УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ε-КАПРОЛАКТАМА

Полезная модель относится к области экологического контроля, а именно, к биосенсорным аналитическим устройствам.
ε-Капролактам является сырьем для получения полимерных материалов, применяемых в различных областях промышленности, сельского хозяйства, медицины и быта. Загрязнение водной среды капролактамом, обусловленное несовершенством технологического процесса и недостаточной очисткой сточных вод, служит причиной поступления ксенобиотика в окружающую среду.
В настоящее время для определения содержания капролактама наиболее распространены физико-химические методы анализа: спектрофотометрический [Churacek J. N,N-Dimethyl-p-aminobenzenazobenzoyl chloride as a new reagent for the identification of alcohols (in German) / Churacek J., Riha J, Jurecek M. // Fresenius Z Anal Chem. - 1970. - v.249. - p.120-121.], рефрактометрический [Тихомирова Ю.М., Безвершенко В.И., Архангельский Д.Н. // Химические волокна. 1966. №6. С.37], метод тонкослойной хроматографии [А.с. 1679362 СССР, МКИ G01N 30/02. Способ количественного определения капролактама в водных растворах / Э.Д.Мактаз, Л.Е.Ботвинова. - 4673772/25; Заявлено 4.04.89; Опубл. 23.09.91, Бюл. №35. - 2 с.], метод газожидкостной хроматографии [Боронин A.M. Характеристика плазмиды pBS271, контролирующей деградацию ε-капролактама бактериями рода Pseudomonas / A.M.Боронин, В.Г.Грищенков, Л.А.Кулаков, Р.П.Наумова // Микробиология. - 1986. - т.55, вып.2. - с.231-236.], метод хромато-масс-спектрометрии [К вопросу о качестве капролактама и полиамида С.Я.Карасева, Е.Л.Красных, С.В.Леванова, Г.Г.Петров, С.Я.Садивский // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева), 2006, т.L, №3. С.54-58].
Известные методы определения капролактама являются трудоемкими, требуют сложного аппаратурного оформления.
В настоящее время на предприятиях нефтехимической отрасли для определения капролактама используется рефрактометрический или спектрофотометрический методы, которые не позволяют получить достаточно точный результат, т.к. обычно объекты анализа представляют собой смеси различных веществ, многие из которых (аминокапроновая кислота, олигомеры капролактама) мешают определению. [Колотвин А.А. Многоуровневая система хроматографического определения поверхностно-активных веществ в техногенных и природных объектах: Автореф. ...канд. хим. наук. - Саратов, 2006. - 24 с.]
Метод тонкослойной хроматографии позволяет определять капролактам в присутствии аминокапроновой кислоты, однако требует длительной пробоподготовки и характеризуется значительной погрешностью. Сущность метода заключается в следующем: капролактам экстрагируют хлороформом, экстракт упаривают и проводят хроматографирование в тонком слое сорбента хлороформом в кислой среде. Тонкий слой обрабатывают нингидрином, выдерживают при температуре 130°С в течение 30 мин и фотометрируют на денситометре. Чувствительность определения капролактама составляет 0,5 мг/л (5 мкМ).
Газохроматографическое определение капролактама в водных средах установлено методическими указаниями [МУК 4.1.1209-03. Разработаны Сотниковым Е.Е., Малышевой А.Г., Кирьяновой Л.Ф., Каменецкой Д.Б. (Москва). Газохроматографическое определение ε-капролактама в воде. 2003. 7 с.] Измерение концентрации аналита основано на капиллярном газохроматографическом анализе воды с азотно-фосфорным детектором, идентификации по времени удерживания и количественном определении методом абсолютной градуировки. Нижний предел обнаружения капролактама составляет 0,25 мг/л (2 мкМ), погрешность метода 9,2%. Определению не мешают углеводороды, спирты, кислоты.
Хроматографический метод анализа весьма ограниченно применяется в производстве капролактама из-за быстрого выхода колонки из строя; другой его недостаток - размытость, несимметричность пика капролактама вследствие его высокой полярности. [А.Б.Соколов, М.Г.Печатников, А.С.Крижановский, Г.Г.Петров. Комбинирование химических и биологических способов очистки капролактамсодержащих стоков // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева), 2006, т.L, №3. стр.48-53].
Хромато-масс-спектрометрический анализ позволяет с высокой точностью проводить идентификацию и количественную характеристику вещества, однако метод требует дорогостоящего аппаратурного оформления.
Хроматографию и хромато-масс-спектрометрию чаще используют при проведении научных исследований. [Оптимизация стадии дистилляции капролактама. И.Л.Глазко, С.В.Леванова, А.В.Канаев, С.С.Сабитов, Г.Г.Петров, Е.А.Носикова // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева), 2006, т.L, №3 С.59-64]. [К вопросу о качестве капролактама и полиамида С.Я.Карасева, Е.Л.Красных, С.В.Леванова, Г.Г.Петров, С.Я.Садивский // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева), 2006, т.L, №3. С.54-58]
В работе [Riedel К., Naumov A.V., Grishenkov V.G., Boronin A.M., Stein H.J., Scheller F., Mueller H.-G. Plasmid-containing microbial sensor for ε-caprolactam // Appl. Microbiol Biotechnol. 1989. №31. P.502] показана возможность детекции капролактама с помощью микробного сенсора. Описанный биосенсор представляет собой кислородный электрод с иммобилизованными в поливиниловый спирт клетками бактериального штамма Pseudomonas putida К14. Преобразователем служит кислородный электрод. Для описанного авторами сенсора предел обнаружения составляет 4 мкМ, линейная зависимость калибровочного графика соблюдается от 4 до 40 мкМ. Сходимость составляет 5,5%; сенсор стабилен в течение 21 дня.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель - создание устройства для определения содержания капролактама в водной среде.
Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемой полезной модели, заключается в том, что предлагаемый биосенсор позволяет селективно определять содержание капролактама в водных средах в концентрациях ниже предельно допустимой концентрации (ПДК).
Сущность полезной модели заключается в том, что биосенсор для определения капролактама включает электрод Кларка, сопряженный с биорецептором, содержащим иммобилизованные на носителе клетки бактериального штамма Pseudomonas putida BS394 (pBS268).
Наличие плазмиды pBS268 в штамме позволяет клеткам окислять ε-капролактам.
Биосенсор представляет собой кислородный электрод с биорецептором - иммобилизованными на носителе бактериальными клетками.
Предлагаемое устройство состоит из следующих элементов: биосенсора, состоящего из преобразователя - электрода Кларка (1), на котором размещен биорецептор (2), представляющий собой иммобилизованные на носителе клетки штамма бактерий Pseudomonas putida BS394(pBS268), а также измерительной кюветы (3) и магнитной мешалки (4).
Для формирования микробного биосенсора используют штамм бактерий Pseudomonas putida BS394 (pBS268). Указанный штамм получен из Всероссийской коллекции микроорганизмов.
Для регистрации сигнала биосенсора используют прибор, определяющий зависимость тока от времени - Electrochemical testing system IPC2000, подключаемый к кислородному электроду и компьютеру.
Для получения биомассы бактерий используют жидкую синтетическую среду Эванса с добавлением капролактама и цистеина: капролактам вносят в среду в концентрации 0,1%; цистеин добавляют в концентрации 50 мкг/мл.
Иммобилизацию клеток штамма Pseudomonas putida BS394(pBS268) осуществляют упаковкой в 2% агаровый гель с последующим нанесением полученной суспензии на фильтр из стекловолокна (тип GF/A, Whatman).
Принцип работы биосенсора заключается в следующем:
Электрод Кларка с размещенным на нем биорецептором, содержащим иммобилизованные клетки штамма Pseudomonas putida BS394 (pBS268), погружают в измерительную ячейку объемом 4 мл с 30 мМ калий-фосфатным буфером (рН 7,6) и регистрируют силу тока, отражающего содержание кислорода в среде (фоновое). Затем вносят пробу, содержащую капролактам (100 мкл). Измерения проводят при непрерывном перемешивании при комнатной температуре.
После регистрации сигнала биосенсора (зависимость силы тока от времени) кювету промывают буферным раствором. Рассчитывают величину максимальной скорости потребления кислорода (ответ сенсора, dI/dt, нА/с) и определяют концентрацию капролактама по предварительно построенной калибровочной кривой.
На фиг.1 показано формирование биосенсорного устройства.
На фиг.2 показана схема устройства для определения капролактама.
На фиг.3 представлены типичные отклики биосенсора на введение в измерительную ячейку капролактама.
На фиг.4 представлена калибровочная зависимость биосенсора на основе клеток штамма бактерий Pseudomonas putida BS394 (pBS268) для определения капролактама, отражающая зависимость ответа биосенсора от концентрации капролактама в водном растворе.
Линейный диапазон калибровочной зависимости для детекции капролактама составляет 0,005-0,16 мМ. Длительность единичного измерения составляет 15 минут.
Предел обнаружения составляет 0,001-0,002 мМ, что позволяет определять уровень капролактама ниже его ПДК (ПДК капролактама 0,01 мМ).
Долговременная стабильность сенсора более 15 суток. Падение активности микроорганизмов на протяжении этого времени составило 25%. Стандартное отклонение по 14 последовательным измерениям составило 9,8%.
Селективность биосенсорного определения капролактама оценивали по субстратной специфичности штамма Pseudomonas putida BS394 (pBS268), иммобилизованного на поверхности электрода (фиг.5).
Отклик биосенсора на капролактам значительно выше откликов на ряд других субстратов - углеводы, спирты, промежуточные продукты биодеградации капролактама (аминокапроновая кислота, адипиновая кислота, сукцинат), фенол, ароматические и полиароматические вещества, хлороформ. Это позволяет селективно определять концентрацию капролактама в присутствии других веществ.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет селективно определять содержание капролактама в водных средах в концентрациях ниже ПДК, обеспечивает быстрое определение его содержания (15 мин в сравнении с 90 мин при жидкостной хроматографии - один из стандартных методов) без использования сложного дорогостоящего оборудования. Кроме того, оно дает возможность определять содержание капролактама в присутствии других веществ.
Предлагаемое биосенсорное устройство может быть использовано для определения содержания капролактама в реальных образцах сточных вод предприятий по производству капролактама и полимерных материалов на его основе.