Датчик для оценки токсичности жидкости Советский патент 1984 года по МПК G01N33/18 

18 Изобретение относится к устройствам для исследования химических свойств веществ,- точнее к анализу воды методом биологической индикации и предназначено для контроля токсич ности сточных вод. Известно фотоактивное электрохими ческое устройство для оценки токсичности жидкостей по интенсивности фотосинтеза и дыхания водорослей, содержащее электрохимический датчик . растворенного кислорода, герметично соединенньй с камерой, имеющей светопроницаемое окно и отверстие для ввода суспензии водорослей и добавок магнитную мешалку, термостатирующую рубашку, термометр, источник света C11. Устройство позволяет определять суммарную токсичность жидкостей, однако оно имеет лабораторное исполнение и не может быть использовано для оценки токсичности жидкости непосред ственно в водоемах. Известен также датчик для оценки токсичности,, в нижней части корпуса которого расположена камера, ограниченная сверху воспринимающей поверхностью детектирующего электрода, а снизу - полупроницаемой мембраной и снабженная вйускной и выпускной труб ками, концы которых выведены в верхнюю часть корпуса С23, Хотя датчик, представляющий собой ферментный электрод, компактен и позволяет с большей точностью опре делять отдельные биологически активные вещества, его нельзя использоват для оценки суммарной токсичности жид кости. Цель изобретения - точное определение суммарной токсичности жидкости Цель достигается тем, что в датчи ке для оценки токсичности жидкости, в нижней части корпуса которого расположена камера, ограниченная сверху воспринимающей поверхностью детектирующего электрода, а снизу - полупро ницаемой мембраной и снабженная впускной и вьтускной трубками, концы которых выведены в верхнюю часть кор пуса, камера выполнена светонепрони цаемой и соединена световодами с источником света, которьй установлен

в дополнительной полости корпуса, изо- jj динения свободно проникают через нее

лированной от камеры и полости детектирующего электрода, полупроницаемая мембрана выполнена диализной и светонепроницаемой, а впускная и вьтуск-

из анализируемой воды. Снабжение впускной и выпускной трубок приспособлением для их перекрытия позволя-, ет дозировать культуру в камере, про-. 7 ная тр/бки снабжены приспособлением для их перекрытия. При этом высота камеры выбрана от 1,0 до 3,0 мм, а внутренняя поверхность камеры образована выходными торцами световодов. Приспособление для перекрытия трубок вьшолнено в виде установленного с уплотнением в прилегающей к камере части корпуса с возможностью поворота в три фиксированных положения кольца, при этом в месте установки кольца трубки.имеют вырез на его толщину. Причем кольцо имеет прорези для световодов и три отверстия, которые расположены так, что в одном из крайних положений кольца два отвер стия соединяют верхние и нижние части обеих трубок, в другом крайнем положении верхняя и нижняя части впускной трубки соединены третьим отверстием, а в промежуточном положении обе трубки перекрыты. В корпусе установлен теомодатчик. Для удобства эксплуатации корпус вьшолнен разъемным, провода от детектирующего электрода и от термодатчика имеют разъемы в .виде, например, нормально замкнутых контактов, .установленных в герметичной полости, а верхняя часть корпуса выполнена удлиненной или в виде присоединенной щтан ги. Диализная светонепроницаемая мембрана выполнена, например, из черного капрона с ячейкой 1-3 мкм и толщиной 10-100 мкм. Суммарная токсичность жидкости определяется с помощью фотосинтезиРУЮ1ДИХ микроорганизмов, помещаемых в камеру. Выполнение камеры светопроницаемой обеспечивает возможность устанавливать начальную точку отсчета, так как в темноте фотосинтезирующие клетки потребляют кислород. Следовательно, к началу измерений концентрация кислорода в камере равна нулю. При освещении камеры в клетках культуры начинается активный фотосинтез с вьщелением кислорода. По угнетенению фотосинтеза судят о суммарной токсичности жидкости. Диализная мембрана не дает клеткам выйти из камеры, в то же время токсичные соеводить ее концентрирование, а также проводить промывку камеры. Высота камеры выбрана 1,0-3,0 мм, чтобы обеспечить быстродействие токсиканта на клетки культуры, а также равномер нов повреждение клеток токсикантом, так как токсичные вещества легко диф фундируют и за короткое время, не более 2 мин, проходят расстояние 3,0 мм. Это, помимо исключения необходимости перемешивания культуры, увеличивает экспрессность измерения. Влияние растворенногд кислорода в жидкости на показание детектирующего электрода, который регистрирует активньш фотосинтез, незначительно в случае, когда высота камеры 1 мм, так как измеряется растворенный кислород в камере через 3 мин после включения света, и за это время из внешней среды кислород не успевает продиффундировать к регистрирующей поверхности детектирующего электрода. Такой интервал высоты камеры обеспечивает максимальную чувствительность и минимальную ошибку регис рации изменения активность фотосинте за культуры клеток. То, ITO внутренняя боковая поверхность камеры образована выходными торцами световодов, обеспечивает равномерное освещение культуры внутри полости камеры, а это повьпвает точность измерения фото синтеза. Предлагаемое приспособление для перекрытия трубок обеспечивает простоту и оперативность перекрытия трубок и выбор необходимого ;режима работы датчика (дозирование, концентрирование и промывку камеры). Термодатчик позволяет измерять темпе ратуру в непосредственной близости от детектирующего электрода и, следо вательно, более точно определить поправочный коэффициент при корректи ровке показаний электрода, что также повышает точность измерения. Вьшолне ние корпуса разъемным позволяет оперативно проводить разборку датчика, заменять изношенные элементы. На фиг. 1 изображен датчик для оценки токсичности жидкостей, общий вид, разрез по трубкам ввода и вьгеода культуры на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1-, на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг, 2;на фиг. 5 - датчик для оценки токсичности жидкостей, разрез по све товодам; на фиг. 6 - разрез Г-Г на 74 фиг. 5; на фиг.- 7 - разрез Д-Д на фиг. 5; на фиг. 8 - разрез Е-Е на фиг. 5; на фиг. 9 - зависимость концентрации кислорода и величины диффузионного тока от температуры, на фиг. 10 - зависимость фотосинтеза хлореллы от температуры. Датчик для оценки токсичности жидкости состоит из составного корпуса 1 (фиг. 1), в нижней части которого расположена камера 2, ограниченная сверху восприни ающей поверхностью 3 детектирующего электрода 4, а снизу полупроницаемой мембраной 5, которая выполнена диализной и светонепроницаемой. Камера 2, снабженная впускной 6 и выпускной 7 трубками, концы которых выведены в верхнюю часть корпуса 1, вьшолнена светонепроницаемой и соединена с источником света 8 световодами 9 (фиг. 5). Причем внутренняя поверхность камеры 2 образована выход ными торцами световода 9. Источник света 8 установлен в дополнительной полости 10 (фиг. 5) корпуса 1, изолированной от камеры 2 и полости 11 детектирующего электрода 4. Кльцо 12 для перекрытия трубок 6 и 7 с уплотнением 13 в прилегающей к камере 2 части корпуса 1 (фиг. 1) вьтолнено с . возможностью поворота в три фиксированных положения. При этом в месте установки кольца на его толщину трубки 6 и 7 имеют вырез. Причем кольцо имеет прорези 14 для световодов 9 и . три отверстия 15, 16 и 17 (фиг. 7), которые расположены по окружности так, что в одном из крайних положе ий -кольца Т2 два отверстия 15 И 17 соединяют верхние и нижние части 6 и 7, в другом крайнем положении кольца 12 соединены верхняя и нижняя части впускной трубки 6 третьим отверстием 16, а в промежуточном положении обе трубки 6 и 7 перекрыты. В корпусе 1 установлен термодатчик 18 (фиг. 6), имеющий защитный колпачок 19. Провода 20 (фиг. 5). термодатчика 18 соединяются с разъемом 21 (фиг. 2). Анод 22 и катод 23 (фиг. 1) с токоподводом 24 детектирующего электрода 4 соединены с разъемами 25 и 26 (фиг.2), вьтолненными в виде пружинных контактов, которые установлены в дополнительной полости 10 на пробке 27 (фиг. 1), которая изолирует полость 10 от полости 11 детектирующего электрода 4, заполненной электролитом (КС1 0,1 н. раствор).

Корпус 1 выполнен разъемным и состоит из штанги 28, соединенной с помощью верхней гайки 29 с втулкой 30 и верхней частью 31 корпуса „1. Верхняя часть 31 соединена с нижней частью 32, которая связана с приемником 33 с помощью нижней гайки 34. Между нижней частью 32 корпуса 1 и приемником 33 в области трубок 6 и 7 установлены прокладки 35, а между верхней частью 31 корпуса 1 и втулкой 30 в области трубок 6 и 7 установлены прокладки 36. Во втулке 30 трубки 6 и 7 уплотняются уплотнителем 37. Разъем 21 термодатчика 18 имеет гнездо 38 и вилку 39 (фиг. 3), которые в собранном виде датчика нормально замкнутые, а разъем 25 диода 22 и разъем 26 катода 23 имеют лепесток 40 и пружинный контакт 41.(фиг. 4), которые в собранном виде датчика нормально замкнутые. В корпусе 1 предусмотрена .фиксация щтанги 28 к втулке 30 (фиг. 1) с помощью винтов 42 (фиг. 5). Вилка 39 разъемов 21 и пружинный контакт 41 разъемов 25 и 26 подключены к измерительному блоку (не показан), источник света 8 подключен к источнику питания (не показан) . Впускная 6 и вьтускная 7 трубки соединены с емкостью культуры и емкостью отобранной культуры, а также с емкостыб промывочной жидкости, причем на трубке 6 установлен перистальтический насос (-не показан) .

Токсичность предлагаемым датчиком оценивается следующим образом.

После калибровки, которая осуществляется перед каждой серией измерений, в камеру 2 прокачивают культуру фотосинтезирующих организмов, напри мер одноклеточных зеленых водорослей: При этом кольцо 12 для перекрытия трубок 6 и 7 установлено в режиме Прокачка. Затем кольцо 12 поворачивают в положение Уплотнение. В этом режиме перекрыта выпускная трубка 7. Датчик необходимо держать в вертикальном положении: штанга 28 сверху, а камера 2 - снизу. Питательная срела выходит через диализную мембрану 5, а клетки культуры остаются в камере 2, таким образом происходит уплотнение, т.е. увеличение концентрации культуры до определенной величины. Так как кольцо 12 установлено вблизи камеры 2, то в процессе уплотнения впускная трубка 6 не забивается, а это обеспечивает надежную работу датчика.. После уплотнения кол ,цо 12-поворачивают в« положение Работа, в котором перекрыты обе трубки 6 и 7. Насос прокачки выключается. Таким образом, в камере 2 находится культура, доведенная до определенной высокой концентрации.

Датчик опускается в исследуемую жидкость и вьщерживается в ней 20 ми За . это время токсические вещества проникают через диализнзпо мембрану 5 и воздействуют на клетки водорослей. Так как диализная мембрана 5 выполнена светонепроницаемой, то в камере 2, также светонепроницаемой, клетки водорослей п6глощак)т кислород (процесс дыхания). За 20 мин показание детектирующего электрода 4. равно нулю (ко.нцентрация растворенного кислорода в камере 2 вблизи электрода 4 равна нулю), обеспечивая таким образом надежную точку отсчета в процессе измерения.

Затем включают источник света В. Свет проходит по световодам 9, попадает в камеру 2, освещая равномерно тонкий слой культуры. Равномерное освещение обеспечивается за счет того, что . боковые поверхности камеры 2 образованы торцами световодов 9. В этот момент начинается процесс фотосинтеза, т.е. клетки водорослей продуцируют и вьщеляют кислород. В камере 2 повьпнается концентрация растворенного кислорода, что и регистрирует детектирующий электрод 4. В зависимости от поражения токсичности комплексом химических веществ клетки водорослей по-разному фотосинтезируются, поэтому по скорости изменения концентрации кислорода в камере 2 можно оценивать токсичность исследуемой жидкости. Считывание показаний с прибора необходимо проводить через 3-5 мин после включения источника света 8. Действия токсиката на водоросли за 20 мин достаточно для надежной оценки . Так как исследуемая среда может иметь различную температуру, а детектирующий электрод 4 имеет тем- пературную зависимость (см.фиг. 9, кривая А), то необходимо этот факт учитывать при оценке токсичности. Для этой цели в датчик введен термодатчик 18, выполненный на базе бес7корпусного полупроводникового прибора (транзистор 2Т, 317 В), который включен в обратную связь усилителя сигнала. Для дальнейшего повьпиения точности оценки токсичности необходи мо при анализе результатов вводить поправочньй коэффициент, что связано с зависимостью активности фотосинтеза водорослей от температуры (см. лфиг. 10). Корректировка показаний проводится по графику (фиг. 10), либо по таблице, рассчитанной из это го графика. После проЬедения оценки источник света 8 включается, датчик вьшимается из исследуемой жидкости, кольцо 12 устанавливается в положение р.ежима Прокачка, трубка 6 пере ключается на емкость с промывочной жидкостью (дистиллированная вода, спирт). Включается насос прокачки, в течение 3 мин промывают датчик, после чего датчик готов к следующему . циклу работы. Пример оценки токсичности вод до и после биологической очистки. Включается усилитель датчика, при этом подается поляризационное напряжение 0,61 В на. детектирующий электрод и включается термодатчик. Производится калибровка датчика посредством погружения его в калибровочные растворы с известньм содержанием растворенного кислорода. Первую калй ровочную точку, нулевое содержание 7 растворенного кислорода, получают добавлением в раствор 3 г/л сульфита . натрия, а вторую калибровочную точку - методом н&сыщения- раствора воздуха и изменением температуры (таблич ные величины, Т 25 ° С, COj i 3,). Затем включается насос прокачки культуры хлореллы, при этом кольцо устанавливается в положение режима Прокачка. Через 15 с кольцо устанавливается в положение режима Уплотнение, по истечении 20 с наicoc выключается и кольцс5 устанавли вается в положение режима Работа. В процессе этих операций датчик вьщер живается в вертикальном положении и не погружен в жидкую среду. После это го он погружается в контролируемую жидкость и находится в таком состояНИИ 20 мин, в течение которых показания прибора достигают нулевого значения. Далее включается источник света. Через 4 мин регистрируется скорость изменения растворенного кислорода в камере, что соответствует активности фотосинтеза в даннЕ 1й момент времени. Из KajIii6poBO4Horo графика (фиг. 10) берется контролирующий коэффициент, соответствующий текущей температуре (при Т 24° С, К 0,51), считаем, что при Т . 15 , К 1) . В таблице приведены результаты при Т 24,2 °С. измерения

1. ДАТЧИК ДЛЯ ОЦЕНКИ ТОКСИЧНОСТИ ЖИДКОСТИ, в нижней части корпуса которого расположена камера, ограниченная сверху воспринимающей поверхностью детектирующего электрода, а снизу - полупроницаемой мембраной и снабженная впускной и выпускной трубками, концы которых выведены л верхнюю часть корпуса, отличающийся тем, что, с целью точного определения суммарной точности жидкости, камера выполнена светонепроницаемой и соединена световодами с источником света, которьй установлен в дополнительной полости-корпуса, изолированной от камеры, и полости детектирующего электрода, полупроница емая мембрана выполнена диализной и светонепроницаемой, а впускная и выпускная трубки снабжены приспособлением для их перекрытия. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что высота камеры выбрана от 1,0 до 3,0 мм. 3.Датчик по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что внутренняя поверхность образована ныходными торцами световодов. 4.Датчик по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что приспособление для перекрытия трубок выполнено в виде установленного с уплотнением в прилегающей к камере части корпуса с возможностью поворота в три фиксированных положения кольца, при этом в месте установки кольца трубки имеют вырез на его толщину, причем кольцо имеет прорези для световодов и три отверстия, которые расположенр так, что в одном из крайних положений кольца два отверстия соединяют неохние сл и нижние части обеих трубок, в другом крайнем положении верхняя и нижняя, части впускной трубки соединены треть им отверстием, а в промежуточном положении обе трубки перекрыты. 00 СП 5.Датчик по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что в корпусе устаел новлен термодатчик. 4: 6.Датчик по пп. 1 и 4, о т л и СО чающий с я тем, что, с целью удобства эксплуатации, корпус выпопнен разъемным, а провода от детектирующего электрода и от термодатчика имеют разъемы в виде, например, нормально замкнутых контактов, установленных в герметичной полости, а верхняя часть корпуса выполнена удлиненной или в виде присоединенной штанги. 7.Датчик по п. 1,отличающ и и с я тем, что диализная светонепроницаемая мембрана выполнена, например, из черного капрона с ячейкой 1-3 мкм и толщиной 10-100 мкм.

Скорость изменения кислорода, (мг/л с)

0,22

Токсичность, 0,042 усл. ед.

Токсичность оценивается как отношение результатов измерения контролируемой жидкости к водопроводной воде.

5,21

3,98

0,764

Предлагаемый датчик прост в изготовлении и не требует высококвалифицированного обслуживающего персонала.

29

Z6

Л

0ut.Z

5-6

в-в

Г-Г

,5

Фиг. 6

W

/3

W

Фиг,7

Фиг.8

Ю 20 30 W

гЯ7