УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПРЕССНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ

Техническое решение относится к области физической и коллоидной химии водных растворов, биологии, фармакологии, медицине, пищевой промышленности, а именно к устройствам для изучения процессов образования активных форм кислорода (АФК) в водных растворах, в том числе содержащих металлические наночастицы и другие наноматериалы, в присутствии веществ обладающих антиоксидантной активностью. Данное устройство позволяет проводить рН-зависимые хемилюминесцентные реакции, используемые для обнаружения АФК при заданных значениях рН растворов, что увеличивает воспроизводимость получаемых результатов и может значительно повышать чувствительность существующих методов.
Известно устройство для анализа люминесценции растворов [1], состоящее из светонепроницаемый герметичный камеры с крышкой, содержащей сосуд с исследуемым или контрольным веществом, нагреватель, фотоприемник, интерфейс, блок управления, электропривод и блок питания, соединенные по электрической цепи и подключенные к персональному компьютеру. Однако данное устройство не позволяет проводить экспрессный сравнительный анализ содержания активных форм кислорода.
Наиболее близким является устройство для анализа люминесценции растворов [2], содержащее светонепроницаемую герметичную камеру с крышкой, привод с плунжером, выполненный с возможностью воздействия на дозатор для подачи раствора в кювету под которой установлен ФЭУ, причем кювета, патрубки и ФЭУ установлены в корпусе, а привод соединен по электрической цепи с ФЭУ, АЦП, блоком управления с блоком питания и ПК. Однако данное устройство не позволяет исследовать хемилюминесцентные реакции при заданных значениях рН.
Задачей полезной модели является экспрессное сравнительное определение концентрации АФК в водных растворах при заданных значениях рН.
Поставленная задача решается следующим образом. Устройство для экспрессного определения концентрации активных форм кислорода в водных растворах, содержащее светонепроницаемую герметичную камеру с крышкой, привод с плунжером, выполненный с возможностью воздействия на дозатор для подачи раствора в кювету под которой установлен ФЭУ, причем кювета, патрубки и ФЭУ установлены в корпусе, а привод соединен по электрической цепи с ФЭУ, АЦП, блоком управления с блоком питания и ПК, согласно технической задаче, содержит смеситель и проточный рН-метр установленные в корпусе и входные штуцеры, трехходовые краны и раму, установленную на крышке, причем приводов с плунжерами, дозаторов и трехходовых кранов, по меньшей мере, четыре и они закреплены на раме, а трехходовые краны соединены с соответствующими дозаторами, входными штуцерами и смесителем, причем каждый дозатор является соответственно дозатором раствора гидроксида натрия (калия), дозатором раствора люминола, дозатором исследуемого раствора и дозатором эталонного раствора, а проточный рН-метр соединен с кюветой, имеет сливной патрубок и электрически соединен с блоком управления, а кювета является проточной.
Кроме того, привод содержит шаговый двигатель, что упрощает управление приводом.
Кроме того, дозатором является шприц, что удешевляет конструкцию и позволяет использовать стандартные готовые изделия.
Кроме того, шприц и патрубки выполнены светонепроницаемыми, что снижает уровень засветки при определении концентрации АФК, что в конечном итоге снижает уровень шумов.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 дана принципиальная схема устройства, на фиг. 2 приведены кинетические зависимости интенсивности люминесценции раствора полученного смешением 2 мл 2 мкМ водного раствора гипохлорита натрия с 200 мкл 1 мМ водного раствора люминола и на фиг. 3, тоже, что на фиг. 2, но с добавкой 20 мкл 1 мМ раствора гидроксида натрия.
Устройство для экспрессного определения концентрации активных форм кислорода в водных растворах состоит из светонепроницаемого герметичного корпуса 1, на крышке которого установлена рама 2, на которой закреплены приводы, которые выполнены на шаговых двигателях 3 с плунжерами 4 для вытеснения жидкости из соответствующего дозатора, а именно дозатора раствора гидроксида натрия (калия) 5, дозатора раствора люминола 6, дозатора исследуемого раствора 7, дозатора эталонного раствора 8. Причем, каждый дозатор соединен патрубком с входом трехходового крана 9, имеющего входной штуцер для набора соответствующего раствора в дозатор (5÷8) и выходной штуцер, соединенный патрубком со смесителем 10 и проточной кюветой 11, под которой установлен ФЭУ 12. Проточная кювета 11 патрубком соединена с проточным рН-метром 13 и сливным патрубком 14. Персональный компьютер (ПК) 15 электрически соединен с блоком управления 16 с универсальным блоком питания и шаговыми двигателями 3, рН-метром 13, аналого-цифровой преобразователем (АЦП) 17 и ФЭУ 12.
Устройство работает следующим образом. Перед налом работы включается и запускается программа управления устройством. К входным штуцерам трехходовых кранов 9 подключаются патрубки, соединенные с сосудами с соответствующими растворами. От персонального компьютера 15 по заданной программе поступают команды на блок управления 16, который подает электрическое напряжение для работы шаговых двигателей 3, приводящих в движение плунжеры 4, которые осуществляют поступательное движение в верх поршней дозаторов 5, 6, 7, 8, в результате чего происходит их заполнение раствором гидроксида натрия (калия), раствором люминола, исследуемого раствора АФК и эталонного раствора этой АФК, соответственно. Затем, трехходовые краны 9 переводятся в рабочее положение, т.е. через патрубки соединяют дозаторы со смесителем 10, а на ПК 15 в программе управления устройством запускается подпрограмма управления шаговыми двигателями (на вытеснение растворов), измерения интенсивности хемилюминесцентных реакций, измерения рН реакционного раствора (раствора в смесителе) и обработки результатов. В результате этого заданные количества растворов гидроксида натрия (калия), люминола и исследуемого раствора, из соответствующих дозаторов по светонепроницаемым патрубкам поступают в смеситель 10, далее в проточную кювету 11, а затем в проточный рН-метр 13 из которого по сливному патрубку 14 выводятся из устройства наружу (после измерения их люминесценции) в соответствующую емкость. Одновременно с этим, с помощью ФЭУ 12 и АЦП 17 происходит измерение интенсивности хемилюминесценции данной реакции, отображение ее кинетической зависимости на экране монитора персонального компьютера 15, вычисление площади под ее кривой и запоминание этой величины. Кроме того, в проточном рН-метре 13 происходит измерение рН реакционного раствора. Значение рН поступает в персональный компьютер 15 и программно сравнивается с заданной исследователем величиной. В случае их не соответствия происходит корректировка скорости подачи движения шагового двигателя 3, приводящего в движение дозатор 6 с раствором гидроксида натрия (калия). В результате этого, в следующем цикле за время ввода растворов в реакционную смесь поступит больший либо меньший объем раствора гидроксида натрия (калия), что изменит итоговый рН общего раствора до требуемой величины. После такой самонастройки устройства на работу при заданном значении рН, выполняется определенное количество таких измерительных циклов, в результате чего рассчитывается среднее значение площади под кинетической кривой данной хемилюминесцентной реакции. Затем по аналогичному алгоритму происходит измерение и расчет среднего значения площади под кинетической кривой этой хемилюминесцентной реакции с определенной добавкой объема эталонного раствора АФК. После чего, на основании полученных данных рассчитывается концентрация АФК в исследуемом растворе.
UF
PLUS
Пример конкретного применения. Изучали влияние рН реакционной смеси на интенсивность люминесценции реакции окисления люминола гипохлоритом натрия, описанной в работе [3]. Для этого готовили 2 мкМ раствор гипохлорита натрия, 1 мМ раствор гидроксида натрия и 1 мМ раствор люминола. Использовали деионизованную воду с сопротивлением 18.2 МОм*см, полученную от установки Milli-Q  фирмы Millipore. Затем, включали персональный компьютер 15 и запускали программу управления устройством. Далее, трехходовые краны 9 переводили в рабочее положение, подключали к входным штуцерам патрубки, соединенные с емкостями с соответствующими растворами. Потом, в программе управления устройством активировали команду подачи электрического напряжения с блока управления 16 на шаговые двигатели 3, которые приводили в движение плунжеры 4, в результате чего происходило наполнение дозаторов 5, 6, 7 раствором гидроксида натрия, раствором люминола, и раствором гипохлорита натрия, соответственно. Дозатор 8 не использовали. После этого трехходовые краны 9 переводили в рабочее положение и в персональном компьютере 15 в программе управления устройством запускали подпрограмму управления шаговыми двигателями, измерения интенсивности хемилюминесцентных реакций, измерения рН реакционного раствора и обработки результатов. В первом случае измеряли интенсивность люминесценции реакции окисления люминола гипохлоритом натрия без добавления раствора гидроксида натрия. При этом, работали только шаговые двигатели 3, приводящие в движение поршни дозаторов 6 и 7, в результате чего через смеситель 10, проходило 200 мкл 1 мМ раствора люминола и 2 мл 2 мкМ раствора гипохлорита натрия, которые затем попадали в проточную кювету 11, проточный рН-метр 13 и далее часть реакционного раствора через сливной патрубок 14 попадало в сливную емкость снаружи прибора. При этом ФЭУ 12 регистрировал интенсивность люминесценции реакционного раствора в проточной кювете 11, АЦП 17 преобразовывал сигнал с ФЭУ 12 в цифровой сигнал, который поступал в персональный компьютер 15. Кроме того, проточный рН-метр измерял значение рН реакционной смеси, которое через блок управления 16 также поступало в персональный компьютер 15. После этих операций на экране монитора персонального компьютера 15 отображалась кинетическая кривая интенсивности люминесценции данной реакции, показанная на фиг. 2, площадь под этой кривой (S=6.06 V*s) а также значение рН реакционного раствора (рН=6.4). Во втором случае, дополнительно задавали команду для работы дозатора 5, в результате чего в аналогичный реакционный раствор вводилось 20 мкл 1 мМ раствора гидроксида натрия. После этого, на экране монитора персонального компьютера 15 отображалась кинетическая кривая интенсивности люминесценции данной реакции, показанная на фиг. 3. Площадь под этой кривой (S=4250 V*s) при (pH=7.6), что более чем в 700 раз превышает площадь, полученную в первом случае, т.е. налицо значительное увеличение чувствительности измерений.
Полученные результаты наглядно демонстрируют важность контроля рН при исследовании хемилюминесцентных реакций, определении концентрации АФК в водных растворах, что доказывают полезность данного устройства для науки и техники.
Источники информации.
1. Патент РФ №2452937, «УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ХЕМИ- И БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ЖИДКИХ СРЕД», 2012.
2. Патент РФ на полезную модель №152424, «УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ РАСТВОРОВ», 2015.
3. Панасенко О.М, Арнхольд Ю., Владимиров Ю.А., Арнольд К., Сергиенко В.И. «Применение метода хемилюминесценции в исследовании кинетики взаимодействия гипохлорита с фосфатидилхолиновыми липосомами». Биофизика, Т. 40, вып. 6, С. 1234-1242, 1995.
Приложение
Формула расчета концентрации АФК методом добавок:
x
0
Ii
e
Ie
Ii
i
C=C·S·V/(S-S)·V, где
0
С - концентрация эталонного раствора,
Ii
S - площадь под кривой люминесценции реакции люминола с исследуемым раствором,
Ie
S - площадь под кривой люминесценции реакции люминола с исследуемым раствором и добавкой эталонного раствора,
i
V - введенный объем исследуемого раствора,
e
V - введенный объем эталонного раствора,
e
i
Формула верна при условии, что V много меньше V.