Способ аналитического контроля ионов металлов
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
Г gr, °
I
i
Ф Э
CO
CO
4ьЭ О
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4937653/13 (22) 09.04.91 (46) 15.10.93 Бюл. NQ 37-38 (71) Московский химико-технологический институт имДИ.Менделеева (72) Черкасова ТА.; Вонский В.Е; Лейкин ЮА. (73) Московский химико-технологический институт имДИ.Менделеева (54) СПОСОБ АНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
ИОНОВ МЕТАЛЛОВ (57) Использование: область разработки экспресс(19) RÖ (11) (51) 5 G01N31 00 G01N31 02
G01N31 22 методов контроля ионов металлов в воде. Сущность применения: способ основан на ингибировании иммобилизованной на гранульном макропористом сополимере стиропа и дивинипбензопа арбузной уреазы ионами металлов и последующем кон— такте ингибированной уреазы с реакционной средой, в которую помещают твердофазный индуктор на основе прородных и синтетических полимеров, неорганических материалов. Окраску индикатора сравнивают с эталонной цветовой шкалой. 4 табл
2001398
Изобретение относится к разработке экспресс-методов контроля загрязнителей в питьевой и природной воде.
Известен способ обнаружения следа+ 2+ 2+ вых количеств металлов: Ag, Hg, Cu 5
Be, Мп и Mg после их разделения методом бумажной хроматографии в течение
4-6 ч. Хроматограмму сушат на воздухе, помещают между двумя листами бумаги, насыщенной буф аствором, сушат при
37 С, обрабатываЪт 0,01-0,02 -ным раствором фермента, через 10 мин обрабаты вают 0,1-0,2 М раствором кофермента, оставляют на 40 мин при 37 С в атмосфере водяных паров, После чего в УФ-свете мож- 15 но обнаружить зоны расположения металлов при обработке окрашенными агентами.
Предел обнаружения 1-40 мкг.
Однако данный способ трудоемок и длителен во времени. 20
Известен способ полуколичественного
2+ 2+ 2+ 2+ определения следов Zn Pb . Со, Си с помощью кубиков из полиуретана (размером 4 х 4 мм), пропитанных хромогенным реагентом. В качестве хромогенного реагента используют дитиокарбомат, дитизон, i-íèTðo-2-нафтол, бензоилацетон. Определение выполняют, встряхивая полимерный кубик с 1-2 мл исследуемого раствора в течение 2 мин. Изменение окраски кубика 30 сравнивают со шкалой, составленной из кубиков, окраска которых соответствует различной концентрации ионов металлов. Этим методом можно определить содержание
Zn, Pb2, Со2+, Cu2+ в широком лиапазоне 35 концентрации, например для Со : 0,3-5ОО мг/л.
Недостатком метода является непрочное удерживание хромогенного реагента и последующее загрязнение исследуемой во- 40 ды, а также невозможность количественного определения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ ферментативно-термисторного анализа воды на со- 45 держание ионов тяжелых металлов.
Способ основан на ингибировании уреазы ионами металлов. В колонку с соевой уреазой, иммобилизованной на стеклянных шариках, пропускают с определенной ско- 50 ростью 0,5 М раствора мочевины и записывают температурный пик. Затем через колонку пропускают исследуемый раствор металла, после чего опять пропускают 0,5 М раствор мочевины и опять записывают тем- 55 перагурный пик. Степень ингибирования выражают как отношение температурных пиков, полученных до и после ингибирования. имея зависимости ферментативной активности от концентрации металла, экстраполируют искомую концентрацию. Такой способ позволяет определять: 50 10 M
-б
Hg; 300 10 М Си; 40 40 M Ag
Причем увеличение чувствительности метода возможно путем варьирования количестBB иммобилиэованного фермента и время контакта.
К недостаткам метода следует отнести использование иммобилизованной на стеклянных шариках уреаэы. Такая система химически нестабильна, особенно для повторного использования, Применение термического датчика в качестве второго детектирующего элемента требует дополнительных мощностей и соответствующего аппаратурного оформления. Способ обладает невысокой чувствительностью, не пригоден для работы в полевых условиях, экстремальных ситуациях, его экспрессность лимитирована необходимостью стационарных условий эксплуатации, Цель изобретения — повышение чувствительности и экспрессности количественного определения ионов металлов в индивидуальных или смешанных растворах, Цель достигается тем, что согласно способу обнаружения ионов металлов, основанному на ингибировании иммобилизованной уреаэы, в качестве основного чувствительного элемента используют уреаэу (из невсхожих семян арбуза), иммобилиэованную на гранульном макропористом сополимере стирола и дивинилбензола, в качестве второго детектирующего элемента используют твердофазные индикаторы на основе природных или синтетических полимеров, а именно на основе целлюлозы, макропористого сополимера стирола и дивинилбензола; силохрома.
Иммобилиэованную на макропористом сополимере стирола и дивинилбензола уреазу помещают в исследуемый раствор и выдерживают 5-10 мин, вынимают, высушивают фильтровальной бумагой и помещают в раствор мочевины на 4-7 мин.
После этого вносят твердофазный индикатор. Окраску индикатора сравнивают с эталонной цветной шкалой, составленной для различных суммарных концентраций металлов или для различных концентраций индивидуального металла.
Согласно изобретению, уреаэа, выделенная иэ невсхожих семян арбуза, иммобилизованная на сополимере стирала и дивинилбензола, выпускается в промышленном исполнении на НПО "Биолар" Латвийской республики (марка "Б", ТУ
6-09-10-1785-86), она предназначена для применения в экспериментальной медицине в аппарате "Искусственная почка" и оп2001398
10
20
40
55 ределения мочевины в биологических растворах. Твердофазнь<е индикаторы на основе мэкропористого сополимерэ стиролэ и диоинилбензола двух марок выпущены на
НПО "Биоларн в 1990 г. в комплекте с цветными шкалами, предназначены для определения рН водных и органических растворов.
Время ингибирования 5-10 мин обусловлено тем, что при времени ингибирования меньше 5 мин снижается чувствительность метода. При времени ингибирования больше
10 мин идет только наращивание степени ингибирования и теряется экспрессность метода.
Приведение реакции гидролиза мочевины в течение 4 мин достаточно для образования количества аммония, вызывающего изменение рН соответственно изменение окраски индикатора. Проведение реакции гидролиза мочевины в течение времени, меньшего 4 мин, неблагоприятно для сильного ингибирования уреазы, так как за более короткое время и родуцируется значительно меньшее количество аммония, изменение рН происходит незначительно и. 25 соответственно изменение окраски индикатора менее заметно, При проведении гидролиза мочевины за время, большее 7 мин, увеличивается продолжительность процесса, что снижает экспрессность метода;
Пример 1. Наоеску иммобилизованной уреазы массой 50 I помещают в 5 мл водного раствора АдГJOq с концентрацией ионов Ag 1,1 10 М и оыдерж<<оэют 5 мин.
+ Я
Уреазу отделяют фильтрованием, оысушивают фильтрооаль«ой бумагой и < вмещают в пробирку с 4,8 мл К -фосфатно<о буфера с рН 7,4; добавляют 0,2 мл 20 / -ного раствора мочевины, закрывают пробкои и выдерживают 5 мин, после че<о вносят 10 мг тоердофаэного индикатора на основе макропористого сополимерэ стирала и дивинилбензола. После этого <тде«тифицируют его окраску по этало««ой цветовой шкале. Для индикатора мор и ИЦ-БКП вЂ” зеленая окраска соотоегстоует концентрации ионов Ag 1,1 10 M/л. (Дл«ПДКо 10
М/л — цвет индикатора ярко.жел гь<й1, Пример 2. Навеску иммобилизова,<ной уреазы 50 мг помещают в 5 мл водного раствора Hg (NOg).. с конце;трэцией ионов
Hg 1,0 10 М/л и выдерживают 5 мин.
2+
Затем уреазу отделяют и «омсп,ают в пробирку с реакционной смесью кэк описано в примере 1. Закрывают пробкой, выдерживают 5 мин. вносят 10 мг тоердофазного целлюлозного индикатора ИЦ-НК и идентифицируют его окраску по эталонной цветной
2+ шкале. Для концентрации ионов Нд 1,С л10 М/л индикатор имеет светло-оранжевую окраску (для ПДКв -10 M/л — сирене-5 вую, исходный цвет индикатора в буфере— темно-вишневый).
Пример 3. Навеску иммобилиэо ванной уреазы 50 мг помещают в 5 мл водного раствора CuS04 с концентрацией ионов Си 1,0 10 М/л и выдерживают 5 мин. Далее поступают, как описано в примег+ ре1. Для концентрации ионов Си 1,0 10
М/л индикатор ИЦ-НК имеет темно-желтую окраску (для ПДКв — темно-розовая окраска (- 10 M/II), в буфере исходный цвет индикатора темно-вишневый).
Пример 4. Навеску иммобилизованной уреазы 50 мг помещают в 5мл водного раствора Ni (NQa)2 с концантрациаи ионов
Ni 1,0 10 М/л, а далее поступают как описано в примере 1. Индикатор ИП-КК имеет темно-коричневую окраску (для ПДКв— темно-оранжевую, в исходном буфере — ярко-желтую), Для времени ингибирования 3 мин порог чувствительности начинается с концентрации ионов Ni 1,0 10 5 М/л. Для
ei,емепи ингибирования 15 мин интенсиоI В гэбл. 1 приведены результаты анали<и"еского контроля индивидуальных растворов металлов в сравнении с прототипом, в табл 2 — примеры аналитического контроля суммарной дозы металлов для различных составов и концентрации смесей. в табл. 3 и 4 — результаты аналити <ескогп контроля <î <оо металлов в водопроводной и родниковой воды г. Москвы. KBK видно из табл, 1-3 г<редлагаемый способ позволяет значительно увеличить чувствительность и экспрессность способа аналитического ко«тролл кон«снтрации ионов металла и, особен< о, их I ДКо; контроля суммарной концентрации ионов металлов в смешанных растворах, питьевой и природной воде. Способ I«. требует до«о«< .еаь«ь<х мо<цностей. сложного ап;<э а у, н о оформления, дешев, просг, пр;.д,сматриоает многорэзооое использооа«ие детектирующих элементов, пригоден для работы в полевых условиях, экспедициях, экстремальных ситуациях. 2001398 Таблица 1 Отличительные признаки Второн детектирующий элемент Основнои чувствительный L элемент Уреаза, выделе ная из невсхожих семян арбуза, иммобилизованная на ма«ропористом сополимере стирала и диви. нилбенэола Количество иммобилизованной уреаэы на один анализ - 50 мг Суммарная активтианость на одно определение - 1.01 ФЕ. Способ Предлагаемый Твердофазный нерастворимыи индикатор на основе природны« или синтетических полиме ров. неорганических материалов. а именно на основе целлюлоз, силохрома илн ма«ропористого сополимера стирала и дивинилбензола Соевая уреаза. иммобилизованная на стеклянных шериках. Количество иммобилиэоеаннсй уреэзы на определение - 500 ° «r Суммарная активность в колонке - 1000 ФЕ. Термометрический датчик Прототип Термометрическии датчи« Соеваа уоеаза. иммобилизованная нв стеклянных шарикак Количество иммобилизоеанной уреазы на определение - 500 мг Суммарная активность в колонке 1000 ФЕ.! гроготнп (56jMaslowslta J, I/Chem, anal., 1987, ч, 32, М 5, р. 845-852, Broun T., Farad А,B. // Analitical chemistry acta, 1977, ч. 73, N. 2, р. 301-309. Mattlasson B„Danielson В., Hermascon С.// FEBC Lett.. 1978, ч. 85, р. 203. Основной чувствительный элемент - иммобилизованная на полимере уреаза - химически стабильна при хранении и эксплуатации, используется при анализе в малык количествак. Второй детектирующий элемент химически, меканически и термически стабильный индикатор многоразового действия с мгновенной регенерацией. Чувс ительность Н9 - 10 M/n: gu -10 М/n: Ag 10 М /n; Nl -10 М /л и т д.Позволяет экспрессно определять ПДКв металлов: суммарную или индивидуальную концентрацию металлов. Пригоден для работы е полеэнык условиях. в экспедицияк, в экстремальных ситуацияк Способ простой. быстрый и дешевый. Основной чувствительный элемент- иммобилизованная на стеклянны шарикак уреаза кимически нестабильна. не практична для многоразового использования. быстрее тернет ферментативную активность при хранении, используется для анализа в значительно большик количествах что дела Ет СпОСОб дОрОжв Brppun дЕтектирующий элементтермический датчик требует дополнительных мощностей и соответствующего аппэратурного оформления, не пригоден Anil работы а полевых условияк е экспедицияк, в экстремальных сигуацияк. его экспрессность ограничена, Тре бует стационарных условий эксплуатации. Способ обладает невысокой чувствительностью . по Hg -50 10 М/n Си 300 10 М/л; Я - 40 10 M/n 2001398 Таблица 2 Цвет индикатора ИЦ- НК Суммарная концентрация металлов в Состав раствора Пример растворе. М / л CI, МОз 1 10 1 1О 1 10 Темно-розовый Cd, Cu, Zn Са РЬг+ AIз+ анионы: SOn гБеж Желтый CH3COO Вишневый Сиреневыи Светло -коричневый Беж CH3COO, CI, NO3, ASO Горчичный Желтый Таблица 3 Цветная шкала составлена ля смеси: Cd, Cu, Zn, Са, Ag, Pb А! интервал концентраций: 10 - 10 Сб, Cu, 2п Са2 А РЬ2, А1, анионы: СНзСОО: S04 -, Cd, Cu, Zn Са2 А РЬ2 з+ з. анионы: SOa 0 (в исходном буфере ) 1 10 1 10 1 108 1 10 1 10 1 10 1 10 1 10 10 10 Темновишневый Вишневый Красный Розовый Темно-оранжевый Желтый 2001398 Таблица 4 Цвет индикатора Суммарная концентрация Ф металлов в воде, М /л Водопроводная вода для районов г, Москвы Горчичный (ИЦ - НК ), светло - коричневый (ИП - КК ) Горчичный (ИЦ- НК), светло - коричневый (ИП - КК) Зеленый (ИП - БКП ) 1.0 10 — 10 Гагаринский 10в- 109 Свердловский 1,0 10 Первомайский (Измайлово ) 1,0 10 Карминово - красный светлый (ИЦ- НК) Каширское шоссе Красная Пресня 1,0 10 - 10 ** Цветная шкала сравнения как в табл. 3 1Ф 2+ 2+ 2+ Точнее по цвету результат получен по шкале для смеси: Cd, Cu, Zn Са, РЬ, А! в интервале концентраций 10 - 10 M/ л. По шкале для смеси: Cd, Cu Zn Са, Pb . А! . Сг, Hg в интервале концентраций 10 - 10 М/л -б -Я Составитель И,Агафонова Редактор В.Трубченко Техред М.Моргентал Корректор И.Шмакова Заказ 3126 Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Формула изобретения 1. СПОСОБ АНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ИОНОВ метАллОВ, включающий взаимодействие иммобилизированной уреазы с исследуемым раствором с последующим определением концентрации ионов металлов с помощью второго детектирующего элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и экспрессности количественного определения ионов металлов в индивидуальных или смешанных растворах, в качестве фермента используют уреазу, выделенную иэ семян арбуза, иммобилизованную на гранульном макропористом сополимере стирола и дивинилбенэола, в качестве второго дете ктирую щего элемента используют твердофаэные индикаторы на основе природных и синтетических полимеров, неорганических металлов, а определение проводят по окраске индикатора в сравнении с эталонной цветовой шкалой при взаимодействии фермента с испытуемым раствором в течение 5 - 10 мин и контакте 10 ингибированного фермента с индикатором в течение 4 - 7 мин. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве твердофаэных индикаторов используют индикаторы на основе целлю15 лозы, макропористого conowMepa стирола и дивинилбензола или силохрома.
