Разработка системы измерения токсичности водной среды

       Острое  токсическое действие растворов отдельных химических веществ, исследуемой воды или водной вытяжки из почв, осадков сточных вод и отходов на дафний определяется по их смертности (летальности) за определенный период экспозиции. Критерием острой токсичности служит гибель 50 % и более дафний за 96 часов в исследуемой воде при условии, что в контрольном эксперименте гибель не превышает 10 %.

       В краткосрочных экспериментах по определению острого токсического действия устанавливают:

• острую токсичность или среднюю летальную концентрацию отдельных веществ (кратность разбавления вод или водной вытяжки из почв, осадков сточных вод и отходов, содержащих смеси веществ), вызывающую гибель 50 % и более тест-организмов (ЛК50-96, ЛКР50-96);
• безвредную (не вызывающую эффекта острой токсичности) концентрацию отдельных веществ (кратность разбавления вод или водной вытяжки из почв, осадков сточных вод и отходов, содержащих смеси веществ), вызывающую гибель не более 10 % тест-организмов (БК10-96, БКР10-96).

       Хроническое токсическое действие растворов отдельных химических веществ, исследуемой воды или водной вытяжки из почв, осадков сточных вод и отходов на дафний определяется по смертности и изменению их плодовитости за период до 24 суток в исследуемой воде по сравнению с контрольным экспериментом. Критерием хронической токсичности служит гибель 20 % и более и (или) достоверное отклонение в плодовитости из числа выживших тест-организмов по сравнению с контрольным экспериментом [7]. 

 

3. Практическая  часть

       Доступные в настоящее время биосенсоры основаны на использовании либо энергетического эффекта химической реакции, либо эффектов, связанных с изменением физических свойств (в частности, это могут быть эффекты выделения тепла и образования свободных носителей электрического заряда). При этом селективность биосенсоров ограничена воздействием многих побочных факторов, которые могут привести к таким же эффектам. В определенной мере, эту проблему можно решить путем создания полипараметрической биосенсорной системы с комбинированным датчиком, обеспечивающим преобразование эффектов биохимической реакции одновременно по нескольким выходным параметрам.

       Задача  разработки комбинированного датчика  тесно связана с реализацией  универсального модуля для преобразования выходных сигналов его чувствительных элементов, поскольку существует специфика выделения информативных параметров этих сигналов и их нормализации для представления результатов измерения в удобной для реализации форме [4].

1. Основные  принципы построения биосенсорной измерительной  системы

       Регистрацию многих видов физических эффектов удобно осуществлять с помощью датчиков с выходным сигналом в виде пассивных электрических величин (параметров электрического импеданса) или в виде активной величины (электрического тока). Эти параметры могут быть измерены с очень высокой точностью с помощью компенсационно-мостовых измерительных устройств. В состав таких приборов входит генератор тестового сигнала, подаваемого на датчик, вторичный преобразователь выходного сигнала датчика и микропроцессорный базовый модуль на основе частично уравновешенного моста переменного тока с высокоразрядным аналого-цифровым преобразователем. Этот модуль через стандартный интерфейс подключается к персональному компьютеру со специальным программным пакетом верхнего уровня, который обеспечивает сбор, обработку и накопление поступающих данных.

       Благодаря применению эффективных способов выделения и обработки информативного сигнала, такие комплексы обладают очень высокой чувствительностью, а также простотой интеграции, как со многими видами электронных датчиков, так и с компьютерными информационными системами.

       На  данной основе реализованы импедансометрические системы с биоэлектронными датчиками, использующими тепловые и электрохимические эффекты биохимических реакций.

       Их  важными преимуществами по сравнению с другими видами биосенсорных систем являются: применение дифференциальных методов измерения для компенсации внешних воздействий на систему, обеспечивающих повышение ее чувствительности и точности; высокая степень унификации электронных аппаратных и программных средств; применение стандартных технологий при изготовлении аппаратуры и, как следствие, ее невысокая стоимость и пригодность к серийному производству; наличие надежного метрологического обеспечения применяемых методов измерений; портативность аппаратуры и простота ее эксплуатации. В то же время, при высокой чувствительности измерительной системы существует значительная вероятность возникновения погрешностей, обусловленных посторонними факторами, производящими эффект, аналогичный информационному сигналу. Существенное повышение метрологической надежности биосенсорных систем может быть достигнута применением двух и более селективных элементов, производящих комбинированный эффект, например, тепловой и электрохимический. Поскольку соотношение параметров такого эффекта известно, а одновременное наличие сопоставимых помех по каждой информативной составляющей комплексного выходного сигнала сенсора маловероятно, то с помощью корреляционной обработки этих составляющих возможно значительное повышение помехоустойчивости биосенсорной системы.

2. Полипараметрический измерительный комплекс

       Для измерения концентрации различных  веществ, в том числе и токсических, наибольшее распространение получили амперометрические методы, поскольку  они отличаются большей чувствительностью и точностью, характеризуются линейностью выходного сигнала как функции концентрации аналита, простотой изготовления и низкой стоимостью. Недостатком амперометрических преобразователей является влияние побочных электроактивных соединений. Поэтому для повышения достоверности и точности анализа целесообразно комбинировать амперометрический датчик с преобразователем, работающим на другом физическом эффекте, например, тепловом, с помошью которого регистрируется изменение температуры в ходе биохимической реакции. По количеству локально выделяемого тепла можно судить о концентрации анализируемых веществ, которые являются диагностическими биохимическими показателями состояния организма или служат в качестве критериев состояния окружающей среды. Преобразование теплового эффекта в электрический сигнал возможно с помощью миниатюрного дифференциального датчика градиента температуры, изготовленного по тонкопленочной технологии.

       Для реализации был предложен полипараметрический  термо-амперометрический сенсор, содержащий дифференциальный термодатчик и электроды электрохимической ячейки. Его конструкция показана на рисунке 2.

       Технология  изготовления полипараметрического микроэлектронного  сенсора включала нанесение пленок Ті и Ni электронно-лучевым испарением (dТі=30 нм, dNi=0,3 мкм), при этом ток эмиссии составлял 120 мА, t = 2 мин. и 200 мА, t = 10 мин. соответственно. Необходимая топология системы электродов амперометрического датчика и датчика температуры формировалась с помощью фотолитографии. Металлические выводы и терморезистор защищали слоем А_l2O₃, который наносился электронно-лучевым испарением изопирита при I_э = 140 мА в течение 3 мин. 

       Условные  обозначения:

       1 – амперометрический датчик,

       2 – термодатчик,

       3 –ситалловая подложка.

2. Конструкция полипараметрического микроэлектронного сенсорa

       В качестве вторичного преобразователя  дифференциального датчика температуры  может быть использована измерительная  цепь. В этом устройстве чувствительные элементы термодатчика включены в мостовую цепь на операционном усилителе по четырехзажимной схеме, что обеспечивает очень высокую точность измерений разницы их сопротивлений. Выходной сигнал моста снимается с помощью операционного усилителя и усиливается до необходимой величины. Генерирование напряжения питания мостовой цепи и обработка ее выходного сигнала производится аппаратурой базового модуля. В составе последнего имеется цифро-аналоговый преобразователь, который формирует сигнал уравновешивания моста. Описание структуры этого модуля применительно к термобиосенсорным системам. Функциональная электрическая схема амперометрической измерительной системы приведена на рисунке 3. 
 

       Условные  обозначения:

       1 – источник опорного напряжения для питания (ИЯ),

       2 – источник логометрического преобразования напряжения (U_x),

       3 – операционный усилитель с регулируемым сопротивлением в цепи обратной связи (R_ос),

       4 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП),

       5 – буфер данных АЦП,

       6 – микропроцессорный контроллер (МПК),

       7 – регистр управления,

       8 – цифровое индикационное табло,

       9 – блок интерфейса,

       10 – клавиатура.

3. Функциональная электрическая схема измерительной системы

       Система работает следующим образом. Под воздействием напряжения U₀ в ИЯ возникает ток I_x, который протекает через входную цепь ОУ. Благодаря использованию специального ОУ с малыми входными токами в ветви обратной связи R_ос протекает ток I_ос, отличающийся от I_x на величину порядка 10-12А. Это обеспечивает высокую чувствительность измерительной схемы. Напряжение U_x = I_ос. R_ос преобразуется с помощью АЦП в код, соотнесенный с величиной опорного напряжения U_оп. Далее, этот код через буфер данных поступает в МПК, который обеспечивает передачу информации через блок интерфейса в персональный компьютер ПК. Изменение масштаба преобразования I_x и управление величиной U₀ осуществляется через регистр управления с клавиатуры прибора либо по командам ПК, принимаемым через интерфейс.

       Персональный  компьютер оснащен программой верхнего уровня, которая обеспечивает обмен данными в измерительной системе. Эта программа с установленной периодичностью посылает запросы на обмен данными одному или поочередно нескольким таким приборам, которые выполняют функции измерительных терминалов системы с адресами от 001 до 255. Посылка–запрос имеет следующий формат: байт адреса передатчика (ПК), байт адреса приемника (терминал), команда управления режимом работы терминала, 3 байта данных, заносимых в регистр управления прибора, код конца посылки.

       Если  терминал произвел измерение и подготовил данные к передаче в ПК, из терминала передается посылка – ответ в следующем формате: байт адреса передатчика (терминал), байт адреса приемника (ПК), подтверждение команды управления режимом работы прибора (повторение принятой команды), 4 информационных байта, байт состояния регистра входных логических сигналов управления прибором (клавиатура, сигналы перегрузки и т.п.), байт конца посылки.

       Возможность измерений одним и тем же терминалом в разных режимах под управлением программы верхнего уровня можно использовать для построения комбинированной термоамперометрической измерительной системы (рисунок 4). В этой системе имеется дифференциальный термосенсор (S_t) и электрохимическая измерительная ячейка (ЭХИЯ). В режиме термоизмерений на термосенсор подается синусоидальный измерительный сигнал (U_r) через коммутатор К1.

       На  мостовую измерительную цепь (МИЦ) в этом режиме подается регулируемый с помощью ЦАП синусоидальный уравновешивающий сигнал U_ур. Выходной сигнал мостовой цепи, пропорциональный измеряемой разнице температур, подается через коммутатор К2 на вход АЦП.

       В режиме амперометрических измерений с помощью того же ЦАП формируется сигнал U₀ управления электрохимическим потенциалом (в виде напряжения постоянного тока). Выходной сигнал измерителя тока через коммутатор К2 поступает на вход АЦП. Регулирование коэффициента преобразования ИТ и переключения коммутатора К1 и К2 осуществляется сигналами регистра управления (Вых. РУ).

       Условные  обозначения:

       S_t – дифференциальный термосенсор,

       ЭХИЯ  – электрохимическая измерительная ячейка,

       МИЦ – мостовая измерительная цепь,

       РУ  – регистр управления,

       К1, К2 – коммутаторы.

4. Термоамперометрическая измерительная система

 
 

 

       

Заключение

       Одним из параметров качества окружающей среды  является токсичность – основная характеристика вредности для живого. Особенно важным представляется контроль качества водной среды, от которой существенно зависит в целом функционирование биосферы и жизнедеятельности человека, в частности.

       Проведен  литературный обзор методов и  средств измерения токсичности  водных сред, в ходе которого установлено, что в настоящее время широкое распространение получили методы и средства контроля токсичности, основанные на использовании хемотаксиса (направленное перемещение под действием химических стимулов) инфузорий P. Caudatum [1]. Достижения цитологии, энзимологии, генетики создали фундамент биотехнологии – научного направления, позволяющего использовать живую материю (биообъекты) в качестве материала с известными свойствами для различных прикладных целей.