Устройство и способ для определения токсичности жидких сред

Устройство и способ для определения токсичности жидких сред

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к определению токсичности и может найти широкое применение в аналитической практике при определении токсичности разнообразных жидких сред без привлечения дорогостоящих и трудоемких методов анализа. Более конкретно, изобретение относится к водной токсикологии и установлению токсичности водных сред и образцов. В частности, в настоящей заявке предложены набор и мультисенсор, способ калибровки мультисенсора, а также способ для качественного и количественного определения токсичности жидких образцов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Токсичность представляет собой свойство химических веществ проявлять повреждающее или летальное действие на живые организмы. Вещество, оказывающее токсическое действие, называется токсикантом, а процесс воздействия токсиканта на организм - токсикацией (на экосистему - токсификацией). Токсичность водной среды представляет собой токсичность воды и донных отложений для гидробионтов, возникающую вследствие появления в ней токсических веществ природного или антропогенного происхождения (ксенобиотиков), загрязнения сточными водами, токсическими атмосферными осадками и пр. Обычно степень токсичности водной среды оценивается методами биотестирования, факультативно с последующим определением ПДК (предельно допустимых концентраций) веществ с помощью стандартных методов аналитической химии. Биотестирование, т.е. определение токсичности с привлечением биологических объектов, как правило, используют до химического анализа, т.к. этот метод позволяет провести экспресс-оценку природной среды и выявить "горячие точки", указывающие на ее наиболее загрязненные участки. На участках, где методами биотестирования выявлены какие-либо отклонения и исследуемая среда характеризуется как токсичная, аналитическим путем устанавливают причины этого явления, определяя вид и концентрации конкретных токсикантов. Таким образом, вследствие сложного состава многокомпонентной системы биологическое тестирование играет главную роль на начальном этапе. Основной принцип биотестирования заключается в испытании действия проб воды на биологический организм - тест-объект (эквивалентно называемые также биосенсорами или биообъектами) его часть или сообщество организмов с известными и поддающимися учету характеристиками. В качестве тест-объектов рекомендован широкий круг организмов, охватывающий все группы биологического сообщества. В частности, предпочтительные тест-объекты представляют собой растительные и/или животные организмы, включая дафнии, инфузории, креветки, раки, менидии, морские ежи, моллюски, устрицы, водоросли, рыбу и др. В процессе биотестрирования определяют тест-функции, т.е. жизненную функцию или критерий токсичности для характеристики отклика тест-объекта на повреждающее действие среды. Тест-функции в зависимости от тест-объекта различны и могут представлять собой:

- выживаемость - для инфузорий, ракообразных, эмбриональных стадий моллюсков, рыб, насекомых;

- плодовитость, появление аномальных отклонений в раннем эмбриональном развитии организма, степень синхронности дробления яйцеклеток - для ракообразных, рыб, моллюсков;

- гибель клеток, изменение (прирост или убыль) численности клеток в культуре, коэффициент деления клеток, средняя скорость роста, суточный прирост культуры для культур одноклеточных водорослей и инфузорий;

- скорость прорастания семян, длина первичного корня и др. - для растений.

Из уровня техники известно множество изобретений, предлагающих различные варианты реализации устройств и приборов, включающих совокупность биологических объектов, а также способов для определения токсичности жидких образцов. Среди таких изобретений можно отметить следующие: SU 1507275, SU 1413525, US 2002137093, KR 20080013846, KR 20090013764. Однако все из вышеуказанных изобретений имеют недостатки, связанные с применением живых тест-объектов. К таким недостаткам, в частности, относятся: затраты, связанные с поддержанием биообъектов в рабочем состоянии (кормление, разведение, поддержание соответствующих внешних условий среды обитания); продолжительное время анализа составляющее от нескольких часов до нескольких суток; высокая стоимость одного измерения. Кроме того, ни один из тест-объектов не может служить универсальным индикатором, в равной степени чувствительным ко всем экологическим факторам, из-за видовой избирательности действия потенциальных токсикантов. С введением каждого дополнительного объекта надежность схемы испытаний повышается, однако бесконечное расширение ассортимента обязательных объектов невозможно.

В свою очередь, определение токсичности жидких сред, в частности водосодержащих проб и/или образцов, с привлечением по существу только физико-химических методов анализа из уровня техники не известно. Причина этого кроется в самом определении токсичности как меры влияния внешних условий на физиологические параметры живого организма - биосенсора, в то время как методы аналитической химии дают ответ на вопрос о качественном и количественном содержании индивидуальных химических компонентов в тестируемых пробах и образцах. Другими словами, токсичность отражает нарушение рабочего состояния биообъекта. В то же время поиск зависимости токсичности и химического состава измеряемого образца на практике представляется трудоемкой задачей.

Таким образом, анализ уровня техники позволяет сформулировать задачу настоящего изобретения, заключающуюся в обеспечении технических решений для определения токсичности водосодержащих сред, исключающих вышеуказанные недостатки.

В частности, было бы желательным обеспечить такую систему, которая, с одной стороны, обладала бы чувствительностью, сходной с чувствительностью биообъектов, а с другой стороны, была бы лишена недостатков, связанных с необходимостью их постоянного использования.

В частности, было бы желательным обеспечить такую систему для определения токсичности, которая, с одной стороны, имела бы чувствительность, сравнимую с чувствительностью биообъектов, а с другой стороны, обладала бы простотой и воспроизводимостью измерений, характерной для сенсоров, основанных на измерении физико-химических параметров. Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение свободного от вышеуказанных недостатков устройства, позволяющего определять токсичность водных проб и образцов без постоянного использования биообъектов и при этом обеспечивающего высокую чувствительность и воспроизводимость результатов. Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение способа определения токсичности жидких образцов с помощью указанного устройства.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен набор для определения токсичности жидкой среды, включающий:

- совокупность перекрестно-чувствительных сенсоров для получения сигналов, пропорциональных физико-химическим параметрам указанной жидкой среды; и

- данные калибровки указанной совокупности сенсоров, устанавливающие зависимость между значениями указанных сигналов и токсичностью, полученные на образцах жидкой среды с предварительно установленной токсичностью с применением по меньшей мере одного биообъекта.

Согласно одному варианту реализации указанная совокупность включает спектральный прибор.

Согласно одному варианту реализации указанная совокупность включает по меньшей мере два перекрестно-чувствительных сенсора.

Согласно одному варианту реализации указанные перекрестно-чувствительные сенсоры представляют собой два или более сенсора одного типа или разных типов, выбранных из группы, включающей вольтамперометрические сенсоры, потенциометрические сенсоры, полевые транзисторы, оптические сенсоры, потенциометрические сенсоры с лазерным сканированием, кварцевые пьезоэлектрические устройства, сенсоры на акустических волнах, сенсоры, работающие на основе метода поверхностного фотопотенциала.

Согласно одному варианту реализации жидкая среда представляет собой многокомпонентные водные или водно-органические суспензию, дисперсию, эмульсию или гомогенный раствор.

Согласно одному варианту реализации жидкая среда представляет собой воду из промышленных стоков, канализационную воду, воду открытых водоемов, грунтовую воду, талую воду, морскую воду.

Согласно одному варианту реализации жидкая среда представляет собой водную или водно-органическую вытяжку из твердого материала.

Согласно одному варианту реализации указанный биообъект выбран из растительных и/или животных организмов, включая дафнии, инфузории, креветки, раки, менидии, морские ежи, моллюски, устрицы, водоросли, рыбу.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен мультисенсор для определения токсичности жидкой среды, включающий:

- детектор для получения совокупности сигналов, пропорциональных физико-химическим параметрам указанной жидкой среды, соединенный с регистрирующим устройством для регистрации указанной совокупности сигналов детектора; и

- блок преобразования указанной совокупности сигналов детектора в характеристический сигнал с помощью методов многомерной обработки данных, позволяющий рассчитать токсичность указанной жидкой среды с использованием данных калибровки указанного детектора, устанавливающих зависимость между значениями сигналов детектора и токсичностью, полученные на образцах жидкой среды с предварительно установленной токсичностью с применением по меньшей мере одного биообъекта.

Согласно одному варианту реализации указанный детектор содержит совокупность перекрестно-чувствительных сенсоров.

Согласно одному варианту реализации указанный детектор представляет собой спектральный прибор.

Согласно одному варианту реализации указанная совокупность включает по меньшей мере два перекрестно-чувствительных сенсора.

Согласно одному варианту реализации указанная совокупность перекрестно-чувствительных сенсоров представляет собой два или более сенсора, выбранных из группы, включающей вольтамперометрические сенсоры, потенциометрические сенсоры, полевые транзисторы, оптические сенсоры, потенциометрические сенсоры с лазерным сканированием, кварцевые пьезоэлектрические устройства, сенсоры на акустических волнах, сенсоры, работающие на основе метода поверхностного фотопотенциала.

Согласно одному варианту реализации указанное регистрирующее устройство представляет собой устройство, выбранное из группы, включающей регистратор электрического сигнала, вольтметр, амперметр, измеритель импеданса, измеритель C-V характеристик, измеритель поверхностного фотопотенциала, кондуктометр, фотоэлектронные умножители (ФЭУ) или их комбинаций, при этом указанное регистрирующее устройство факультативно выполнено с возможностью передачи сигнала к электронно-вычислительной машине (ЭВМ).

Согласно одному варианту реализации указанная совокупность включает перекрестно-чувствительные сенсоры одного и того же типа.

Согласно одному варианту реализации указанная совокупность состоит из различных по типу перекрестно-чувствительных сенсоров.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен способ определения токсичности жидкой среды с помощью вышеуказанного мультисенсора, при этом указанный способ включает следующие стадии:

а) калибровку детектора с помощью представительного набора образцов жидкой среды с предварительно установленной токсичностью с применением по меньшей мере одного биообъекта с получением калибровочной модели;

б) детектирование совокупности сигналов, пропорциональных физико-химическим параметрам указанной жидкой среды, и их регистрацию с помощью регистрирующего устройства;

в) преобразование указанной совокупности сигналов в характеристический сигнал с помощью одного или более методов многомерной обработки данных;

г) подстановку значения характеристического сигнала в калибровочную модель с определением токсичности в указанной жидкой среде.

Согласно одному варианту реализации указанная калибровочная модель является воспроизводимой линейной зависимостью.

Согласно одному варианту реализации указанная калибровочная модель является воспроизводимой нелинейной зависимостью.

Согласно одному варианту реализации детектирование многомерного отклика осуществляют путем приведения во взаимодействие указанной совокупности сенсоров и указанной жидкой среды в течение периода времени от по меньшей мере 10 миллисекунд до 30 минут.

Согласно одному варианту реализации токсичность указанной жидкой среды определяют в единицах тест-функции биообъекта, использованного при калибровке.

Согласно одному варианту реализации метод многомерной обработки данных представляет собой один или несколько методов, выбранных из группы, включающей метод проекций на латентные структуры (PLS), метод главных компонент (РСА), регрессию по главным компонентам (PCR), мягкое независимое моделирование классовых аналогий (S)MCA), метод опорных векторов (SVM), искусственные нейронные сети (ANN), линейный и квадратичный дискриминантный анализ (LDA и QDA).

Согласно одному варианту реализации жидкая среда представляет собой воду из промышленных стоков, канализационную воду, воду открытых водоемов, грунтовую воду. талую воду, морскую воду.

Согласно одному варианту реализации указанный биообъект выбран из растительных и/или животных организмов, включая дафнии, инфузории, креветки, раки, менидии, морские ежи, моллюски, устрицы, водоросли, рыбу.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложен способ калибровки мультисенсора по любому из пп. 9-16, включающий

приведение во взаимодействие детектора поочередно с по меньшей мере двумя образцами жидкой среды с предварительно установленной токсичностью с применением по меньшей мере одного биообъекта, с получением совокупности сигналов в каждом из по меньшей мере двух жидких образцов, пропорциональных физико-химическим параметрам указанных по меньшей мере двух образцов, и регистрацию указанных сигналов с помощью регистрирующего устройства,

преобразование указанной совокупности сигналов, полученной в каждом из указанных образцов, в характеристический сигнал с помощью методов многомерной обработки данных:

построение калибровочной модели в единицах «токсичность образца, установленная предварительно с применением биообъекта (введено) - характеристический сигнал детектора (найдено)».

В результате реализации настоящего изобретения достигаются следующие преимущества по сравнению с решениями, известными из уровня техники:

- существенно увеличивается скорость определения токсичности за счет того, что анализ одного образца с помощью указанных набора или мультисенсора в соответствии с предложенным способом сокращается до нескольких минут в отличие от нескольких часов (суток) в случае определения токсичности с помощью биологических объектов; т.е. настоящее изобретение предполагает возможность обеспечения экспресс-анализа водных сред, проб и образцов;

- существенно упрощается определение токсичности за счет того, что биообъект не участвует в анализе и отсутствует необходимость его поддержания в рабочем состоянии (разведение, кормление, поддержание температурного режима и других параметров среды для обеспечения нормальной жизнедеятельности и прочее);

- определение токсичности может быть выполнено непосредственно на месте, т.е. вне лабораторных условий;

- существенно сокращается стоимость одного определения токсичности за счет снижения расходов на поддержание тест-объектов в рабочем состоянии.

Настоящее изобретение может быть использовано в промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении и других отраслях экономики или социальной сферы. В частности, изобретение найдет применение:

- при проведении токсикологической оценки промышленных, сточных бытовых, сельскохозяйственных, дренажных, загрязненных природных и прочих вод с целью выявления потенциальных источников загрязнения;

- в контроле аварийных сбросов высокотоксичных сточных вод;

- при проведении оценки степени токсичности сточных вод на разных стадиях формирования при проектировании локальных очистных сооружений;

- в контроле токсичности сточных вод, подаваемых на очистные сооружения биологического типа с целью предупреждения проникновения опасных веществ для биоценозов активного ила;

- при определении уровня безопасного разбавления сточных вод для гидробионтов с целью учета результатов биотестирования при корректировке и установлении предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ, поступающих в водоемы со сточными водами;

- при проведении экологической экспертизы новых материалов, технологий очистки, проектов очистных сооружений и пр.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 (а)- схема мультисенсора согласно одному из вариантов настоящего изобретения; (б) фотография мультисенсора согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг.2 - распознавание образцов с различной токсичностью мультисенсором согласно одному из вариантов настоящего изобретения (график распределения интрегральных откликов по главным компонентам РС1 и РС2).

Фиг.3 - вид калибровочной зависимости, полученной с помощью мультисенсора согласно одному из вариантов настоящего изобретения, построенной с применением метода PLS1 по результатам 8 образцов с предварительно установленной токсичностью с помощью Daphnia.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Термин «сенсоры», используемый в настоящем описании, представляет собой устройство, реагирующее (откликающееся) на определенные свойства окружающей его среды и позволяющее регистрировать этот отклик в виде соответствующего электрического оптического и др. сигнала.

Термин «совокупность сенсоров», используемый в настоящем описании, в общем случае относится к множеству сенсоров, объединенных друг с другом. Совокупность может представлять собой спектральный прибор либо состоять из по меньшей мере двух сенсоров. Предпочтительно совокупность содержит от 1 до 100 сенсоров, более предпочтительно от 1 до 50, предпочтительнее от 1 до 30 и наиболее предпочтительно от 1 до 10 сенсоров.

Термин «набор», используемый в настоящем описании, относится к системе, одним из элементов которой является совокупность сенсоров, а вторым элементом - данные калибровки указанной совокупности сенсоров в виде калибровочной модели/зависимости.

Термин «токсичность», используемый в настоящем описании, характеризует влияние среды на жизненные функции (тест-функции) живого организма, находящего в такой среде. К таким жизненным или тест-функциям живого организма относятся выживаемость, плодовитость, скорость размножения, скорость роста и другие характеристики его жизнедеятельности.

«Жидкая среда» согласно настоящему описанию представляет собой любую среду, обладающую характеристиками жидкости. Предпочтительно в рамках настоящего изобретения под жидкой средой подразумевают многокомпонентные водные или водно-органические системы, воду из различных бытовых и природных источников, вытяжки из твердых материалов и т.д.

Термин «перекрестно-чувствительный», используемый в настоящем описании применительно к сенсору, означает то, что указанный сенсор обладает чувствительностью к различным компонентам/веществам/соединениям/ионам среды, с которой его приводят во взаимодействие. Перекрестная чувствительность предполагает отсутствие селективности у указанного сенсора. В рамках настоящего изобретения термины «перекрестная чувствительность», «неселективность», «перекрестная реактивность», «низкая селективность», «частичная специфичность» и «глобальная селективность» являются взаимозаменяемыми и эквивалентными.

Термин «пропорциональный физико-химическим параметрам жидкой среды», используемый применительно к сигналу сенсора, подразумевает наличие зависимости значения сигнала от определенного физико-химического параметра. Под физико-химическими параметрами следуют понимать любые физические и химические свойства среды, определяемые ее качественным и количественным компонентным составом. В частности, к физико-химическим параметрам относятся вязкость, плотность, диэлектрическая проницаемость, теплоемкость, теплопроводность, электропроводность, абсорбция, цвет, оптическая плотность, выход люминесценции, выход флуоресценции, текучесть, индуктивность, радиоактивность, концентрация компонентов среды и т.д.

Под терминами «биообъект», «биосенсор» и «тест-объект», используемыми в настоящем описании, взаимозаменяемо подразумеваются любые организмы из царства животных или растений, которые используют в данной области техники для определения токсичности жидких сред.

Термин «мультисенсор», используемый в настоящем описании, относится к устройству, включающему детектор, содержащий совокупность перекрестно-чувствительных сенсоров, регистрирующее устройство и блок обработки данных, полученных при взаимодействии детектора и жидкой среды. Мультисенсор может включать набор, определенный выше. Более подробно данное устройство раскрывается в нижеследующем разделе описания «осуществление изобретения».

Термин «калибровка», используемый в настоящем описании, предполагает проведение совокупности действий, направленных на установление зависимости величины токсичности, определенной с помощью биообъекта, и данными, полученными от совокупности перекрестно-чувствительных сенсоров в определенной жидкой среде.

Взаимозаменяемые эквивалентные термины «калибровочная модель» и «калибровочная зависимость» раскрывают взаимосвязь значений совокупности сигналов, полученных с помощью перекрестно-чувствительных сенсоров и токсичностью жидкой среды, определенной с помощью биообъекта. При этом указанная функциональная зависимость может быть как линейной, так и нелинейной.

Термин «представительный», используемый в настоящем описании в отношении набора образцов, по которым проводят калибровку совокупности сенсоров, соответствует такому набору образцов, количество которых необходимо и достаточно для определения токсичности жидкой среды, подлежащей определению в образце с неустановленной токсичностью.

Термин «характеристический сигнал» представляет собой единый сигнал, полученный после обработки совокупности сигналов мультисенсора в жидкой среде с помощью по меньшей мере одного многомерного метода обработки данных, при этом характеристический сигнал индивидуализирующий указанную жидкую среду и, в частности, ее токсичность.

Термин «воспроизводимый», используемый в настоящем описании, относится к любой характеристике, отклонение численного значения которой от среднего варьирует в интервале от 0 до 20%, предпочтительно от 0 до 10% и более предпочтительно от 0 до 5%.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен набор для определения токсичности жидкой среды, включающий:

- совокупность перекрестно-чувствительных сенсоров для получения сигналов, пропорциональных физико-химическим параметрам указанной жидкой среды; и

- данные калибровки указанной совокупности сенсоров, устанавливающие зависимость между значениями указанных сигналов и токсичностью, полученные на образцах жидкой среды с предварительно установленной токсичностью с применением по меньшей мере одного биообъекта.

Настоящее изобретение основано на неожиданном обнаружении того, что совокупность перекрестно-чувствительных сенсоров позволяет получать отклики, коррелирующие со значениями токсичности образцов, установленными с привлечением одного или нескольких биологических объектов (далее также используются эквивалентные понятия биообъект, тест-объект, биосенсор). Совокупность перекрестно-чувствительных сенсоров, будучи по меньшей мере единожды откалиброванной по образцам с установленной токсичностью с привлечением по меньшей мере одного биообъекта, позволяет впоследствии, на основе полученных данных калибровки, определять токсичность различных сред неограниченное число раз, тем самым исключая трудовые и экономические затраты, связанные с поддержанием биообъектов в рабочем состоянии (кормление, разведение, поддержание соответствующих внешних условий среды обитания), а также существенно увеличивает скорость определения токсичности с нескольких часов или суток до нескольких минут с сокращением общей стоимости анализа.

Получение данных калибровки, т.е. построение калибровочной модели/зависимости, и обработку сигналов, полученных от совокупности сенсоров, осуществляют с применением хемометрических методов, выбранных из группы, включающей метод проекций на латентные структуры (PLS), метод главных компонент (РСА), регрессию по главным компонентам (PCR), мягкое независимое моделирование классовых аналогий (S)MCA), метод опорных векторов (SVM), искусственные нейронные сети (ANN), линейный и квадратичный дискриминантный анализ (LDA и QDA). Эти методы хорошо известны специалистам в данной области техники (см., например, Н.Martens, Muttivariate Cafibration. Wi)ey, New York, 1989; К.Эсбенсен. Анализ многомерных данных. Изд-во Алтайского ун-та, Барнаул, 2003).

Таким образом, при анализе конкретной жидкой среды, пробы или образца вышеуказанный набор может быть использован для определения токсичности в единицах тест-функции биообъекта, используемого при калибровке. Необходимыми и достаточными условиями такого определения будут являться совокупность сенсоров, откалиброванных по образцам, токсичность которых была установлена с помощью указанного по меньшей мере одного биообъекта, а также данных калибровки или калибровочной модели, например, представленных в виде линейной зависимости в координатах «введено» - «найдено» или в виде матрицы коэффициентов, учитываемой определенным образом при расчете совокупности сигналов в исследуемом образце. Сущность калибровки с применением тест-объектов будет детальнее раскрыта ниже.

Под физико-химическими параметрами следуют понимать любые физические и химические свойства среды, определяемые ее качественным и количественным компонентным составом. В частности, к физико-химическим параметрам относятся вязкость, плотность, диэлектрическая проницаемость, теплоемкость, теплопроводность, электропроводность, абсорбция, цвет, оптическая плотность, выход люминесценции, выход флуоресценции, текучесть, индуктивность, радиоактивность, концентрация компонентов среды, а также любые другие свойства, поддающиеся измерению и зависящие от вышеуказанных параметров.

В общем, термин «сенсоры» означает первичное устройство, реагирующее (откликающееся) на определенные свойства окружающей среды и позволяющее регистрировать этот отклик в виде соответствующего электрического (оптического и др.) сигнала. Сенсоры в указанном наборе обладают воспроизводимыми аналитическими характеристиками и высокой перекрестной чувствительностью, которая понимается как чувствительность сенсора к содержанию (концентрации) по меньшей мере двух или более компонентов анализируемого раствора одновременно. Другими словами, перекрестно-чувствительный сенсор не является селективным относительно конкретного компонента в многокомпонентной системе. Хотя термин «перекрестная чувствительность» является общепринятым для описания свойств сенсоров в литературе, посвященной мультисенсорным системам, его однозначного и общепринятого определения до настоящего времени не предложено. Существует целый ряд терминов, описывающих аналогичное явление, и используемых как синонимы, например, неселективность, перекрестная реактивность, низкая селективность, частичная специфичность и даже глобальная селективность. Эти термины следует рассматривать в качестве эквивалентных при рассмотрении настоящего изобретения. Далее по тексту заявки будет использован термин «перекрестная чувствительность» как наиболее точно описывающий, по мнению авторов изобретения, данное явление.

Авторами настоящего изобретения был предложен свой эмпирический метод оценки перекрестной чувствительности, заключающийся в использовании трех параметров: среднего наклона электродной функции S, фактора воспроизводимости (стабильности) К и фактора неселективности F, описывающие чувствительность и воспроизводимость отклика сенсора, а также распределение его селективности по изучаемым компонентам раствора. Для расчета этих параметров используются экспериментальные данные, полученные при калибровочных измерениях с сенсором в индивидуальных растворах выбранного набора веществ (ионов) и для заранее определенного круга сенсорных материалов, перекрестная чувствительность которых будет изучаться. Даже самые «неселективные» сенсорные материалы не будут обладать чувствительностью ко всем ионам в растворе, а, скорее, только к определенной группе веществ. Подробное описание метода оценки перекрестной чувствительности может быть найдено в работе Ю.Г.Власов, А.В.Легин, A.M.Рудницкая. ЖАХ. 52, №8, (1997) 837-842, включенной в настоящее описание во всей полноте при помощи ссылки. Важно отметить, что поскольку в рамках предложенного подхода не делается никаких априорных предположений о механизме отклика сенсоров, он может быть применен для оценки перекрестной чувствительности любых типов сенсоров, описываемых ниже.

Под совокупностью перекрестно-чувствительных сенсоров следует понимать по меньшей мере один или более сенсор, обладающий перекрестной чувствительностью к компонентам жидкой среды, токсичность которой определяют.

В частности, согласно одному варианту реализации совокупность может включать спектральный прибор. Указанный спектральный прибор позволяет получить индивидуальный спектр жидкого образца среды. В зависимости от качественного и количественного компонентного состава среды, его физико-химических параметров, частоты (длины волны) расположения пиков (линий), а также их интенсивности в спектре будут различными. Таким образом, проявляется перекрестно-чувствительный характер указанного сенсора. Авторами настоящего изобретения удалось найти корреляцию между расположениями линий в спектре, а также их интенсивностью, пропорциональные в свою очередь физико-химическим свойствами среды и токсичностью указанной среды. Перед определением токсичности жидкой среды спектрометр калибруют по образцам с предварительно установленной токсичностью с применением по меньшей мере одного биообъекта. Калибровка заключается в установлении зависимости между показаниями, регистрируемыми в спектре образца, и его токсичностью с применением биообъекта. В результате калибровки по нескольким представительным образцам получают корреляционную воспроизводимую зависимость, позволяющую определять далее токсичность любого образца без привлечения соответствующего биообъекта.

Согласно одному варианту реализации в качестве указанного спектрального прибора может выступать спектрофлуориметр, позволяющий регистрировать спектры флуоресценции, возбуждения и поглощения. При флуориметрических исследованиях производится измерение спектральных характеристик возбуждения и/или испускания люминесценции исследуемых образцов в момент воздействия импульсов возбуждающего света. При фотометрических исследованиях проводятся измерения спектральных характеристик поглощения зондирующего излучения в анализируемых образцах. Спектральные области в каналах возбуждения и регистрации люминесценции флуориметра задаются встроенными светосильными монохроматорами. Предпочтительно, монохроматоры управляются независимо. При измерениях возможно запрограммировать любую функцию их состояний, в частности, можно проводить синхронное сканирование спектров в различных спектральных областях. Управление прибором осуществляется от внешнего компьютера либо со встроенной клавиатуры. В частности, в качестве вышеуказанного спектрального прибора в наборе для определения токсичности можно использовать спектрофлуориметр «Панорама» компании ООО «Люмэкс».

Согласно еще одному варианту реализации изобретения перекрестно-чувствительные сенсоры представляют собой два или более сенсора одного типа или разных типов, выбранных из группы, включающей вольтамперометрические сенсоры, потенциометрические сенсоры, полевые транзисторы, оптические сенсоры, потенциометрические сенсоры с лазерным сканированием, кварцевые пьезоэлектрические устройства, сенсоры на акустических волнах, сенсоры, работающие на основе метода поверхностного фотопотенциала. Однако необходимо отметить, что типы сенсоров, составляющих совокупность в наборе, не имеют существенного значения с точки зрения их внешнего воплощения. Существенным условием является перекрестная чувствительность каждого из них к нескольким химическим компонентам. При этом перечень компонентов, относительно которых сенсоры проявляют перекрестную чувствительность, не является строго определенным и не может являться таковым в силу нескольких причин.

Не желая связываться какой-либо теорией, авторы настоящего изобретения предполагают, что для успешной реализации изобретения сенсоры должны обладать перекрестной чувствительностью к самым разнообразным компонентам. Например, к таким предельно допустимым, концентрации которых указаны в различных нормативных документах, определяющих загрязнение водных объектов, а следовательно, прямо или косвенно влияющих на параметры жизнедеятельности биологических объектов, т.е. на токсичность (см., например, перечень ПДК, приведенный в ГН 2.1.5.1315-03 - ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования от 19.05.2003). Более конкретно, к таким компонентам относятся, во-первых, ионные компоненты, в том числе катионы тяжелых металлов, такие как катионы Zn, Cd, V, Sn, Pb, Cu, Fe, Co, Mn, Hg, As, актиноидов и лантаноидов, а также различные анионы - NO₃ ^-, SO₄ ^2-, S^2-, CI^-, F^-, I^-, NO^2- и др. Важно учитывать, что на токсичность могут влиять даже вполне безобидные вещества, например пищевые, ПДК которых существенно превышены. Во-вторых, к указанным компонентам относятся разнообразные неионные частицы, способные оказывать влияние как непосредственно на сам сенсор, так и косвенно на ионные формы, перекрестная чувствительность к которым проявляется конкретным сенсором. Типичный пример - разнообразные нефтепродукты, которые зачастую не обладают ионным характером, а также в большинстве своем представляют собой неполярные органические соединения. В-третьих, к таким компонентам относятся разнообразные вещества, которые имеют физический характер влияния на отдельно взятый сенсор. Например, к указанной группе могут относиться вещества, адсорбирующиеся на поверхности сенсоров, такие как ПАВ, гуминовые кислоты, эфиры жирных кислот, изменяющие отклик сенсора вследствие взаимодействия с его поверхностью. К указанным веществам также относятся широко известные токсиканты окружающей среды, пестициды, биоциды и др.

Перекрестная чувствительность указанной совокупности сенсоров позволяет получить уникальный отклик массива сенсоров даже при незначительном изменении одного из компонентов сложной системы, а, следовательно, обеспечить оптимальное соответствие сигналов совокупности сенсоров и биообъекта в системе. Специалисту в данной области техники будут очевидны различные сенсоры, обладающие перекрестной чувствительностью, а соответственно, потенциально пригодные для определения токсичности жидких сред.

Предпочтительно, указанные сенсоры представляют собой сенсоры, включающие полимерную мембрану, содержащую активный компонент (ионофор), нанесенную на преобразователь (трансдьюсер). Полимерную мембрану изготавливают путем смешения подходящих полимера, пластификатора и ионофора в приемлемом растворителе, с последующим высушиванием смеси в течение достаточного количества времени и механической модификацией застывшей пленки для придания необходимых геометрических размер