Прибор для определения тяжелых металлов в биологической жидкости

В данной работе разрабатывается прибор автоматизированный анализатор биологической жидкости, измеряющий (кислотность) рН, удельное сопротивление и вольтамперную характеристику и температуру. Данное устройство может иметь широкую область применения не только в медицинских учреждениях (поликлиниках, диспансерах), но и в лабораторных исследованиях экологического направления, как в стационарных, так и нестационарных условиях.

В настоящее время исследование биологических жидкостей (крови, мочи, слюны, фармацевтических препаратов) начинает играть все более значительную роль в медицинской диагностике для выявления различных заболеваний при обследовании пациентов и лабораторных исследованиях, в том числе и заболевания, которые вызывает наличие тяжелых металлов в организме человека.

К тяжелым металлам, которые обладают высокой токсичностью можно отнести свинец, ртуть, никель, медь, кадмий, цинк, олово, марганец, хром, мышьяк, алюминий, железо, селен, кремний и другие. Эти вещества широко используются в производстве, вследствие чего в огромных количествах накапливаются в окружающей среде и легко попадают в организм человека как с продуктами питания и водой, так и при вдыхании воздуха. Когда содержание тяжелых металлов в организме превышает предельно-допустимые концентрации, начинается их отрицательное воздействие на человека. Помимо прямых последствий в виде отравления, возникают и косвенные – ионы тяжелых металлов засоряют каналы почек и печени, чем снижают способность этих органов к фильтрации. Вследствие этого в организме накапливаются токсины и продукты жизнедеятельности клеток, что приводит к общему ухудшению здоровья человека.

В связи с этим в продаже появилось различное множество современных микропроцессорных анализаторов: рН метров (иономеров), кондуктометров, вольтамперометров. Однако проблема оснащения медицинских учреждений этих аппаратов стоит достаточно остро, поскольку не все больницы и поликлиники могут приобрести такой комплект приборов для полного обследования ввиду их дороговизны. Поэтому назрела проблема создания прибора, который совмещает в себе pH метрию, кондуктометрию и вольтамперометрию. Предъявим требования к разрабатываемому новому прибору: он должен быть удобным, модернизированным прибором качественного определения концентрации исследуемых параметров в биологической жидкости; должен состоять из современных конструкционных и электрических элементов, и иметь соединение с ноутбуком или ПК; также должен обладать экспресс-анализом за счет одновременной работы трех методов.

Возможности электрохимических методов при анализе биологических объектов и лекарственных препаратов: тяжелые металлы можно обнаружить в пределах от 0,5х10^-3 до 1,9х10^-9 г/мл в лекарственных препаратах, крови, моче, слюне, зубах и др. биосубстратах.

Возможность высокой точности измерений электрических параметров этих методов, малого энергопотребления, простоты управления, малого веса и доступной цены является основной целью разработки нового изделия. Данное устройство может иметь широкую область применения не только в медицинских учреждениях (поликлиниках, диспансерах), но и в лабораторных исследованиях экологического направления, как в стационарных, так и нестационарных условиях.

Задача исследования заключается в разработке функционального, конструктивного и схемотехнического решения основных блоков измерителя.

Прибор будет представлять собой переносимую конструкцию, выполненную в виде автономного блока и подключаемого к ноутбуку или персональному компьютеру. Конструктивно устройство состоит из двух основных частей: электронного блока и электрохимического датчика.

В электронном блоке источник поляризующего напряжения вырабатывает, во-первых, регулируемое постоянное напряжение, соответствующее начальному значению электродного потенциала (при кондуктометрическом режиме измерения), во-вторых, сканирующее напряжение (напряжение развертки), изменяющееся во времени в отрицательную по линейному закону с регулируемой амплитудой (при вольтамперометрическом режиме измерения).

Электрохимический датчик представляет собой:

- измерительный электрод (стеклянный электрод) и электрод сравнения (вспомогательный электрод) для измерений кислотности (рН). Разность потенциалов между ними и является информативным сигналом, характеризующим водородный показатель рН. Зависимость потенциала между электродами от концентрации ионов водорода в растворе электролита является линейной характеристикой;

- плоско-параллельные платиновые электроды для измерений электрической проводимости. Сопротивление раствора под внешним электрическим полем является информативным сигналом, характеризующим электропроводность биологических жидкостей. Зная график зависимости концентрации вещества от электропроводности можно найти его концентрацию;

- индикаторный электрод (платиновый электрод), вспомогательный электрод и электрод сравнения для измерений вольтамперной характеристики. Зависимость силы тока от приложенного линейно изменяющегося напряжения является информативным сигналом. Величина тока зависит от природы и концентрации электрохимических активных компонентов растворов.

- датчик температуры. Измерение температуры биологической жидкости осуществляется со всеми режимами измерения.

При измерении любого из этих электрических параметров в электрохимическую ячейку с биологической жидкостью (электролитом) индикаторные электроды из каждого метода (pH метрия, кондуктометрия и вольтамперометрия), с которыми предназначено проводить то или иное измерение, погружаются одновременно.

Измерительная плата электронного блока для такого объема измерений анализатора является основным элементом электрической схемы, она необходима: для управления работой и синхронизации всей измерительной схемы вместе с электрохимическим датчиком; для задачи программ выполнения всех измерительных процедур; для сохранения и выдачи результатов измерения кислотности, электропроводности, графика зависимости силы тока I от напряжения на экран ноутбука в соответствующих единицах измерений. Также измерительная плата должна задавать линейно изменяющееся поляризующее напряжение с определенной скоростью развертки и подавать сигнал в цифровом виде на источник поляризующего напряжения. Следовательно, для осуществления всех выше перечисленных функций измерительная плата должна обладать большой памятью ОЗУ и ПЗУ, быстродействием и точностью обработки информации.

Хасанов А. С.

«Казанский национальный исследовательский технический

университет им.А.Н.Туполева - КАИ»