Фотоактивный электрохимический датчик для оценки токсичности жидкости Советский патент 1985 года по МПК G01N33/18 

2. Датчик по п. 1, отличающ и и с я тем, что диаметр иммобилизованного энзимного слоя гидробионтов и диаметр отверстия направляющей светового потока определяют по соотношению

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

d - диаметр отверстия направляющей Светового потока, мм;;

dj - диаметр электролитического канала детектирующего электрода , мм.

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

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

Изобретение относится к устройствам дпя исследования химических свойств веществ, точнее к анализу воды методом биотестирования с использованием микроводорослей и может 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 вре мени измерения. Снизу на воспринимакицей поверхнос ти детектирующего электрода непосред ственно установлен биологический индикатор так, что его газопроницаемая пленка обращена к воспринимакмцей поверхности, что позволяет значитель но уменьшить динамическую ошибку, а следовательно, повысить точность оценки. Это обусловлено цвумя основными факторами. Прежде всего воспринимающая поверхность детектирукицего электрода не контактирует ни со слое микроводорослей, ни с контролируемой жидкостью, так как она отделена от них га зопроницаемой пленкой. Следовательно воспринимающая поверхность не подвержена биообрастанию и появлению других труднорастврримых пленок, существенно влияющих на процессы 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 детектируияцего электрода, определяемая в основном структурой приэлектродного слоя, в 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 вьшолнена, например, из бумажного фильтра или сетки 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 одинакрвых биологических индикаторов. Диализная мембрана обеспечивает надежный односторонний контакт с контролируемой жидкостью, удерживая при этом в одном положении иммобилизованный энзимный слой микроврдорослей. Этим повьщ ается точностьоценки. Кроме того, диализная мембрана, проницаемая для искусственного света, обеспечивая возможность равномерного освещения слоя гидробионтов при включенном источнике света. Вьтолнение газопроницаемой пленки, например, из полиэтилена обеспечивает удержание и фиксацию иммобилизованного энзимного слоя микроводорослей в процессе его 3 работы и при транспортировке. Она проницаема для кислорода, вьщеляемо го в процессе фотосинтеза, а также для света, необходимого при длитель ном хранении биологического -индикатора в определенных условиях. Этим достигается сохранность индикатора и его основных характеристик.. Нижни предел газопроницаемой пленки 5 мкм ; обусловлен максимальной газопроница емостью, которая является фуйкццей , толщины пленки 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 d а„ (0,2-0,5)d,, где dj. - диаметр иммобилизованного слоя, ММ; d - диаметр отверстия направляющей светового потока, мм-, dj - диаметр электролитического канала детектирующего электрода, мм. Выбор соотношения d. d приводит к тому, что световой поток полностью, как это и требуется, поглощается иммобилизованным энзимным слоем гидробионтов, не попадая на воспринимающую поверхность электрода. Этим исключается часто встречающееся явление фототоков и повьш1ается точность измерения. Кроме того, не происходит нагрев воспринимакицей поверхности и элементов детектирующе го электрода. Одновременно обеспечивается доступность контакта иммо билизованного энзимного слоя гидробионтов через диализную мембрану с контролируемой жидкостью по всей его плоскости. Выбор соотношения dj. (0,2-0,5)d5 обусловлен исключением попадания кислорода из иммобилизованного энзимного слоя в электролит детектирующего электрода, например, электрохимического датчи- ка растворенного кислорода. Нижний предел определяется производительностью по кислороду иммобилизованного энзимного слоя и нижним пределом чувствительности детектирующего 88, 4 электрода. Относительное увеличение, например обоих диаметров при сохранении их отношения по предельному минимальному значению также невозможно, так как при этом увеличиваются все габаритные 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 следить 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 повьшхению 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.Зформа получения и обработка резуль- татов измерения датчиком. Фотоактивный электрохи шческий датчик для 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, ограниченная Ьверху воспринимающей поверхностью 3 детектирующего эЛект - рода 4, снабженная термистором 5, впускной 6 и вьтускной 7 трубками и соединенная 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 для ионов и света диализную мембрану 12 (фиг. 2) энзимного слоя 13 гидробионтов, например иикроводорослей, закрытого газопроницаемой пленкой 14.

5

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 полийерной мембраной 19, которая посредством шайбы 20, резиновой прокладки 21 и фигурной гайки 22 плотно прижимается и равномерно натягивается к торцовой части датчика. Катод 16 вварен в стеклянный стержень 23, образующий в датчике электролитический канал 24. Электрические выводы детектирукяцего электрода 4 выполнены через герметизированный кабель 25, который соединен с измерительным блоком (не показан). Детектирующий электрод 4 герметично крепится к корпусу 1 посредством гайки 26.

Источник 9 света 9 закреплен в теплоизоляционной муфте 27, на ко)торой вьшолнены контактные вьшоды источника 9 света и термистора 5. Полость 10 изолирована от камеры 2 и детектирующего электрода 4 теплоизоляционной 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 осуществляется следующим образом.

Подготовленный заранее биологический индикатор 11 устанавливают газопроницаемой пленкой 14 непосредственно на воспринимающую поверхность 3 детектирующего электрода 4. Затем помещают направляющую 15 светового потока и детектируннций электрод 4 герметично крепят гайкой 26 к корпусу 1. Через впускную 6 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

659886

дыхания) в иммобилизованном энзимном слое 13, а также кислород контролируемой жидкости, экранируя при этом воспринимающую поверхность 3 5 детектирующего электрода 4 от проникновения кислорода на его поверхность. За время примерно 2-3 мин показание детектирующего электрода 4 равно нулю (концентрация кислорода 10 на его воспринимакнцей поверхности равна нулю). Нулевое содержание кислорода используется для 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} начинается процесс фотосинтеза. 20 Клетки микроводорослей продуцируют кислород, который через газопроницаемую пленку 14 попадает на воспринимаюшую поверхность 3 и измеряется детектирующим электродом 4. Очевидно, что кислород иммобилизованного энзимного слоя 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 время как между слоем и воспринимающей поверхностью 3 детектирующего электе рода 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, фртосинтезируют, что .вьфажено в наклоне кривой зависимости изменения кислорода во времени.

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

0 в иммобилизованном слое 13, которое определяется детектируняцим электродом 4. При достижении кислорода, например, 2,9 мг/л источник 9 света снова включается и начинается очередное вьщеление кислорода и его измерение детектирующим электродом 4, цикл повторится. Таким образом, можно получить серию кривых зависимости 7 скорости фотосинтеза или дыхания во времени при воздействии токсических веществ контролируемой жидкости Оценку.токсичности производят например, по уменьшению на 50 скорости фотосинтеза или дыхания по сравне нию с первоначальным калибровочный значением или по определению времени достижения заданного значения уменьшения скоростей фотосинтеза или дыхания. Для данного примера уменьшение скорости фотосинтеза на 50% происходит за 7,5 мин. Первоначальное калибровочное значение периодически получают, подавая в камеру 2 калибровочную жидкость, например водопроводную воду, которая одновременно промывает камеру 2 и трубки 6 и 7 и определяет указанным методом скорость фотосинтеза и дыхания. Для данного примера (фиг. 3) первоначаль ная скорость для фотосинтеза выбра-. на 6 мг/мин, а для дыхания 3 мг/мин Выбор этой скорости для фотосинтеза может регулироваться интенсивностью освещенности иммобилизованного энзимного слоя 13. Периодичность получения калибровочного значения определяется состоянием биологического индикатора и составляет, примерно, 1 для 20-30 измерений. После завершения измерения контролируемую жидкость через выпускную 888 трубку 7 отводят из камеры.2 и измерительный 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 детактирующего электрода 4 от, температуры. Предлагаемый энзимоэлектрохимический датчик прост в изготовлении не требует высококвалифицированного персонала для обслуживания. Он может быть использован в переносных лабораторных и промьшшенных 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.