Пристрій для експресного визначення рівня інтегральної забрудненості, вмісту токсичних органічних сполук та важких металів в об’єктах довкілля

Реферат: Пристрій для експресного визначення рівня інтегральної забрудненості, вмісту токсичних органічних сполук та важких металів в об'єктах довкілля, придатний для реєстрації рівня біолюмінесценції шляхом перетворення інтенсивності потоку квантів світлового випромінювання в цифровий код, який містить фотоелектронний перетворювач, оптичний вхід якого з'єднаний через прозоре віконце з світлоізольованим кюветним відсіком для розміщення змінної стандартної пробірки, де відбувається біохімічна реакція, цифровий блок, дисплей результатів вимірювання та блок живлення. Як фотоелектронний перетворювач використовують фотоелектронний помножувач з вихідним сигналом у вигляді електричного струму, що є пропорційним інтенсивності біолюмінесценції, який подають на вхід перетворювача струм/напруга зі змінним коефіцієнтом перетворення. Інформативний сигнал у вигляді напруги подається з виходу перетворювача струм/напруга на вхід аналого-цифрового перетворювача, на виході якого отримується цифровий код вихідного струму фотоелектронного помножувача, що через цифровий блок видається на дисплей пристрою та зовнішні пристрої у вигляді обробленого результату вимірювання, при цьому регулювання чутливості фотоелектронного помножувача здійснюється подачею напруги керування необхідної величини на контролюючий вхід фотоелектронного помножувача за допомогою регулятора напруги. UA 90605 U (12) UA 90605 U UA 90605 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до технології для визначення рівня інтегральної забрудненості, вмісту токсичних органічних сполук та важких металів в об'єктах довкілля, і може бути застосована для постійного експресного моніторингу рівня інтегральної забрудненості та вмісту особливо токсичних для живих організмів органічних сполук і важких металів в об'єктах довкілля, що дозволяє оцінити сукупну та специфічну (якісну та кількісну) токсичну дію органічних та неорганічних забруднювачів і їх сумішей. Відомо пристрій, придатний для реєстрації рівня біолюмінесценції шляхом перетворення інтенсивності потоку квантів світлового випромінювання в цифровий код [1], що містить фотоелектронний помножувач, оптичний вхід якого з'єднаний через прозоре середовище зі світлоізольованим відсіком, де розміщується біохімічний реактор. Проте цей стаціонарний пристрій, призначений для різноманітних досліджень в лабораторних умовах, є складним за конструкцією, має високу вартість, великі габарити та значне енергоспоживання, що виключає можливість його застосування для оперативних вимірювань на об'єктах контролю довкілля. Відомо також, вибраний як найближчий аналог, пристрій для реєстрації біолюмінесценції [2], що містить, як і прилад, що заявляється, фотоелектронний перетворювач, оптичний вхід якого з'єднаний через прозоре віконце з світлоізольованим кюветним відсіком, пристосованим для розміщення змінної стандартної пробірки, де відбувається біохімічна реакція, а також дисплей результатів вимірювання і блок живлення, при цьому аналоговий вихідний сигнал перетворювача трансформується в цифровий Корисна модель належить до пристрою, який використовується для визначення рівня інтегральної забрудненості, вмісту токсичних органічних сполук та важких металів в об'єктах довкілля, і може бути застосована для постійного експресного моніторингу рівня інтегральної забрудненості та вмісту особливо токсичних для живих організмів органічних сполук і важких металів в об'єктах довкілля, що дозволяє оцінити сукупну та специфічну (якісну та кількісну) токсичну дію органічних та неорганічних забруднювачів і їх сумішей. Відомо пристрій, придатний для реєстрації рівня біолюмінесценції шляхом перетворення інтенсивності потоку квантів світлового випромінювання в цифровий код [1], що містить фотоелектронний помножувач, оптичний вхід якого з'єднаний через прозоре середовище зі світлоізольованим відсіком, де розміщується біохімічний реактор. Проте цей стаціонарний пристрій, призначений для різноманітних досліджень в лабораторних умовах, є складним за конструкцією, має високу вартість, великі габарити та значне енергоспоживання, що виключає можливість його застосування для оперативних вимірювань на об'єктах контролю довкілля. Відомо також, вибраний як найближчий аналог, пристрій для реєстрації біолюмінесценції [2], що містить, як і прилад, що заявляється, фотоелектронний перетворювач, оптичний вхід якого з'єднаний через прозоре віконце з світлоізольованим кюветним відсіком, пристосованим для розміщення змінної стандартної пробірки, де відбувається біохімічна реакція, а також дисплей результатів вимірювання і блок живлення, при цьому аналоговий вихідний сигнал перетворювача трансформується в цифровий код, який відображується на дисплеї. При проведенні біохімічного аналізу в кюветний відсік почергово встановлюються пробірка з дистильованою водою, що слугує еталоном, та пробірка з досліджуваною пробою. В обидві пробірки добавляється розчин біосенсора. В результаті біохімічних реакцій в біосенсорах виникає люмінесценція. Потік світлових квантів, що утворюються при цьому, перетворюється перетворювачем фотоелектронним помножувачем у послідовність електричних імпульсів, середня кількість яких за певний час пропорційна інтенсивності світлового випромінювання. Ці імпульси на протязі фіксованого часу, що визначається таймером, поступають через ключ на вхід лічильника, який формує на своєму виході цифровий код, що відповідає рівню біолюмінесценції. Різниця рівнів біолюмінесценції в еталонній пробірці та в пробірці з пробою відповідає рівню токсичності проби. Ці дані підраховуються й порівнюються електронною схемою, а результат вимірювань видається на дисплей. Недоліками найближчого аналогу пристрою є використання фотоелектронного помножувача й електронної схеми, які побудовані на недосконалих принципах і застарілій елементній базі, що має наслідками складність конструкції, підвищені енергоспоживання, розміри та вагу приладу. Це обмежує можливості його застосування в польових умовах. Використання режиму підрахунку імпульсів обмежує діапазон вимірювань і збільшує рівень випадкової похибки та похибки від нелінійності функції перетворення внаслідок збігу в часі частини імпульсів, що має місце при збігу в часі світлових квантів на вході фотоелектронного помножувача. Головною перевагою використання біосенсорних систем у визначенні рівня інтегральної забрудненості, вмісту токсичних органічних сполук та важких металів, порівняно з традиційними хімічними методами, є, перш за все, визначення саме токсичних для живих систем 1 UA 90605 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 забруднювачів, в той час як традиційні методи дозволяють визначити лише їх загальний вміст без урахування біологічної токсичності. В основу корисної моделі поставлено задачу постійного експресного моніторингу рівня інтегральної забрудненості, вмісту токсичних органічних сполук та важких металів біосенсорними аналізаторами в об'єктах довкілля. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої для експресного визначення рівня інтегральної забрудненості, вмісту токсичних органічних сполук та важких металів в об'єктах довкілля, придатного для реєстрації біолюмінесценції, який містить фотоелектронний перетворювач, оптичний вхід якого з'єднаний через прозоре віконце з світлоізольованим кюветним відсіком для розміщення змінної стандартної пробірки, де відбувається біохімічна реакція, цифровий блок, дисплей результатів вимірювання та блок живлення, при цьому в пристрої як фотоелектронний перетворювач використовують фотоелектронний помножувач з вихідним сигналом у вигляді електричного струму, що є пропорційним інтенсивності біолюмінесценції, який подають на вхід перетворювача струм/напруга зі змінним коефіцієнтом перетворення, далі інформативний сигнал у вигляді напруги подається з виходу перетворювача струм/напруга на вхід аналога цифрового перетворювача, на виході якого отримується цифровий код вихідного струму електронного помножувача, що через цифровий блок видається на дисплей пристрою та зовнішні пристрої у вигляді обробленого результату вимірювання, при цьому регулювання чутливості фотоелектронного помножувача здійснюється подачею напруги керування необхідної величини на контролюючий вхід фотоелектронного помножувача за допомогою регулятора напруги. Використання фотоелектронного перетворювача з вихідним сигналом у вигляді електричного струму, що пропорційний рівню біолюмінесценції, у сукупності з перетворювачем струм/напруга та аналого-цифровим перетворювачем покращує лінійність функції перетворення пристрою в більш широкому діапазоні вимірювання і зменшує його випадкову похибку. Це дозволяє регулювати чутливість пристрою за рахунок зміни напруги на вході керування фотоелектронного перетворювача даного типу, що полегшує його калібрування і оптимальний вибір діапазону вимірювання. Розширенню діапазону вимірювання сприяє використання перетворювача струм/напруга зі змінним коефіцієнтом перетворення. Позитивний ефект досягається завдяки тому, що в пристрої, що заявляється, не виникає похибок при збігу в часі світлових квантів на його вході. Всі елементи вимірювального каналу, включаючи фотоелектронний помножувач даного типу, виготовляється з використанням мікроелектронних технологій, мають малі габарити й низьке енергоспоживання. Крім того, реалізація значної частини пристрою, що заявляється, може бути уніфікованою з вимірювальними приладами іншого призначення, що оптимізує виробництво пристроїв, зменшує їх вартість і дозволяє підключати до уніфікованих інформаційних систем. Пристрій, що заявляється, складається з модуля 1 фотоелектронного перетворювача та вимірювального модуля 2, при цьому перший з них містить біохімічний реактор 3, оптично пов'язаний з фотоелектронним перетворювачем (помножувачем) 4, струмовий вихід їх якого підключено до входу перетворювача 5 струм/напруга, а вхід керування підключено до виходу регулятора 6 напруги, що живиться, як і інші електронні вузли всього пристрою, від блока 7 живлення, який розташований у вимірювальному модулі, де також знаходяться аналогоцифровий перетворювач 8, вхід якого підключено до виходу перетворювача струм/напруга, цифровий блок 9, з'єднаний з ним цифровий дисплей 10, а також акумулятор 11, під'єднаний до входу блока живлення, при цьому цифровий блок з'єднаний шиною 12 з аналого-цифровим перетворювачем, а шиною 13 зовнішнього інтерфейсу він може бути підключений до зовнішніх пристроїв (персонального комп'ютера, принтера, накопичувача) (фіг. 1). Принципова схема пристрою, що заявляється, (фіг. 2) основана на використанні фотоелектронного помножувача 4 із струмовим виходом типу Р9858 фірми Hanamatsu, Японія. Через прозоре середовище оптичний вхід перетворювача з'єднаний з зоною біохімічної реакції в реакторі 3, а вихід під'єднаний до входу операційного підсилювача 13, який разом з перемикачем 14 резисторів 15 зворотного зв'язку представляє собою багатодіапазонний перетворювач струм/напруга 5. Чутливість фотоелектронного перетворювача регулюється подачею певного рівня напруги на його вхід управління від дільника 6 опорної напруги. Управління дільником напруги та коефіцієнтом передачі перетворювача струм/напруга може здійснюватись вручну або, при використанні потенціометрів та ключів з цифровим управлінням, - за допомогою цифрового блока пристрою. Модуль фотоелектронного перетворювача з'єднується з вимірювальним модулем через роз'єм 16. Конструкція модуля фотоелектронного перетворювача (фіг. 3) являє собою пластиковий корпус 17, що складається з основи та кришки, на лицьову панель якого виведені рукоятки 2 UA 90605 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 регулятора 6 напруги, перемикача 14 перетворювача струм/напруга 5, а також роз'єм 16 для підключення до вимірювального модуля. При управлінні чутливістю і діапазоном вимірювання за допомогою цифрового блока зазначені органи керування відсутні. Усередині корпусу 17 встановлений світлонепроникний корпус 18, розділений на відсіки. У двох середніх відсіках розташовані відповідно фотоелектронний помножувач 4 і оптично пов'язана з ним через вікно 19 і отвір 20 пробірка (флакон), що виконує функцію реактора 3, де відбувається біохімічна реакція. Перетворювач струм/напруга з перемикачем діапазонів знаходиться у відсіку фотоелектронного перетворювача, а регулятор чутливості - в сусідньому боковому відсіку. В іншому боковому відсіку розміщений роз'єм підключення до вимірювального модуля. У кришках корпусів 17 і 18 є отвори для установки пробірки (флакону) реактора 3 в реакторний відсік навпроти вікна 19 фотоелектронного помножувача. Для виключення попадання через ці отвори зовнішнього світла на пробірку і в середину корпусу 18, на кришці корпусу 17 встановлена з'ємна світлонепроникна кришка 21. Вимірювальний модуль виконаний у вигляді окремого блока, який підключається кабелями до модуля фотоелектронного перетворювача і (при необхідності) до комп'ютера. На лицьовій панелі вимірювального модуля встановлені дисплей і органи управління, в тому числі кнопки включення і відключення живлення. Пристрій працює таким чином. Флакон реактора 3 із сенсорним елементом витримують при температурі вимірювань 3 протягом 30 хв. Після цього знімають укупорку з флакону 3, додають до вмісту флакону 10 см дистильованої води, температура якої відповідає температурі вимірювань, та розчиняють вміст флакону; витримують флакон із розчиненим вмістом протягом 5 хвилин за температури вимірювань. З кришки корпусу 1 модуля фотоелектронного перетворювача (фіг. 3) знімають знімну світлонепроникну кришку 21. Флакон реактора 3 поміщають через отвори для установки флакону в кришках корпусів 17 і 18 в реакторний відсік навпроти вікна 19 фотоелектронного помножувача. Потім закривають кришку 21 на кришці корпусу 17 для виключення попадання зовнішнього світла на флакон реактора 3 і всередину корпусу 18. Після цього включають живлення пристрою відповідною кнопкою на вимірювальному модулі 2 (фіг. 1, 4) і на екрані цифрового дисплея 10 (фіг. 1) цього модуля отримують значення інтенсивності біолюмінесценції (контрольний зразок) сенсорного елементу, що міститься у флаконі реактора 3. Після отримання значення інтенсивності біолюмінесценції сенсорного елементу у присутності контрольного зразка пристрій виключають шляхом натискання кнопки відключення живлення на вимірювальному модулі. З кришки корпусу 17 (фіг. 3) знімають знімну світлонепроникну кришку 21. Із реакторного відсіку дістають флакон реактора 3. Закривають кришку 21 на кришці корпусу 17 для виключення попадання зовнішнього світла всередину корпусу 18. На наступному етапі отримують показник інтенсивності біолюмінесценції дослідного зразка. Для цього наступний флакон із сенсорним елементом (флакон реактора 3) витримують при температурі вимірювань протягом 30 хв. Після цього знімають укупорку з флакону реактора 3, 3 додають до вмісту флакону 10 см дослідного зразка, розчиняють вміст флакону; витримують флакон реактора 3 із розчиненим вмістом протягом 5 хвилин за температури вимірювань. З кришки корпусу 17 (фіг. 3) знімають знімну світлонепроникну кришку 21. Флакон реактора 3 поміщають через отвори для установки флакону в кришках корпусів 17 і 18 в реакторний відсік навпроти вікна 19 фотоелектронного помножувача. Потім закривають кришку 21 на кришці корпусу 17 для виключення попадання зовнішнього світла на флакон реактора 3 і у середину корпусу 18. Після цього включають живлення пристрою відповідною кнопкою на вимірювальному модулі 2 (фіг. 1, 4) і на екрані цифрового дисплея 10 цього модуля отримують значення інтенсивності біолюмінесценції сенсорного елементу за присутності дослідного зразка, що міститься у флаконі реактора 3. Після отримання значення інтенсивності біолюмінесценції сенсорного елементу у присутності дослідного зразка пристрій виключають шляхом натискання кнопки відключення живлення (фіг. 4) на вимірювальному модулі. З кришки корпусу 17 (фіг. 3) знімають знімну світлонепроникну кришку 21. Із реакторного відсіку дістають флакон реактора 3. Закривають кришку 21 на кришці корпусу 17 для виключення попадання зовнішнього світла у середину корпусу 18. Порівнюють отримані показники контрольного та дослідного зразків відповідно до параметру забруднювача, що визначається. Загальний вигляд розробленого пристрою (портативного біолюмінометру) наведено на фіг 4. В результаті застосування наведених технічних рішень пристрою, що заявляється, досягається більш широкий діапазон вимірювання та більш проста конструкція пристрою, зменшені енергоспоживання, габарити, вага та вартість, ніж у найближчого аналога - приладу "Біотокс-10М" (Росія) (табл.). 3 UA 90605 U Таблиця Порівняльна характеристика пристрою, що заявляється, з найближчим аналогом (прилад "БІОТОКС-10М") Параметр Розміри блока ФЕП, мм Розміри уніфікованого вимірювального модуля, мм Вага, кг Потужність споживання, Вт Відношення ширини повного діапазону вимірювання до рівня шумів Вартість, грн. 5 10 15 20 25 30 Пристрій, що заявляється Прилад "Біотокс-10м» 120 × 90 × 60 120 × 90 × 23 295 × 140 × 60 Не більше 0,5 Не більше 0,2 Не більше 2,0 Не більше 2 100.000.000/200 999.999/200 15000 45000 Таким чином, пристрій, що заявляється, забезпечує: визначення рівня інтегральної забрудненості; визначення вмісту токсичних органічних сполук; визначення якісного та кількісного вмісту важких металів в об'єктах довкілля; використання нативного досліджуваного зразка; можливість визначення кількості токсичних металів в загальному вмісті їх у зразку; швидкість проведення вимірювань (3-5 хв); можливість проведення аналізу в польових умовах; економічність; відсутність необхідності в висококваліфікованому персоналі. Перелік фігур креслень 1. Конструктивна схема розробленого високочутливого портативного біолюмінометру: 1 модуль фотоелектронного перетворювача, 2 - вимірювальний модуль, 3 - біохімічний реактор, 4 - фотоелектронний перетворювач (помножувач), 5 перетворювач струм/напруга, 6 - дільник напруги (регулятор чутливості), 7 - блок живлення, 8 - аналогово-цифровий перетворювач, 9 цифровий блок, 10 - цифровий дисплей, 11 - акумулятор, 12 і 13 - шини підключення до внутрішнього та зовнішнього пристроїв. 2. Принципова схема блока фотоелектронного перетворювача: 3 - біохімічний реактор, 4 фотоелектронний помножувач, 5 - перетворювач струм/напруга, 6 - дільник напруги, 13 операційний підсилювач, 14 - перемикач резисторів (перемикач діапазонів вимірювання), 15 резистори зворотного зв'язку, 16 - роз'єм. 3. Конструкція блока ФЕП: 3 - пробірка (флакон) із сенсорним елементом, 6 - регулятор чутливості, 14 - перемикач діапазонів вимірювання, 16 - роз'єм для підключення до вимірювального модуля, 17 - корпус пристрою, 18 - внутрішній світлонепроникний корпус, 19 вікно і 20 - отвір фотоелектронного помножувача, 21 - світлонепроникна кришка корпусу. 4. Загальний вигляд розробленого пристрою (портативного біолюмінометру): модуль фотоелектронного перетворювача та вимірювальний модуль. Джерела інформації: 1. Multilabel Tester "TRIATHLER", Hidex, Finland / http://www.hidex.com/media/8046/triathler2009.pdf 2. Прибор экологического контроля "Биотоке-ЮМ" / ТУ-446-У-028-00-ОТУ. - Сертификат RU.C.31.003.А № 21703. 35 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 Пристрій для експресного визначення рівня інтегральної забрудненості, вмісту токсичних органічних сполук та важких металів в об'єктах довкілля, придатний для реєстрації рівня біолюмінесценції шляхом перетворення інтенсивності потоку квантів світлового випромінювання в цифровий код, який містить фотоелектронний перетворювач, оптичний вхід якого з'єднаний через прозоре віконце з світлоізольованим кюветним відсіком для розміщення змінної стандартної пробірки, де відбувається біохімічна реакція, цифровий блок, дисплей результатів вимірювання та блок живлення, який відрізняється тим, що як фотоелектронний перетворювач використовують фотоелектронний помножувач з вихідним сигналом у вигляді електричного струму, що є пропорційним інтенсивності біолюмінесценції, який подають на вхід 4 UA 90605 U 5 перетворювача струм/напруга зі змінним коефіцієнтом перетворення; інформативний сигнал у вигляді напруги подається з виходу перетворювача струм/напруга на вхід аналого-цифрового перетворювача, на виході якого отримується цифровий код вихідного струму фотоелектронного помножувача, що через цифровий блок видається на дисплей пристрою та зовнішні пристрої у вигляді обробленого результату вимірювання, при цьому регулювання чутливості фотоелектронного помножувача здійснюється подачею напруги керування необхідної величини на контролюючий вхід фотоелектронного помножувача за допомогою регулятора напруги. 5 UA 90605 U 6 UA 90605 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7