Фотоактивный электрохимический датчик для оценки токсичности жидкости

 

1. ФОТОАКТИВННЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ 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 вьшолнен в виде двух слоев, причем один слой со стороны электрода представляет собой газопроницаемую пленку , а другой - диализную мембрану, содержащую цилиндрическую полость для энзима. О) Од сл о 00 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

4(51) G 01 N 33/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И ABT0PGHGMV СВИДЕТЕХЗЬСТВУ (21) 3574073/28-13 (22) 01. 04.83 (46) 07.07.85. Бюл. Ф 25 (72) Д.В,Савенко (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт по охране вод (53) 628.314(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 855497, кл. G 01 N 33/18, 1979. (54) (57) 1 . ФОТОАКТИВБ4Й ЭЛЕКТРОХИИИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ

„„Я0„„1165988

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.

3. Датчик по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что газопроницаемая пленка выполнена толщиной 5-10 мкм.

1165988

2. Датчик по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что диаметр иммобилизованного энзимного слоя гидробионтов и диаметр отверстия направляющей светового потока определяют по соотношению 1 (0,2-0,5) 1э ° где d — диаметр иммобилизованного слоя мм

d„ — диаметр отверстия направляющей светового потока, мм,"

dq — диаметр электролитического канала детектирующего электрода, мм.

Изобретение относится к устройствам для исследования химических свойств веществ, точнее к анализу воды методом биотестирования с использозанием микроводорослей и может 5 быть использовано в лабораторных и полевых условиях при оценке токсичности различных источников загрязнения водных объектов, а также при определении очагов загрязнения в морях и океанах.

Цель изобретения — сокращение времени измерения.

Снизу на воспринимающей поверхности детектирующего электрода непосред- 15 ственно установлен биологический индикатор так, что его газопроницаемая пленка обращена к воспринимающей поверхности, что позволяет значительно уменьпить динамическую ошибку, а 20 следовательно, повысить точность оценки. Это обусловлено двумя основными факторами. Прежде всего воспринимаощая поверхность детектирующего электрода не контактирует ни со слоем 25 микроводорослей, ни с контролируемой жидкостью, так как она отделена, от них газопроницаемой пленкой. Следовательно, воспринимающая поверхность не подвержена биообрастанию 30 и появлению других труднорастворимых пленок, существенно влияющих на про. цессы в приэлектродных слоях, и находится всегда в готовом рабочем состоянии. Смена биологического,индикатора также не сказывается на готовность воспринимающей поверхности..

Вторым не менее. важным фактором является инерционность детектирующего электрода, определяемая в основном структурой приэлектродного слоя, в

2 данном случае структурой биологического индикатора. Эта структура от измерения к измерению остается строго.постоянной, так как биологические индикаторы обладают абсолютной идентичностью. Газопроницаемая пленка не вносит искажений в динамические характеристики при смене биологического индикатора, так как константы скоростей реакции остаются строго одинаковыми.

Проницаемая для ионов и света диализная мембрана выполнена, например, из бумажного фильтра или сет4 ки фитопланктона, а газопроницаемая пленка, например, из полиэтилена толщиной 5-10 мкм. Выполнение диализной пленки в виде бумажного фильтра или сетки обеспечивает качественную иммибилизацию энзимного слоя гидробионтов, от которой во многом зависят физиологические состояния биологического индикатора.

Эта задача очень важна при подготовке строго одинаковых биологических индикаторов. Диализная мембрана обеспечивает надежный односторонний контакт с контролируемой жидкостью, удерживая при этом в одном положении иммобилиэованный энзимный слой микроводорослей. Этим повьппается точность оценки. Кроме того, диализная мембрана, проницаемая для искусственного света, обеспечивая возможность равномерного освещения слоя гидробионтов при включенном источнике света. Выполнение гаэопроницаемой пленки, например, из полиэтилена обеспечивает удержание и фиксацию иммобилизованного энзимного слоя микроводорослей в процессе его

3 1 работы н прн транспортировке. Она проницаема для кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза, а также для света, необходимого при длительном хранении биологического индикатора в определенных условиях. Этим достигается сохранность индикатора и его основных характеристик. Нижний предел газопроницаемой пленки 5 мкм

1 обусловлен максимальной газопроницаемостью, которая является фуйкц ей . толщины плейки и отсутствие влияния на процессы в приэлектродном слое.

Верхний предел обусловлен инерционностью, когда детектирующий электрод успевает определять скорость изменения кислорода в иммобилизованном энзимном слое без динамической погрешности.

Диаметр иммобилизованного энзимного слоя гидробионтов и диаметр отверстия направляющей светового потока определяют по соотношению с л (0 2 0 5)d> ° где дс — диаметр иммобилизованного слоя мм

d — диаметр отверстия направля6 ющей светового потока, мм;

d — диаметр электролитического канала детектирующего электрода, мм.

Выбор соотношения d = d приводит к тому, что световой поток пол,ностью, как это и требуется, поглощается иммобилизованным энзимным слоем гидробионтов, не попадая на воспринимающую поверхность электрода. Этим исключается часто . встречающееся явление фототоков и повышается точность измерения. Кроме того, не происходит нагрев воспринимающей поверхности и элементов детектирующего электрода. Одновременно обеспечивается доступность контакта иммо-. билизованного энзимного слоя гидробионтов через диализную мембрану с контролируемой жидкостью по всей его плоскости. Выбор соотношения и = (0,2-0,5)д обусловлен исключением попадания кислорода из иммобилизованного энзимного слоя в электролит детектирующего электрода, например, электрохимического датчи .ка растворенного кислорода. Нижний предел определяется производительностью по кислороду иммобилизованиого энзимного слоя и нижним пределом чувствительности детектирующего

165988 4

30

Фотоактивный электрохимический датчик для оценки токсичности жидкостей (фиг. 1) содержит три блока:

35 детектирующий электрод, биологический индикатор и блок подвода контролируемой жидкости и света, и состоит из составного корпуса 1, в ко40 тором расположена камера 2, ограниченная сверху воспринимающей поверхностью 3 детектирующего элект— рода 4, снабженная термистором 5, впускной 6 и выпускной 7 трубками

45 и соединенная световодами 8 с источником 9 света, который установлен в изолированной от камеры 2 и детектирующего электрода 4 полости 10 корпуса i, Heспоредственно.на воспринимающую поверхность 3 детектирующего электрода 4 установлен биологический индикатор 1 1, выполненный в виде иммобилизованного в проницаемую для ионов и света диализную мембрану 12 (фиг. 2) 9H3HMHQFo слоя 13 гидробионтов, например иикроводорослей, закрытого газопроницаемой пленкой 14.

l0

20 электрода. Относительное увеличение, например обоих диаметров при сохранении их отношения по предельному минимальному значению также невозможно, так как при этом увеличиваются все габарнтные размеры и влияние детектирующего электрода на- процессы газообмена. Верхнее значение соотношений обеспечивает предельный случай, когда инерционность детектирующего электрода остается на том уровне, который позволяет достоверно еледить за изменением кислорода в иммобилизованном энзимном слое гидробионтов. При этом соотношении кислород энзимного слоя не влияет на динамические характеристики детектирующего электрода, что позволяет повысить точность измерения фотосинтеза и дыхания и приводит к повышению точности оценки токсичности.

На фиг. 1 изображен фотоактивный электрохимический датчик для оценки токсичности жидкостей, разрез; на фиг. 2 — воспринимающая,поверхность детектирующего электрода с биологическим индикатором и направляющей светового потока; на фиг.3. форма получения и обработка резуль- . татов измерения датчиком. дыхания) в иммобилиэованном энзимном слое 13, а также кислород контролируемой жидкости, экранируя при этом воспринимающую поверхность 3 детектирующего электрода 4 от проникновения кислорода на его поверхность. 3а время примерно 2-3 мин показание детектирующего электрода равно нулю (концентрация кислорода на его воспринимающей поверхности равна нулю). Нулевое содержание кислорода используется для калибровки и поверки работоспособности детек,тирующего электрода 4.

Затем включают источник 9 света. ;Свет проходит по световодам 8 и

1равномерно освещает иммобилизованный энзимный слой 13 микроводорослей; начинается процесс фотосинтеза.

Клетки микроводорослей продуцируют кислород, который через газопроницаемую пленку 14 попадает на воспринимающую поверхность 3 и измеряется детектирующим электродом 4. Очевидно, что кислород иммобнлизованного энзимного слоя 13 может выходить и в контролируемую жидкость. Однако, это практически не происходит, так как градиент концентраций между контролируемой жидкостью и иммобилизованным слоем всегда значительно меньше или равен нулю, в то время как между слоем и воспринимающей поверхностью 3 детектирующего электрода 4 имеет максимальное значение за счет потребления кислорода датчиком

В зависимости от степени поражения токсическими веществами иммобилизованного энзимного слоя 13 микроводорослей клетки микроводорослей по-разному, ф9тосинтеэируют, что выражено в наклоне кривой зависимости изменения кислорода во времени, При достижении концентрации кислорода в иммобилизованном слое 13, например, 8,9 мг/л источник 9 света выключается (фиг. 3), и происходит последующее потребление кислорода в иммобилизованном слое 13, которое определяется детектирующим электродом 4. При достижении кислорода, например, 2,9 мг/л источник 9 света снова включается и начинается очередное выделение кислорода и его измерение детектирующим электродом 4, цикл повторится. Таким образом, можно получить серию кривых зависимости

5 1165988 6

Между биологическим индикатором 11 и камерой 2 установлена направляющая 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 полимерной мембраной 19, 10 которая посредством шайбы 20, резиновой прокладки 21 и фигурной гай- ки 22 плотно прижимается и равномерно натягивается к торцовой части датчика. Катод 16 вварен в стеклян- 1$ ный стержень 23, образующий в датчике электролитический канал 24.

Электрические выводы детектирующего электрода 4 выполнены через герметизированный кабель 25, который 20 соединен с измерительным блоком

l (не показан). Детектирующий электрод 4 герметично крепится к корпусу 1 посредством гайки 26.

Источник 9 света. 9 закреплен 25 в теплоизоляционной муфте 27, на которой выполнены контактные выводы источника 9 света и термистора 5.

Полость 10 изолирована от камеры 2 и детектирующего электрода 4 тепло- 36 изоляционной прокладкой 28.

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

Оценка токсичности фотоактивным энэимоэлектрохимическим датчиком осуществляется следующим образом.

Подготовленный заранее биологичес-4О кий индикатор 1 1 устанавливают газопроницаемой пленкой 14 непосредственно на воспринимающую поверхность 3 детектирующего электрода 4.

Затем помещают направляющую 15 светового.потока и детектирующий электрод 4 герметично крепят гайкой 26 к корпусу 1. Через впускную б трубку контролируемую жидкость подают в камеру 2 и выдерживают ее в течение 10 мин. За это время токсичные вещества проникают через диализную мембрану 12 и воздействуют на .клетки микроводорослей энзимного слоя 13. Так как в камере 2 отсутствует естественное освещение, . то клетки микроводорослей в этот период поглощают кислород (процесс

1165 скорости фотосинтеза или дыхания во времени при воздействии токсичес- ких веществ контролируемой жидкости.Оценку токсичности производят например, по уменьшению на 507 скорости фотосинтеза или дыхания по сравнению с первоначальным калибровочным значением или по определению времени достижения заданного значения уменьшения скоростей фотосинтеза или ды- 1О хания. Для данного примера уменьшение скорости фотосинтеза на 503 про исходит за 7,5 мин. Первоначальное калибровочное значение периодически получают, подавая в камеру 2 ка- 15 либровочную жидкость, например водопроводную воду, которая одновременно промывает камеру 2 и трубки 6 и 7 и определяет указанным методом скорость фотосинтеза и дыхания. Для 20 данного примера (фиг 1 3) первоначальная скорость для фотосинтеза выбра-. на 6 мг/мин, а для дыхания 3 мг/мин.

Выбор этой скорости для фотосинтеза может регулироваться интенсивностью 25 освещенности иммобилизованного энзимного слоя 13. Периодичность получения калибровочного значения определяется состоянием биологического индикатора и составляет, при- З0 мерно, 1 для 20-30 измерений.

После завершения измерения контролируемую жидкость через выпускную

988 8 трубку 7 отводят из камеры,2 и из-. мерительный цикл повторяется.

Контролируемая жидкость может иметь различную температуру. Поэтому, измеряя температуру жидкости в камере 2 термистором 5, выполненным в виде бескорпусного транзистора, вводят соответствующие поправки на изменение выходного сигнала детектирующего электрода 4 от, темпера- туры.

Предлагаемый энзимоэлектрохимический датчик прост в изготовлении не требует высококвалифицированного персонала для обслуживания. Он.может быть использован в переносных лабораторных и промышленных приборах и сигнализаторах при контроле состава сточных вод промышленных предприятий.

Если детектирующий электрод 4 отсоединить от корпуса 1, он работает как датчик для определения содержания растворенного кислорода в жидкостях 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 измерения.

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения датчика ориентировочно составит 38,2 тыс. руб.

11б5988

Составитель О.Силантьева

Техред О,Неце Корректор А.Обручар

Редактор P.Öèöèêà

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4

Заказ 4304/38 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

f13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5