сточных вод промышленных предпри тий. Если детектирующий электрод 4 отсоединить от корпуса 1, он работает как датчик дл  определени  содержани  растворенного кислорода в жидкост х и газах. Применение предлагаемого датчика позволит значительно упростить и удешевить стоимость анализов по оценке токсичности сточных вод, и достичь единства инструментальной оценки независимо от условий и места измерени . Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрени  датчика ориентировочно составит 38,2 тыс. руб.

Claims (3)

1. ФОТОАКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИ-

ЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ

ЖИДКОСТИ, содержащий детектирующий электрод, биологический индикатор и блок подвода контролируемой жидкости и света, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени измерения, биологический индикатор выполнен в виде двух слоев, причем - один слой со стороны электрода представляет собой газопроницаемую пленку, а другой - диализную мембрану, содержащую цилиндрическую полость для энзима.

0кг. f

2. Датчик по π. 1, отличающ и й с я тем, что диаметр иммобилизованного энзимного слоя гидробионтов и диаметр отверстия направляющей светового потока определяют по соотношению d_fc = d_fl = (O,2-O,5)d₃, где d_t - диаметр иммобилизованного слоя, мм;

d_n - диаметр отверстия направляющей светового потокА, мм;

d_? - диаметр электролитического канала детектирующего элект· рода, мм.

3. Датчик по₍п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что газопроницаемая пленка выполнена толщиной 5-10 мкм.