УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ С ФЕРМЕНТ-ТОРМОЗЯЩИМ ДЕЙСТВИЕМ
DEVICE FOR CONTROL OF HARMFUL SUBSTANCES WITH ENZYME-INHIBITORY EFFECT

Изобретение относится к области экологии, в частности к санитарно-экологическому контролю окружающей среды на наличие вредных компонентов, и может быть использовано преимущественно для оперативного отбора проб и оценки концентрации вредных веществ с фермент-тормозящим действием фосфорорганических соединений (ФОС), в том числе фосфорорганических пестицидов (ФОП) и фосфорорганических отравляющих веществ типа зарин, зоман, V-газы (ФОВ) в газообразной и жидкой среде.
Известны различные устройства, используемые для определения фосфорорганических соединений (ФОС).
Известно устройство с пассивным отбором проб для контроля окружающей среды на наличие газообразных, жидких или растворенных вредных веществ с фермент-тормозящим действием, состоящее из двух пространственно разделенных бумажных лент, являющихся носителями реагентов, один из которых является субстрат-индикатором, а другой - ферментом. Носитель реагента может быть выполнен в виде листа с несколькими лентами с различной концентрацией фермента. В качестве фермента использована холинэстераза или псевдохолинэстераза, а в качестве субстрат-индикатора - 2,6-дихлорбензенониндофенилацетат. Носители реагентов, в частности ленты, приводят в контакт друг с другом на 10-300 с и после этого оценивают наличие или отсутствие цветового перехода (патент DE 2062710 на изобретение «Method and apparatus for determination of enzyme-inhibiting substances», МПК C12Q 1/46; G01N 31/22, опубл. 15.06.1972). Недостатками известного устройства являются длительность процесса контроля и низкий уровень оценки концентрации вредных веществ в контролируемой среде, связанный с фиксацией лишь факта цветового перехода для носителей с различным содержанием фермента, что на практике обеспечивает лишь определение пороговых значений концентрации.
Известно наиболее близкое по совокупности существенных признаков и выбранное в качестве прототипа устройство для контроля вредных веществ с фермент-тормозящим действием, содержащее прозрачный корпус с проточным каналом для прокачивания контролируемой среды с герметично закрытыми приточным и отсасывающим концами. Внутри канала в направлении прокачивания расположены: слой сорбента, концентрирующего контролируемое вещество; фермент, катализирующий реакцию гидролиза субстрата; субстрат-индикаторная система, обеспечивающая хромогенный эффект; буферный раствор для обеспечения уровня рН ферментативной реакции. Слой сорбента разделен экранирующим слоем из инертного материала на индикаторную и эталонную части, фермент иммобилизован на поверхности сорбента, а субстрат-индикаторная система в виде раствора заключена в ампулу. При этом индикаторная часть слоя сорбента предназначена для взаимодействия с контролируемым веществом, а эталонная часть отделена от контролируемого вещества. В качестве буферного раствора используют фосфатный буфер с рН 8,6-8,8; в качестве индикатора - водный раствор ароматического бисазокрасителя-дисульфида; в качестве субстрата - карбокситиохолин, стабилизированный диметилсульфоксидом и карбоновой кислотой; в качестве сорбента - слой крошки нейтрального стекла с иммобилизованной на его поверхности холинэстеразой, дополнительно импрегнированного микронизированным силикагелем, а в качестве экранирующего разделительного слоя - крошку фторопласта. Для контроля окружающей среды на наличие фосфорорганических соединений корпус вскрывают с обоих концов, отсасывающим концом со стороны ампулированного буферного раствора подключают к насосу и прокачивают 1 литр зараженного воздуха с концентрированием контролируемого вещества на индикаторном слое сорбента. После этого разбивают ампулу с буферным раствором и встряхиванием или кратковременным прокачиванием смачивают эталонный слой и индикаторный слой сорбента. После минутной выдержки разбивают ампулу с субстрат-индикаторным раствором, встряхиванием или прокачиванием смачивают эталонный и индикаторный слои и наблюдают за реакцией цветового перехода в них. За счет экранирования части сорбента инертным разделительным слоем контролируемое вещество не попадает на эталонный слой. На эталонном слое происходят ферментативный гидролиз субстрата и взаимодействие продукта его гидролиза с индикатором, которое вызывает цветовой переход, в частности от малинового до фиолетового. На индикаторном слое за счет фермент-тормозящего действия присутствующего там контролируемого вещества происходит замедление реакции гидролиза субстрата, при этом скорость реакции цветового перехода, в частности ее торможение, зависит от концентрации контролируемого вещества. По времени перехода окраски индикаторного слоя до окраски эталонного слоя оценивают концентрацию контролируемого вещества в анализируемой среде. Известное средство позволяет оценить фактическую концентрацию (а не пороговый уровень концентрации) контролируемого вещества в среде (патент RU №2149398 «Индикаторная трубка для контроля вредных веществ с фермент-тормозящим действием» МПК G01N 31/22, опубл. 20.05.2000). Недостатком известного устройства является низкая чувствительность определения веществ фермент-тормозящего действия типа фосфорорганических пестицидов (ФОП) и фосфорорганические отравляющие вещества типа V-газы (ФОВ). Кроме того, устройство характеризуется технологическими сложностями, связанными с использованием дорогостоящей и труднодоступной холинэстеразы в качестве фермента, представляющего собой фермент животного происхождения, производство которого связано со значительными затратами и требует большого количества животного материала.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества устройства для контроля вредных веществ фермент-тормозящего действия.
Технический результат, достигаемый в результате осуществления заявляемого изобретения, заключается в повышении чувствительности определения веществ фермент-тормозящего действия типа ФОП и ФОВ.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для контроля вредных веществ с фермент-тормозящим действием содержит прозрачный корпус с проточным каналом для прокачивания контролируемой среды с герметично закрытыми приточным и отсасывающим концами и расположенные внутри канала в направлении прокачивания: слой сорбента, концентрирующего контролируемое вещество; фермент, катализирующий реакцию гидролиза субстрата; ампульный раствор субстрат-индикаторной системы, обеспечивающей хромогенный эффект; ампульный буферный раствор для обеспечения уровня рН ферментативной реакции. Слой сорбента разделен экранирующим слоем из инертного материала на индикаторную и эталонную части, фермент иммобилизован на поверхности сорбента. Устройство дополнительно содержит расположенную перед слоем сорбента проницаемую для контролируемой среды конверсионную матрицу на основе полимерных материалов, импрегнированную раствором, содержащим ионы серебра и фтора. В качестве фермента использована карбоксилэстераза растительного происхождения. В различных случаях исполнения матрица может быть размещена в проточном канале корпуса или выполнена в виде съемного модуля, сопрягаемого с приточным концом корпуса. Предпочтительно, чтобы приточный конец корпуса был выполнен маркированным. Предпочтительно также, чтобы в качестве буферного раствора был использован фосфатный буфер с рН 7,4-8,0; в качестве индикатора был использован водный раствор ароматического бисазокрасителя - дисульфида; в качестве субстрата был использован α-тионафтилацетат, стабилизированный уксусной кислотой, фталоцианином кобальта и диметилсульфоксидом; в качестве сорбента был использован слой крошки нейтрального стекла с иммобилизованным на его поверхности ферментом, при этом в качестве фермента использована карбоксилэстераза из зерен пшеницы и микронизированный силикагель; в качестве экранирующего разделительного слоя была использована крошка фторопласта.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показал, что во всех случаях выполнения оно отличается от известного, наиболее близкого технического решения:
- наличием конверсионной матрицы;
- расположением конверсионной матрицы перед слоем сорбента;
- выполнением конверсионной матрицы на основе полимерных материалов;
- выполнением конверсионной матрицы импрегнированной раствором, содержащим ионы серебра и фтора;
- выполнением конверсионной матрицы проницаемой для контролируемой среды;
- использованием в качестве фермента карбоксилэстеразы растительного происхождения.
В отдельных случаях выполнения заявляемое изобретение отличается от известного, наиболее близкого технического решения:
- размещением конверсионной матрицы в проточном канале корпуса;
- выполнением конверсионной матрицы в виде съемного модуля, сопрягаемого с приточным концом корпуса;
- использованием раствора фосфатного буфера с рН 7,4-8,0 в качестве буферного;
- использованием в качестве субстрата α-тионафтилацетата, стабилизированного уксусной кислотой, фталоцианином кобальта и диметилсульфоксидом;
- использованием в качестве фермента карбоксилэстераза из зерен пшеницы и микронизированного силикагеля;
- выполнением приточного конца корпуса маркированным.
Наличие проницаемой для контролируемой среды конверсионной матрицы, расположенной перед слоем сорбента, выполненной на основе полимерных материалов, импрегнированной раствором, содержащим ионы серебра и фтора, и использование карбоксилэстеразы растительного происхождения в качестве фермента обеспечивает повышение чувствительности определения веществ фермент-тормозящего действия типа ФОП и ФОВ. Повышение чувствительности обусловлено тем, что использование конверсионной матрицы обеспечивает конверсию эфиров тио- и дитиофосфорных кислот, например вещества типа V-газы (ФОВ), метафоса, карбофоса (ФОП), в легколетучие и высокотоксичные соединения, что и позволяет обеспечить чувствительность обнаружения указанных ФОС на уровне фтор- и кислородсодержащих ФОС, а фермент растительного происхождения - карбоксилэстераза оказалась более чувствительна к указанным веществам. Выполнение конверсионной матрицы в виде съемного модуля расширяет функциональные возможности устройства, позволяя, в зависимости от решаемой задачи, изменять предел чувствительности определения контролируемых вредных веществ. Использование в качестве буферного раствора фосфатного буфера с рН 7,4-8,0; в качестве индикатора - водного раствора ароматического бисазокрасителя - дисульфида; в качестве субстрата - α-тионафтилацета, стабилизированного уксусной кислотой, фталоцианином кобальта и диметилсульфоксидом; в качестве сорбента - слоя крошки нейтрального стекла с иммобилизованным на его поверхности ферментом, использование в качестве фермента карбоксилэстеразы из зерен пшеницы и микронизированного силикагеля; в качестве экранирующего разделительного слоя - крошки фторопласта обеспечивает увеличение чувствительности по зарину и зоману практически в 100 раз. Выполнение приточного конца корпуса маркированным упрощает использование и исключает неправильное подключение устройства.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется схемными чертежами, представленными на фиг.1, 2.
На фиг.1 представлен схемный чертеж устройства для контроля вредных веществ с фермент-тормозящим действием (с конверсионной матрицей, размещенной в проточном канале корпуса).
На фиг.2 представлен схемный чертеж устройства для контроля вредных веществ с фермент-тормозящим действием (с конверсионной матрицей, выполненной в виде съемного модуля, сопрягаемого с приточным концом корпуса).
Устройство для контроля вредных веществ с фермент-тормозящим действием содержит прозрачный корпус 1 с проточным каналом 2 для прокачивания контролируемой среды с герметично закрытыми приточным 3 и отсасывающим 4 концами. Внутри канала 2 в направлении прокачивания расположены: индикаторный слой 5 сорбента, концентрирующий контролируемое вещество; экранирующий слой 6 из инертного материала; эталонный слой 7 сорбента; заключенная в ампулу субстрат-индикаторная система 8, обеспечивающая хромогенный эффект; заключенный в ампулу буферный раствор 9, обеспечивающий уровень рН ферментативной реакции. Фермент иммобилизован на поверхности сорбента (на чертеже не показано). Перед индикаторным слоем 5 расположена проницаемая для контролируемой среды конверсионная матрица 10 на основе полимерных материалов, импрегнированная раствором, содержащим ионы серебра и фтора. Приточный конец 3 корпуса 1 выполнен с маркировкой в виде двух колец и точки красного цвета. В качестве фермента использована карбоксилэстераза растительного происхождения. В отдельных случаях выполнения конверсионная матрица 10 может быть размещена в проточном канале 2 корпуса 1. В других случаях выполнения конверсионная матрица 10 может быть выполнена в виде съемного модуля, например, путем размещения матрицы в патроне с герметично закрытыми приточным 14 и отсасывающим 13 концами или со съемными крышкой и днищем (на чертеже не показаны). При использовании съемного модуля прозрачный корпус с проточным каналом и съемный модуль вскрывают с обоих концов и соединяют приточный конец 3 устройства и отсасывающий конец 13 съемного модуля встык либо с помощью гибкой трубки (на чертеже не показана). Предпочтительно, чтобы внутренний диаметр корпуса съемного модуля превышал внешний диаметр корпуса устройства на величину, достаточную для обеспечения плотного сопряжения корпуса съемного модуля с корпусом устройства. Внутри корпуса элементы 10, 5, 7, 8, 9 удерживаются стеклянными обтекателями 11 или стальным упором (на чертеже не показан) и фиксатором 12 из стальной проволоки. В качестве буферного раствора 9 используется фосфатный буфер с рН 7,4-8,0; в качестве индикатора субстракт-индикаторной системы 8 используется водный раствор ароматического бисазокрасителя - дисульфида; в качестве субстрата субстракт-индикаторной системы 8 - α-тионафтилацетат, стабилизированный уксусной кислотой, фталоцианином кобальта и диметилсульфоксидом; в качестве сорбента индикаторного и эталонного слоев - крошка нейтрального стекла с иммобилизованным на его поверхности ферментом, в качестве которого использована карбоксилэстераза из зерен пшеницы и микронизированный силикагель; в качестве экранирующего разделительного слоя 6 использована крошка фторопласта.
Устройство работает следующим образом.
-5
Принцип действия заявляемого устройства основан на адсорбции паров ФОВ и ФОП сорбентом индикаторного слоя 5 с последующим последовательным смачиванием слоев 7, 6, 5 ампульными растворами и визуальным наблюдением за переходом окраски слоев 5 и 7 от малиновой до фиолетовой. При наличии в анализируемой среде паров ФОВ и ФОП процесс перехода окраски от малиновой до фиолетовой на индикаторном слое 5 замедляется по сравнению с аналогичным переходом окраски на эталонном слое 7. При концентрации паров ФОВ более (2-5)·10 мг/л наблюдается сохранение малиновой окраски обоих слоев в течение двух и более минут в связи с полным прекращением гидролиза субстрата. При работе с устройством используют цветные образцы окрасок.
Для контроля окружающей среды на наличие вредных веществ с фермент-тормозящим действием типа ФОП (фосфорорганические пестициды) и ФОВ (фосфорорганические отравляющие вещества типа V-газов) трубку вскрывают с обоих концов, отсасывающим концом 4 со стороны ампулированного буферного раствора 9 подключают к насосу (на чертеже не показан) и прокачивают от 1 до 4,0 литров зараженного воздуха (в зависимости от предполагаемой концентрации контролируемого вещества) с концентрированием контролируемого вещества на индикаторном слое 5. После этого разбивают ампулу с буферным раствором 9 и встряхиванием или кратковременным прокачиванием смачивают слои 7, 6, 5. После 2-минутной выдержки разбивают ампулу с субстрат-индикаторным раствором 8, встряхиванием или прокачиванием смачивают слои 7, 6, 5 и наблюдают за реакцией цветового перехода в них. За счет экранирования эталонного слоя 7 от индикаторного слоя 5 инертным разделительным слоем 6 контролируемое вещество не попадает на слой 7, и он используется в качестве эталона. На эталонном слое 7 происходят гидролиз субстрата и взаимодействие продукта его гидролиза с индикатором, которое вызывает цветовой переход, в частности от малинового до фиолетового. На индикаторном слое 5 за счет фермент-тормозящего действия присутствующего там контролируемого вещества происходит замедление реакции гидролиза субстрата. При этом скорость реакции цветового перехода, в частности ее торможение, зависит от концентрации контролируемого вещества. Поэтому по времени перехода окраски индикаторного слоя 5 до окраски эталонного слоя 7 оценивают концентрацию контролируемого вещества в анализируемой среде. При прохождении контролируемой среды через конверсионную матрицу происходит превращение (конверсия) эфиров тио- и дитиофосфорных кислот, например вещества нервно-паралитического действия типа V-газы (ФОВ), метафоса, карбофоса (ФОП), в легколетучие и высокотоксичные соединения, что и позволяет обеспечить чувствительность обнаружения указанных ФОС на уровне фтор- и кислородсодержащих ФОС.
В таблице 1 приведены сравнительные данные о концентрациях ФОС, обнаруживаемых заявляемым изобретением (с конверсионной матрицей) и средством без конверсионной матрицы.
Использование в качестве фермента карбоксилэстеразы растительного происхождения позволяет повысить чувствительность обнаружения ФОС, являющихся эфирами фосфорной кислоты, содержащими атом кислорода или фтора у атома фосфора (зарин, зоман, дихлофос и другие ФОС).
В таблице 2 приведены результаты контроля вредных веществ, полученные с помощью заявляемого изобретения и устройства-прототипа.
Чувствительность определения веществ с фермент тормозящим действием с помощью заявляемого устройства превосходит чувствительность прототипа, в котором использована холинэстераза (эстераза животного происхождения из сыворотки крови лошади) почти в 100 раз, а увеличение времени сохранения индикационного эффекта (сохранение разницы в окраске индикаторного и эталонного слоев) в 3 и более раз, что обеспечивает более высокую надежность контроля ФОС.
Таблица 1
Наименование вещества
Обнаруживаемые концентрации ФОС в воздухе, мг/л
Средство обнаружения без конверсионной матрицы
Заявляемое устройство
Карбофос
10<sup>-2</sup>
10<sup>-5</sup>
V-газы
(3-5)×10<sup>-5</sup>
(3-5)×10<sup>-8</sup>
Дихлофос
(2-3)×10<sup>-5</sup>
(2-3)×10<sup>-5</sup>
Зарин, зоман
(3-5)×10<sup>-8</sup>
(3-5)×10<sup>-8</sup>
Таблица 2
Индикаторное средство
Порог чувствительности ФОС, мг/л
Общее время контроля, мин
Время сохранения индикационного эффекта, мин
Общее время контроля (обнаружения), мин
Аналог
(2-5)10<sup>-6</sup>
6-7
2
6-7
Заявляемое устройство
(3-5)10<sup>-8</sup>
7
более 6
6-7