Фотоактивное электрохимическое устройство для оценки токсичности жидкости Советский патент 1983 года по МПК G01N33/18 

Изобретение относится к устройствам для исследования химических свойств веществ, точнее к анализу воды методом биологической индикации и предназначено для контроля токсичности сточных вод, Известен датчик для определения токсичности жидкости, содержащий камеру, заполненную культу1)ой фотосинтезирующих микроорганизмов, которая выполнена светонепроницаемой и соединена световодами с источником света. Камера ограничена сверху поверхностью детектирующего электрода, а снизу диализной мембраной ClJ Датчик позволяет определять интегральную токсичность жидкостей. Однаков нем не предусмотрен контрол за концентрацией клеток микроорганизмов, что ведет к повышению разбро са показаний при оценке токсичности жидкости. Кроме того, не предусмотрен процесс перемешивания культуры тест-объекта, что понижает точность оценки в связи с перемещением клето« тест-объекта под действием гравитации вблизи детектирующего электрода. Наиболее близким к предлагаемому является фотоактивное электрохимическое устройство для оценки токсич ности жидкости, содержащее датчик, состоящий из камеры-культуры тестобъекта и камеры контролируемой жид кости, разделенных диализной мембра ной, блок автоматики, причем камера культуры тест-объекта снабжена элек рохимической ячейкой растворенного кислорода, соединенной последовател но с усилителем, аналоговым устройс вом и регистратором, двумя световодами, соединенн лми с блоком осветителя, и излучателями ультразвука, соединенными с генератором ультразвука, при этом камера культуры 1 тест-объекта соединена каналом подачи культуры с источником культуры а камера контролируемой жидкости каналом подачи контролируемой жидкости с ее источником и каналом спуска контролируемой жидкости 2 . В данном устройстве также не пре дусмотрен контроль за концентрацией микроорганизмов непосредственно в камере культуры тест-объекта перед измерением активности их фотосинтез что приводит к невоспроизводимости результатов анализа. Другой недоста ток устройства - образование застой ных зон в камере контролируемой жид кости, что способствует ее засорени и понижению точности анализа, Цель изобретения - повышение точности и воспроизводимости анализа. Поставленная цель достигается тем, что в известном ф1отоактивном электрохимическом устройстве для оцен ки токсичности жидкости,..содержащем датчик, состоящий из камеры культуры тест-объекта и камеры контролируемой жидкости, разделенных диализной мембраной, блок автоматики, причем камера культуры тест-объекта снабжена электрохимической ячейкой растворенного кислорода, соединенной последовательно с усилителем, аналоговым устройством и регистратором, двумя световодами, соединенными с блоком осветителя, и излучателями ультразвука, соединенными с генератором ультразвука, при этом камера культуры тест-объекта соединена каналом подачи культуры с источником культуры, а камера контролируемой жидкости - каналом подачи контролируемой жидкости с ее источником и каналом спуска контролируемой жидкости, на каналах подачи культуры и контролируемой жидкости дополнительно установлены-клапаны, блок осветителя содержит последовательно установленные по оси светового пучка светофильтр источника света, шторку с закрепленными на ней торцами световодов, светофильтр приемника света, приемник света, причем блок осветителя снабжен фиксаторами положения шторки и блоками управления фиксаторами и шторкой, а устройство снабжено усилителем фототока, при этом выход приемника света электрически соединен через усилитель фототока с входом блока автоматики, выходы блока автоматики соединены с входами блока управления фиксаторами и блока управления клапанами, а вход блока управления шторкой соединен с вторым выходом аналогового устройства. Расстояние между торцами световодов, закрепленных на шторке,- меньше диаметра светового пучка источника света, а шторка выполнена подвижной с возможностью установки ее в трех фиксированных положениях со сдвигом на расстояние, меньшее и большее диаметра светового пучка источника света, относительно среднего положения, при котором оба торца световодов помещены в световой пучок источника света. Камера контролируемой жидкости . вьщолнена а виде цилиндра, в боковую поверхность которого введены каналы подачи и спуска жидкости, при этом канал подачи до сообщения с полостью указанной камеры переходит в проточку дугообразной формы с глубиной, плавно уменьшающейся от места выходц, проточки в полость указанной камеры к ее концу, а канал спуска снабжен на своем входе проточкой, площадь основания которой больше площади сечения канала спуска. Светофильтры блока осветителя имеют длину волны пропускания 540580 им., С помощью подвижной шторки приемника света, усилителя фототока и блока автоматики с присоединенными к нему блоками управления шторкой фиксаторами положения шторки и клапа нами проводится контроль за концентрацией, микроорганизмов в камере куль туры тест-объекта, автоматичебкое до ведение этой концентрации до требуемого уровня, что повышает воспроизводимость результатов контроля. Предлагаемая конструкция камеры контролируемой жидкости устраняет застойные зоны и скапливание пузырьков воздуха в ней, что особенно важно при автоматическом ее заполнении с последующим также автоматически включаемым измерением активности фотосинтеза. Устранение застойных зон и пузырькоа воздуха повышает точность измерений. Выбор светофильтров с полосой про пускания в указанном диапазоне обеспечивает высокую точность измерения концентрации клеток водорослей в камере культуры .тест-объекта и повышае точность оценки токсичности. Это свя зано с тем, что спектр возбуждения фотосинтеза для водорослей имеет осо бенность, которая проявляется в мини муме в области 540-580 нм - в этой области пигменты фотосинтеза не поглощают свет. Если взять другой диапа зон, то светопоглощение зависит от числа хлоропластов в клетке, которое зависит от возраста и ддаугих особенностей тест-объекта. Кроме того, эффективность поглощения хлоропласта ми света обусловлена величиной интен сивности облучающего света. На фиг.1 дана структурная схема фотоактивного электрохимического устройства для оценки токсичности жидаости; на фиг.2 - устройство с блоком осветителя, разрез по каналу ввода культуры тест-объекта (не пока заны электронный блок и блок гидрав.лики); на фиг.З - разрез А-А на фиг.2 на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2 При установке,шторки.в первом положении; на - то же. при установке штор ,ки во втором положении; на фиг. 6 то же, при установке шторки в третьем положении; на фиг.7 - разрез В-В на фиг.2; на фиг. 8 - разрез Г-Г на фиг.4., Устройство содержит датчик 1 (фиг. 1, 2 и 3), в нижней части корпуса которого расположена камера культуры тест-объекта 2, отделенная диализной мембраной 3 от камеры контролируемой жидкости 4. В камеру культуры тест-объекта введена электрохимическая ячейка 5, излучатель ультразвука 6 и торцы световодов 7, вторые торцы которых соединены с блоком осветителя 8. Блок осветителя 8 содержит источник света, например лампу накаливания с Отражателем 9, светофильтры возбуждения 10 гаторку 11, на которой закреплены противоположные камере культуры тест-объекта торцы световодов 7, светофильтры приемника света 12, приемник света 13, фиксатор положения шторки 14, блоки управления фиксатором 15 и шторкой 16. Кроме того, фотоактивное устройство содержит усилитель фототока 17, елок автоматики 18, усилитель тока электрохимической ячейки 19, аналоговое устройство 20, регистратор 21, генератор ультразвука 22, канал 23 подвода культуры в камеру культуры тест-объекта 2 датчика I и канал 24 подвода контролируемой жидкости в камеру контролируемой жидкости 4 датчика 1, насосы 25 и 26 на обоих каналах, культиватор 27, клапаны 28 И 29, блок управления клапанами 30, блок водоподготовки 31 и емкость с промывочной жидкостью 32. Шторка 11 блока осветителя 8 выполнена с возможностью установки ее в трех фиксированных положениях с помощью блока управления шторкой 16 и блока управления фиксат даом 15. На фиг.4 - 7 приведен пример конкретного выполнения шторки. В среднем положении шторки (фиг;5) оба торца световодов находятся в пределах светового пучка источника света, в крайнем правом положении (фиг.4) в.указанных пределах находится торецтодного световода: торец другого световода - перед светофильтром приемника света, в крайнем левом положении (фиг.6); оба торца световодов находятся за пределами светового пучка источника света, т.е. затенены. Положение шторки фиксируется фиксаторами 14. В качестве исполнительного механизма блока управления фиксаторами использована пружина 33.. Камера контролируемой жидкости 4, помимо канала подачи 24 имеет канал спуска жидкости 34, проточку дугообразной формы 35 и проточку 36. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Устройство подключается к источнику тока (не показан). Шторка 11 устанавливается в первое положение (фиг.4), при этом пружина 33 сжимается и фиксатор 14 фиксирует шторку 11 этом положении. Включается насос 25 подачи культуры, выполненный перистальтическим, который подает культуру тест-объекта иа культиватора 27, зеленые водоросли хлореллы, культивируемые на стандартной реде Тамия. Эта культура через клапан 28 и канал ввода культуры 23

одается в камеру культуры тест-объ.екта 2 (используется камера с объеом около 40 мм-) . Одновременно с насосом 25 включается генератор льтразвука 22f который генерирует олебания с частотой 22 кГц. Сигнал 5 т. генератора поступает на излучатель льтразвука б, выполненный на кераической основе (интенсивность ультразвукового поля до 50 мВт). Источник вета 9; в виде лампочки накаливания 10 с отражателем через светофильтр Ю, . полоса пропускания которого составляет нм, и один из световодов 7 освещают камеру культуры тестобъекта 2. Другой световод восприни- 15 мает величину прошедшего через камеру с культурой тест-объекта света и передает его через светофильтр 12 на приемник света 13, Насос 25 работает до тех пор, пока культура 20 тест-объекта в камере 2 не уплотнится до заданной концентрации, например до 8О-млн. клеток на 1 см-. Питательная среда из камеры культуры тежт-объекта 2 фильтруется в камеру 25 контролируемой жидкости 4 через диализную мембрану 3, выполненную в виде сетки для отлова фитопланктона с ячейкой 5 мкм. Фототок, возникающий на приемнике света 13 (фотодиод), зависящий(от концентрации клеток в камере 2, преобразуется в усилителе фототока 17 и подается на блок автоматики 18. При определенном уровне фототока, соот.ветствующем заданной концентрации, по 35 сигналу блока автоматики 18 отключается насос 25. Затем включается в работу насос подачи жидкости 26, который из блока вощоподготовки 31 через клапан жидкости 29 вводит конт-40 ролируемую жидкость в камеру 4. После подачи жидкости в камеру 4 производится выдерживание в течение 30 мин. Находясь в камере 4, контролируемая жидкость через диализную мембрану 45 3, воздействует на культуру тестобъекта, находящуюся в камере 2.

После выдерживания в течение 30 с, сигнал от блока автоматики 18 подается на блок управления фик- en сатором 15, исполнительный механизм которого выводит крайний справа фиксатор 14 в нейтральное положение. Под действием пружины 33 шторка 11 устанавливается во второе положение (фиг,5) и фиксируется другим (промежуточным) фиксатором 14. При таком положении шторки 11 оба торца световодов 7 освещены. Свет, пройдя по световодам 7, равномерно освещает камеру культуры тест-объекта 2, 60

Под действием света и в зависимости от проникающего из контролируемой жидкости определенного кoличectва токсикантов культура тест-объекта, находящаяся в камере 2, начинает фо- 65

тосинтезировать и выделяуь кислород. Кислород фиксируется электрохимической ячейкой 5 растворенного кислорода, выполненной в виде электрода с платиновым катодом, диаметр которого 0,1 мм, и хлорееребряным анодом, площадь которого в 100 раз больше площади торца катода, причем оба они погружены в электролит с водородным буфером. От камеры культуры 2 электродная пара отделена газопроницаемой мембраной, выполненной из двухосносшитой полипропиленовой пленки толщиной 4 мкм,

Сигнал с электрохимической ячейки 5, на которую подано поляризационное напряжение 0,62 В, поступает на усилитель тока 19, а затем на аналоговое устройство 20, где преобразуется,автоматически термокомпенсируется и подается на регистратор 21. Автоматическая термокомпенсация осуществляется с помощью термодатчика (не показан) , расположенного в корпусе датчика в непосредственной близости к камере культуры тест-объекта, и электротермометра (не показан). Термодатчик может быть выполнен в виде бескорпусного транзистора 2Т 361А, включенного по схеме с общим эмиттером. Такое исполнение позволяет контролировать незначительное изменение температуры в камере культуры тестобъекта 2.

При достижении концентрации растворенного кислорода в камере 2 определенной величины (в данном случае эта величина равна 9,16 мг/л) аналоговое устройство 20-пода ет сигнаш на блок управления шторкой 16 и шторка 11 передвигается в третье положение при помощи исполнительного механизма (не показан). в качестве его может быть использован электромагнит. При этом пружина 33 растягивается. В этом положении торцы обоих световодов 7, закрепленные на .шторке 11, затемнены, следовательно, затемнена и KciMepa культуры тест-объекта 2. Культура тест-объекта начинает поглощать к 1слород в процессе своего дыхания что приводит к уменьшению концентрации кислорода в камере 2. Этот процесс исследуется так же,как и процесс фотосинтеза при положении шторки 11 во втором положении.

По достижении в камере 2 определенной (малой) величины концентрации кислорода (3,5 мг/Л) аналоговое устройство 20 подает сигнал на блок управления 16 шторкой для отключения электромагнита, удерживающего шторку 11 в третьем положении. Пружина 33 возвращает шторку 11 во второе положени. Процесс исследования повторяетср,

Процессы, проходящие в камере 2, исследуются при втором и третьем положениях шторки 11 поперег енно и по три раза в каждом положении. и нижнее значения концен рации растворенного кислорода в камере . 2 достигаются за определенное время, которое обусловлено, при про чих равных условиях, степенью возде ствия токсических веществ на культу ру тест-объекта. Для практических целей удобно ф.иксировать скорость изменения кислорода при фотосинтезе и дыхании в зависимости от концентра ции и характера токсиканта, например, при концентрации меди, равной 5:15$25:40 мг/л, активность фотосинтеза одноклеточных зеленых водоросле хлореллы по отношению к контролю, ко торому соответствует 100%, соответст венно равна 80 50; 27; 8. В режиме промывки предлагаемое устройство работает следующим образо Через канал 34 производится слив контролируемой жидкости, а насос подачи культуры 25 начинает по каналу ввода культуры 23 отсасывать отработанную культуру тест-объекта на сбро Это достигается вращением колеса насоса 25 в обратную сторону и переключением клапана кульууры 28 в положение на Сброс. Насос подачи жид кости 26 подает по каналу подачи 24 промьшочную воду из емкости 32 в камеру контролируемой жидкости 4. В ка-, честве промывочной жидкости можно использовать дистиллированную воду или раствор спирта. Промывочная вода промывает стенки камеры, а также диализную мембрану 3, которая часть промывочной воды пропускает через себя в камеру культуры тест-объекта 2 .(происходит промывка этой камеры). Промывочная вода к насосу 26 подается из емкости промывочной жидкости 32 через клапан жидкости 29, переключенный в положение Прсяйывка . Управление клапаном жидкости 29 и клапаном культуры 28 осуществляет блок автоматики 18 с помощью блока управления 30 На протяжении работы устройства в режиме промывки излучатель ультразвука 6 и генератор ультразвука 22 включены в работу. Устройство работает в режиме промывки заданное время, например две минуты, и затем автоматически выключается. Предлагаемое устройство просто в изготовлении. Автоматизация измерений не требует высококвсшифицированного персонала. Устройство может быть кспользовано в гидрохимических и гидробиологических лабораториях контролирующих состав сточных вод.

1. ФОТОАКТИВНОЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ жидкости, содержащее датчик, состоящий из камеры культуры тестобъекта и камеры контролируемой жидкости, разделенных диализной мембраной, блок автоматики, причем камера тест-объекта снабжена электрохимической ячейкой растворенного кнслорода, соединенной лоследовательно с усилителем, аналоговым устройством и регистратором, двумя световодами, соединенными с блоком осветителя, и излучателями ультразвука, соединенными с генератором ультразвука, при этом камера культуры тестобъекта соединена каналом подачи культуры с источником культуры, а каиера контролируемой жидкости - ка Ношом подачи контролирует4ой жидкости с ее источником и каналом спуска контролируемой жидкости, о т л иг ч а ю щ е е с я тем, что, с целый повышения точности и воспроизводимости анализа, на каналах подачи культуры и контролируемой жидкости дополнительно установлены Клапаны, блок осветителя содержит последовательно установленные по оси светового пучка светофильтр источника света, шторку с закрепленными на ней торцами световодов, светофильтр приемника света, приемник света,- причем блок осветителя снабжен фиксаторами поло- жения шторки и блоками управления фиксаторами и шторкой, а устройство снабжено усилителем фототока, при этом выход приемника света электрически соединен через усилитель фототока с входом блока автоматики, выходы блока автоматики соединены со входами блока управления фиксаторами и блока управления клапанами, а вход блока управления шторкой соединен с вторым выходом аналогового устройства. 2.Устройство по п. 1, от л ичающееся тем, что расстояние между .торцами световодов, закрепленных на шторке, меньше диаметра tn с светового пучка источника света, а шторка выполнена подвижной с возможностью установки ее в трех фиксированных положениях со сдвигом на ра- :стоянии, меньшее и большее диаметра м светового пучка источника света, относительно среднего положения, при котором оба торца световодов помещены в световой пучок источника света. IsD 3.Устройство по р, 1, о т л исо ча ю щ е еся тем, что камера контролируемой жидкости выполнена р в виде цилиндра, в боковую поверхKI ность которого введены каналы подачи и спуска жидкости, при этом канал ч1 подачи до сообЙ1ения с полостью указанной камеры переходит в проточку Iдугообразной формы с глубиной, плавно уменьшающейся от места выхода проточки в полость указанной камеры к ее концу, а канал спуска снабжен на своем входе проточкой, площадь :основания которой больше площади сечения канала спуска. ;4. Устройство по п. 1, О Т Л Ичающееся тем, что светофильтры блока осветителя имеют длину волны пропускания 540-580 нм.

6-6

3V

35