Способ создания биосенсора для определения паров фенола в воздухе

Способ создания биосенсора для определения паров фенола в воздухе

Реферат

Изобретение относится к аналитической химии органических соединений и может быть применено при анализе паров фенола в воздухе рабочей зоны.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ создания модификатора электродов пьезокварцевого резонатора для определения паров анилина, фенола, толуола и толуидинов /Коренман Я.И., Кучменко Т.А., Страшилина Н.Ю., Раякович Л., Антонович Д. "Способ создания модификатора электродов пьезокварцевого резонатора для определения паров органических веществ в воздухе". Пат. 2163374 Россия, Югославия, МПК С 17 G 01 N 27/12, Н 01 L В 01, опубл. 20.02.2001, бюл. №5/.

Недостатком способа является низкая чувствительность покрытий пьезорезонатора при определении концентрации фенола в газовой фазе и длительность анализа.

Технической задачей изобретения является разработка биосенсора для определения паров фенола в воздухе, повышение чувствительности, точности и экспрессности анализа.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе создания биосенсора для определения паров фенола в воздухе, включающем приготовление модификатора, нанесение его на тензочувствительную область пьезорезонатора, сушку, отличающемся тем, что в качестве модификатора применяют смесь ацетонового раствора Тритона Х - 100 и экстракта мицелия вешенки обыкновенной (Pleurotus ostreatus) в объемном соотношении 1:1 с общей массой модификатора 10-15 мкг, причем масса навески мицелия вешенки составляет 8-10 г, в качестве экстрагента применяют ацетон, сушку готового биосенсора осуществляют при температуре 25-30°С.

Положительный эффект по предлагаемому способу достигается за счет того, что в качестве активной части модификатора применяют экстракт вешенки обыкновенной, в составе экзоферментов которой присутствуют кислые полисахариды, обуславливающие сорбцию фенола за счет образования водородной связи, и окислительные ферменты, катализирующие электронное окисление ароматических субстратов кислородом воздуха.

Технический результат заключается в повышении чувствительности пьезосенсора при определении концентрации фенола, ускорение и снижение суммарной погрешности анализа.

Способ осуществляется по следующей методике. Биосенсор формируют на основе экстракта вешенки и Тритона Х - 100. Для этого применяют высушенный мицелий гриба, сохраняющий активность в течение нескольких месяцев. Готовят насыщенный экстракт из мицелия вешенки: взвешивают 8-10 г мицелия, помещают в колбу вместимостью 50 мл и доводят до метки ацетоном. Масса пленки сорбента на основе индивидуального экстракта вешенки составляет 4-6 мкг (концентрация экстракта вешенки в пленке 0,40-0,60 мкг/мкл). Применение ацетона в качестве экстрагента не вызывает денатурацию белка с соответствующей потерей активности. Полученный экстракт, содержащий частицы мицелия, выдерживают в затемненном помещении в течение суток при температуре 20-25°С (для полного извлечения биологически активных веществ с поверхности клеток). Затем из полученного концентрата микрошприцем отбирают 10 мкл биологически активной жидкости, для стабилизации биоконцентрат смешивают с ацетоновым раствором Тритона Х - 100 в объемном соотношении 1:1. Приготовленный смешанный биомодификатор микрошприцем наносят на электроды пьезокварцевого резонатора АТ-среза с алюминиевыми электродами и собственной частотой колебаний 8-10 МГц так, чтобы масса полученного биосенсора после сушки составляла 10-15 мкг. Сенсор сушат в эксикаторе при 25-30°С, в этих условиях разложение биомодификатора не происходит.

Сорбционную чувствительность смешанного биомодификатора к легколетучим органическим соединениям устанавливают на модельных газовых растворах паров фенола, бензола, толуола, аммиака, ацетона, алифатических спиртов С₂-C₈, алкилацетатов С₂-С₅, ароматических аминов классификации чда.

Пробоотбор проводят методом дискретной газовой экстракции при комнатной температуре (20±3°С).

Установлено, что сенсор на основе смешанного биомодификатора проявляет высокую сорбционную чувствительность к парам ароматических соединений, особенно к фенолу. Чувствительность смешанного биомодификатора к фенолу значительно выше чувствительности сенсоров на основе некоторых других часто применяемых для его детектирования модификаторов (табл.1).

Сущность изобретения заключается в разработке смешанного биомодификатора пьезорезонатора, характеризующегося высокой чувствительностью к парам фенола, а также в расширении банка модификаторов, применяемых для его детектирования. Способ поясняется следующими примерами.

Пример 1 (по прототипу)

Готовят толуольные растворы полистирола и активных добавок, в качестве которых применяют триоктиламиноксид или триоктилфосфиноксид, так, чтобы общая масса модификатора после сушки составляла 6,5-8,5 мкг (отношение полистирола и активной добавки 3:1). Сенсор сушат при температуре 30-50°С для удаления избытка растворителя из пленки. Затем сенсор помещают в ячейку детектирования с инжекторным вводом пробы и экспонируют в парах фенола, результаты опроса сенсора приведены в табл. 2, способ осуществим.

Пример 2 (по заявляемому способу)

Формируют смешанный биомодификатор на основе экстракта вешенки и Тритона Х - 100. Для этого применяют высушенный мицелий гриба, сохраняющий активность в течение нескольких месяцев. Готовят насыщенный экстракт из мицелия вешенки: взвешивают 8 г мицелия, помещают в колбу вместимостью 50 мл и доводят до метки ацетоном. При этом масса пленки сорбента на основе индивидуального экстракта вешенки составляет 6,2 мкг (концентрация экстракта вешенки в пленке 0,60 мкг/мкл). Применение ацетона в качестве экстрагента не вызывает денатурацию белка с соответствующей потерей активности. Полученный экстракт, содержащий частицы мицелия, выдерживают в затемненном помещении в течение 48 ч при температуре 25°С (для полного извлечения биологически активных веществ с поверхности клеток). Затем из полученного концентрата микрошприцем отбирают 5 мкл биологически активной жидкости, смешивают для стабилизации биомодификатора с ацетоновым раствором Тритона Х - 100 в объемном отношении 1:1. Приготовленный смешанный биомодификатор наносят на электроды пьезокварцевого резонатора AT-среза площадью 0,2 см² и собственной частотой колебаний 10 МГц. Готовый сенсор сушат в эксикаторе при температуре 25°С (разложение биомодификатора исключается). Далее биосенсор помещают в ячейку детектирования с инжекторным вводом пробы и экспонируют в парах фенола, результаты опроса приведены в табл. 2, способ осуществим.

Пример 3

Биосенсор готовят аналогично примеру 2, изменяя массу навески мицелия вешенки от 8 до 15 г. Экстракт пересыщен, появляется муть. При формировании биосенсора на основе такого экстракта время сорбции фенола на поверхности смешанного биомодификатора увеличивается в 4 раза. Чувствительность определения остается постоянной, что объясняется изменением морфологии поверхности биомодификатора и затруднением сорбции плоской молекулы фенола с активными центрами биосорбента. Результаты опроса сенсора приведены в табл. 2. Способ осуществим.

Пример 4

Биосенсор готовят аналогично примеру 2, применяя для экстракции ферментов вешенки дистиллированную воду. Сенсор характеризуется нестабильным "нулевым" сигналом, низкой чувствительностью и значительной погрешностью определения концентрации фенола в газовой фазе по сравнению с известными модификаторами. Это объясняется растворимостью большинства ферментов вешенки в воде, переходом их в экстракт и, как следствие, снижением активности ферментов вешенки, которые проявляют высокое сорбционное сродство к ароматическим соединениям. Способ неосуществим.

Таблица 1Характеристики некоторых модификаторов, чувствительных к парам фенола (Сфен.=0,048 мг/м3)
Модификатор	Чувствительность S, Гц·м3/г	Время опроса τ, с	Время регенерации τ, с	Погрешность определения, %
тритон Х - 100	708	360	360-600	9,7
пчелиный клей	208	180	360-600	11,9
поливинилпирролидон	833	140	600-900	17,9
4-амино-антипирин с полистиролом	187	90	360-600	15,6
полиэтиленгликоль - 2000	979	120	360-420	13,5
полиэтиленгликоль адипинат	375	140	360-420	5,6
экстракт вешенки	645	10	5	27,3
экстракт вешенки с Тритоном Х - 100	1145	40	5-10	3,4
краун - эфир (дициклобензо-18-краун)	625	120	180-360	12,8

Таблица 2Примеры осуществления способа (Сфенола=0,048 мг/м3)
Номер примера	Аналитический сигнал, Гц	Чувствительность, Гц·м3/мг	Погрешность определения, %	Реализация способа
1	45	937	20,5	осуществим
2	55	1145	3,4	осуществим
3	56	1166	11,2	осуществим
4 экстрагент - вода	30	625	38,9	неосуществим

Таблица 3Сравнение заявляемого способа и прототипа (Сфенола=0,048 мг/м3)
Способ	Чувствительность S, Гц·м3/г	Δ, %	Время опроса τ, с	Время регенерации τ, с	Срок службы пленки, мес
Прототип	937	20,5	720	400-600	1-2
Предлагаемый	1145	3,4	40	5-10	2-3

Таким образом, из примеров 2-4, табл. 1-3 и чертежом следует, что положительный эффект при детектировании фенола в газовой фазе на заявляемом биомодификаторе достигается при применении смеси Тритона Х - 100 и экстракта мицелия вешенки обыкновенной в объемном отношении 1:1 с общей массой сорбента 10-15 мкг, при этом масса навески мицелия вешенки составляет 8-10 г, растворитель обоих модификаторов - ацетон, способ формирования пленок - смешанный, сушку готового биосенсора осуществляют при 25-30°С (пример 2).

При применении в качестве полимерной основы биомодификатора пчелиного клея, полистирола или поливинилпирролидона увеличивается погрешность определения концентрации фенола, снижается общая чувствительность анализа, изменение растворителя Тритона Х - 100 и экстрагента вешенки приводит к срыву автоколебаний пьезорезонатора; увеличение массы навески мицелия вешенки - к возрастанию общей продолжительности анализа, а уменьшение - к снижению чувствительности. С увеличением объемного соотношения экстракта вешенки в пленке возрастает разброс результатов эксперимента относительно среднего значения, увеличение объемного соотношения Тритона Х - 100 делает нецелесообразным применение экстракта вешенки вследствие низкой чувствительности готового сенсора. Изменение способа нанесения пленок вызывает самопроизвольное уменьшение массы биомодификатора, а формирование сенсора на основе индивидуального экстракта вешенки ведет к недопустимому дрейфу "нулевого" сигнала. Изменение массы смешанного биомодификатора снижает метрологическую достоверность результатов эксперимента и добротность готового покрытия.

Разработанный смешанный биосенсор на основе смеси Тритона Х - 100 и экстракта мицелия вешенки характеризуется высокой чувствительностью к парам фенола, быстрым временем опроса, низкой погрешностью определения и может быть применен для детектирования паров фенола в воздухе.

Способ создания биосенсора для определения паров фенола в воздухе, включающий приготовление модификатора, нанесение его на тензочувствительную область пьезорезонатора, сушку, отличающийся тем, что в качестве модификатора применяют смесь ацетонового раствора Тритона Х-100 и экстракта мицелия вешенки обыкновенной (Pleurotus ostreatus)» в объемном соотношении 1:1 с общей массой модификатора 10-15 мкг, причем масса навески мицелия вешенки составляет 8-10 г, в качестве экстрагента применяют ацетон, сушку готового биосенсора осуществляют при температуре 25-30°С.