На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


курсовая работа Разработка системы измерения токсичности водной среды

Информация:

Тип работы: курсовая работа. Добавлен: 04.12.2012. Сдан: 2012. Страниц: 12. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


Содержание 
 

 

       
Введение
       Постоянное возрастание антропогенной нагрузки на окружающую среду, в т.ч. в виде увеличивающихся объемов и номенклатуры загрязняющих веществ, обуславливает повышение требований, предъявляемых к методам и средствам контроля качества природной среды [1].
       Для повышения информативности и достоверности аналитического контроля токсичности, как правило, применяется сложное лабораторное оборудование, что приводит к высокой стоимости анализа, требует высококвалифицированного персонала, занимает много времени на проведение эксперимента. Биосенсоры, представляющие собой комбинацию селективного биохимического элемента с электронным датчиком, обеспечивают селективный анализ в режиме реального времени различных токсикантов и их смесей, исключая необходимость сложной пробоподготовки и использование больших количеств дорогостоящих аналитических веществ [4].
       Современные достижения технических наук и биотехнологий  позволили создать специализированные приборы и устройства – биодатчики и биосенсорные системы (БСС) для  решения актуальных природоохранных задач [2].
       Целью данной курсовой работы является разработка проектно-конструкторской документации биосенсорной полипараметрической системы для измерения токсичности водной среды.
       Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
    выполнить аналитический обзор методов и средств измерения токсичности водной среды;
    разработать и описать функциональную схему биосенсорной полипараметрической системы для измерения токсичности водной среды;
    выполнить построение электрической схемы биосенсорной полипараметрической системы в программной среде схемотехнического моделирования Micro-Cap 9.
    Теоретическая часть
      Основные  понятия
       Токсичность (toxicity) – cвойство химических веществ проявлять поверждающее или летальное действие на живые организмы. Вещество, оказывающее токсическое дейтствие, называется токсикантом, а процесс воздействия токсиканта на организм – токсикацией (на экосистему – токсификацией). По Н.С.Строганову, количественно токсичность вещества для отдельного организма определется как величина, обратная медианной летальной концентрации: Т = 1/LC50.
       Токсичность водной среды (toxicity of water environment) – токсичность воды и донных отложений для гидробионтов, возникающая вследствие появления в ней токсических веществ природного или антропогенного происхождения (ксенобиотиков), загрязнения сточными водами, токсическими атмосферными осадками и пр. При возникновении токсичности водной среды вода из среды, поддерживающей жизнь, становится средой, губительной для жизни. Степень токсичности водной среды оценивается методами биотестирования, а также по превышению ПДК (предельно допустимых концентраций) [5].
       Критерий  токсичности (индекс токсичности) – достоверное количественное значение тест-параметра, на основании которого делается вывод о токсичности воды. Среди тест-параметров наиболее часто используются выживаемость, плодовитость, подавление ферментативной и метаболической активности организмов.
       Биотестирование – проведение анализов по определению токсичности с помощью живых организмов. Результаты оперативно сигнализируют об опасном воздействии химического загрязнения на жизнедеятельность организмов, причем не по отдельным компонентам, а по их смесям, часто неизвестной природы и не выявляемых другими методами анализа токсических веществ [6].
      Биосенсорные  системы
       Биосенсорные  системы (БСС) создаются на основе согласования биологических и технических элементов, охваченных единым контуром управления. Этот подход предполагает учет специфики взаимодействия живого с различными конструкционными материалами, зондирующими излучениями и техническими факторами биоцидного действия (повреждающими живое).
       БСС представляют собой комбинированные  устройства, состоящие из двух взаимосвязанных  преобразователей – биохимического преобразователя (БХП) и измерительного преобразователя (ИП) (рисунок 1). Первый распознает информацию о составе сред и преобразует ее в изменение каких-либо свойств биообъекта, а ИП измеряет величину этой реакции [2].

       Условные  обозначения:
       БХП – биохимический преобразователь,
       ИП  – измерительный преобразователь.
      Биосенсорная система (БСС)
      Классификация биосенсоров
       В зависимости от типа преобразователя, биосенсоры классифицируют на оптические, акустические, калориметрические, термические и электрохимические. Электрохимические биосенсоры, в свою очередь, делят на потенциометрические, амперометрические и кондуктометрические.
       Значительная  часть оптических биосенсоров основаны на явлении поверхностного плазмонного резонанса и используют свойство золотых и других материалов, а именно то, что тонкий слой золота, нанесенный на имеющую высокий коэффициент преломления стеклянную поверхность может абсорбировать лазерный свет, создавая электронные волны (поверхностные плазмоны) на золотой поверхности. Это происходит только при определенном угле падения и длине волны падающего света и в такой степени зависит от поверхности золотого слоя, что присоединение аналита к биологическому рецептору на поверхности этого слоя генерирует заметный сигнал. Сенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса представляют собой сенсорный чип, который состоит из пластиковой кассеты, несущей стеклянную тарелку, одна сторона которой покрыта микроскопическим слоем золота. Эта сторона взаимодействует с оптической распознающей аппаратурой прибора. Противоположная сторона тарелки соединяется с жидкостной проточной системой. Растворенные в жидкости реагенты могут непосредственно контактировать с поверхностью тарелки. Эта сторона стеклянного сенсорного чипа может быть различными путями модифицирована, позволяя легко присоединять интересующие молекулы. Обычно она покрыта карбоксиметилдекстраном или подобным веществом.
       Свет  с фиксированной длиной волны  отражается от покрытой золотом стороны  чипа под углом полного внутреннего  отражения, и детектируется внутри прибора. Этот свет индуцирует исчезающую волну, которая проникает сквозь стеклянную тарелку в раствор вблизи её поверхности.
       Коэффициент преломления проточной стороны  сенсорного чипа прямо влияет на поведение  света, отраженного от покрытой золотом  стороны. Связывание веществ с поверхностью проточной стороны чипа влияет на коэффициент преломления, что можно зарегистрировать оптической аппаратурой; таким образом биологические взаимодействия могут быть измерены с высоким уровнем чувствительности.
       Другие  биосенсоры на основе исчезающей волны  были коммерциализированы с использованием волноводов, в которых константа распространения света через волновод изменяется при абсорбции молекул на поверхность волновода. Например, в двойной поляризационной интерферометрии используются два волновода, один из которых изолирован и является эталонным, а второй волновод непосредственно контактирует с исследуемым образцом. Сравнивая константы скорости распространения света в обоих волноводах, делают заключение о концентрации аналита.
       Другие  оптические биосенсоры основаны в основном на изменении в абсорбции или  флуоресценции соответствующего индикаторного  компонента и не нуждаются в полном внутреннем отражении. Например, разработан полностью функционирующий прототип прибора для определения казеина в молоке. Прибор основан на обнаружении изменений в абсорбции золотого слоя.[4] Широко используемый в молекулярной биологии исследовательский инструмент, ДНК-микрочип, может также считаться оптическим биосенсором.
       Электрохимические биосенсоры обычно основаны на ферментативном катализе реакции, в которой освобождаются или поглощаются электроны (используемые ферменты принадлежат к классу оксидоредуктаз). Биосенсор обычно включает в себя три электрода: электрод сравнения, рабочий и вспомогательный. На поверхность рабочего электрода наносят биологический материал, который специфически вступает в реакцию с аналитом. Заряженные продукты реакции создают на рабочем электроде потенциал, который отнимается от потенциала на электроде сравнения для получения выходящего сигнала. Применяется также измерение силы тока (в этом случае интенсивность потока электронов пропорциональна концентрации аналита) при постоянном потенциале или потенциал можно измерять при нулевой силе тока (это даёт логарифмический отклик). Нужно отметить, что на потенциал электродов влияет заряд их окружения, что часто используется. Более того, возможно прямое электрическое определение небольших пептидов и белков по характерному для них заряду, используя биологически модифицированные ион-селективные полевые транзисторы (ИСПТ).
       В пьезоэлектрических сенсорах используются кристаллы, которые эластически деформируются при воздействии на них электрического потенциала. Переменный потенциал при определённой частоте вызывает стоячую волну в кристалле. Эта частота в значительной степени зависит от эластичных свойств кристалла, поэтому, если кристалл покрыт биологическим распознающим элементом, присоединение большого количества аналита к рецептору приведет к изменению резонансной частоты, что и служит сигналом о связывании.
       Термические и магнитные биосенсоры практически не распространены.
      Методика экспрессного определения токсичности воды
       Методика  основана на определении изменения  интенсивности биолюминесценции генно-инженерных бактерий при воздействии токсических  веществ, присутствующих в анализируемой пробе, по сравнению с контролем. Люминесцентные бактерии оптимальным образом сочетают в себе различные типы чувствительных структур, ответственных за генерацию биоповреждений (клеточная мембрана, цепи метаболического обмена, генетический аппарат), с экспрессностью, объективным и количественным характером отклика целостной системы на интегральное воздействие токсикантов. Это обеспечивается тем, что люминесцентные бактерии содержат фермент лю-циферазу, осуществляющую эффективную трансформацию энергии химических связей жизненно важных метаболитов в световой сигнал на уровне, доступном для экспрессных и количественных измерений.
       Критерием токсического действия является изменение  интенсивности биолюминесценции тест-объекта  в исследуемой пробе по сравнению с таковой для пробы с раствором, не содержащим токсических веществ. Уменьшение интенсивности биолюминесценции пропорционально токсическому эффекту [6].
       Острое  токсическое действие исследуемой  воды на бактерии определяется по ингибированию  их биолюминесценции за 30-ти минутный (в экспрессном варианте – 5 минут) период экспозиции. Количественная оценка параметра тест-реакции выражается в виде безразмерной величины – индекса токсичности «Т», равной отношению Т = 100 (I0-I)/I0, где I0 и I соответственно интенсивность свечения контроля и опыта при фиксированном времени экспозиции исследуемого раствора с тест-объектом. 

       Методика  допускает три пороговых уровня индекса токсичности:
    допустимая степень токсичности: индекс токсичности Т меньше 20;
    образец токсичен: индекс Т равен или больше 20 и меньше 50;
    образец сильно токсичен: индекс токсичности Т равен или более 50.
      Методика  определения токсичности воды по смертности и изменению плодовитости дафний
       Методика  основана на определении смертности и изменений в плодовитости дафний (Daphnia magna Straus, Cladocera, Crustacea) при воздействии токсических веществ, присутствующих в исследуемой водной среде, по сравнению с контрольной культурой в пробах, не содержащих токсических веществ (контроль).
       Острое  токсическое действие растворов отдельных химических веществ, исследуемой воды или водной вытяжки из почв, осадков сточных вод и отходов на дафний определяется по их смертности (летальности) за определенный период экспозиции. Критерием острой токсичности служит гибель 50 % и более дафний за 96 часов в исследуемой воде при условии, что в контрольном эксперименте гибель не превышает 10 %.
       В краткосрочных экспериментах по определению острого токсического действия устанавливают:
    острую токсичность или среднюю летальную концентрацию отдельных веществ (кратность разбавления вод или водной вытяжки из почв, осадков сточных вод и отходов, содержащих смеси веществ), вызывающую гибель 50 % и более тест-организмов (ЛК50-96, ЛКР50-96);
    безвредную (не вызывающую эффекта острой токсичности) концентрацию отдельных веществ (кратность разбавления вод или водной вытяжки из почв, осадков сточных вод и отходов, содержащих смеси веществ), вызывающую гибель не более 10 % тест-организмов (БК10-96, БКР10-96).
       Хроническое токсическое действие растворов отдельных химических веществ, исследуемой воды или водной вытяжки из почв, осадков сточных вод и отходов на дафний определяется по смертности и изменению их плодовитости за период до 24 суток в исследуемой воде по сравнению с контрольным экспериментом. Критерием хронической токсичности служит гибель 20 % и более и (или) достоверное отклонение в плодовитости из числа выживших тест-организмов по сравнению с контрольным экспериментом [7]. 

 


    Практическая  часть
       Доступные в настоящее время биосенсоры основаны на использовании либо энергетического эффекта химической реакции, либо эффектов, связанных с изменением физических свойств (в частности, это могут быть эффекты выделения тепла и образования свободных носителей электрического заряда). При этом селективность биосенсоров ограничена воздействием многих побочных факторов, которые могут привести к таким же эффектам. В определенной мере, эту проблему можно решить путем создания полипараметрической биосенсорной системы с комбинированным датчиком, обеспечивающим преобразование эффектов биохимической реакции одновременно по нескольким выходным параметрам.
       Задача  разработки комбинированного датчика  тесно связана с реализацией  универсального модуля для преобразования выходных сигналов его чувствительных элементов, поскольку существует специфика выделения информативных параметров этих сигналов и их нормализации для представления результатов измерения в удобной для реализации форме [4].
      Основные  принципы построения биосенсорной измерительной  системы
       Регистрацию многих видов физических эффектов удобно осуществлять с помощью датчиков с выходным сигналом в виде пассивных электрических величин (параметров электрического импеданса) или в виде активной величины (электрического тока). Эти параметры могут быть измерены с очень высокой точностью с помощью компенсационно-мостовых измерительных устройств. В состав таких приборов входит генератор тестового сигнала, подаваемого на датчик, вторичный преобразователь выходного сигнала датчика и микропроцессорный базовый модуль на основе частично уравновешенного моста переменного тока с высокоразрядным аналого-цифровым преобразователем. Этот модуль через стандартный интерфейс подключается к персональному компьютеру со специальным программным пакетом верхнего уровня, который обеспечивает сбор, обработку и накопление поступающих данных.
       Благодаря применению эффективных способов выделения и обработки информативного сигнала, такие комплексы обладают очень высокой чувствительностью, а также простотой интеграции, как со многими видами электронных датчиков, так и с компьютерными информационными системами.
       На  данной основе реализованы импедансометрические системы с биоэлектронными датчиками, использующими тепловые и электрохимические эффекты биохимических реакций.
       Их  важными преимуществами по сравнению с другими видами биосенсорных систем являются: применение дифференциальных методов измерения для компенсации внешних воздействий на систему, обеспечивающих повышение ее чувствительности и точности; высокая степень унификации электронных аппаратных и программных средств; применение стандартных технологий при изготовлении аппаратуры и, как следствие, ее невысокая стоимость и пригодность к серийному производству; наличие надежного метрологического обеспечения применяемых методов измерений; портативность аппаратуры и простота ее эксплуатации. В то же время, при высокой чувствительности измерительной системы существует значительная вероятность возникновения погрешностей, обусловленных посторонними факторами, производящими эффект, аналогичный информационному сигналу. Существенное повышение метрологической надежности биосенсорных систем может быть достигнута применением двух и более селективных элементов, производящих комбинированный эффект, например, тепловой и электрохимический. Поскольку соотношение параметров такого эффекта известно, а одновременное наличие сопоставимых помех по каждой информативной составляющей комплексного выходного сигнала сенсора маловероятно, то с помощью корреляционной обработки этих составляющих возможно значительное повышение помехоустойчивости биосенсорной системы.
      Полипараметрический измерительный комплекс
       Для измерения концентрации различных  веществ, в том числе и токсических, наибольшее распространение получили амперометрические методы, поскольку  они отличаются большей чувствительностью и точностью, характеризуются линейностью выходного сигнала как функции концентрации аналита, простотой изготовления и низкой стоимостью. Недостатком амперометрических преобразователей является влияние побочных электроактивных соединений. Поэтому для повышения достоверности и точности анализа целесообразно комбинировать амперометрический датчик с преобразователем, работающим на другом физическом эффекте, например, тепловом, с помошью которого регистрируется изменение температуры в ходе биохимической реакции. По количеству локально выделяемого тепла можно судить о концентрации анализируемых веществ, которые являются диагностическими биохимическими показателями состояния организма или служат в качестве критериев состояния окружающей среды. Преобразование теплового эффекта в электрический сигнал возможно с помощью миниатюрного дифференциального датчика градиента температуры, изготовленного по тонкопленочной технологии.
       Для реализации был предложен полипараметрический  термо-амперометрический сенсор, содержащий дифференциальный термодатчик и электроды электрохимической ячейки. Его конструкция показана на рисунке 2.
       Технология  изготовления полипараметрического микроэлектронного  сенсора включала нанесение пленок Ті и Ni электронно-лучевым испарением (dТі=30 нм, dNi=0,3 мкм), при этом ток эмиссии составлял 120 мА, t = 2 мин. и 200 мА, t = 10 мин. соответственно. Необходимая топология системы электродов амперометрического датчика и датчика температуры формировалась с помощью фотолитографии. Металлические выводы и терморезистор защищали слоем Аl2O3, который наносился электронно-лучевым испарением изопирита при Iэ = 140 мА в течение 3 мин. 


       Условные  обозначения:
       1 – амперометрический датчик,
       2 – термодатчик,
       3 –ситалловая подложка.
      Конструкция полипараметрического микроэлектронного сенсорa
       В качестве вторичного преобразователя  дифференциального датчика температуры  может быть использована измерительная  цепь. В этом устройстве чувствительные элементы термодатчика включены в мостовую цепь на операционном усилителе по четырехзажимной схеме, что обеспечивает очень высокую точность измерений разницы их сопротивлений. Выходной сигнал моста снимается с помощью операционного усилителя и усиливается до необходимой величины. Генерирование напряжения питания мостовой цепи и обработка ее выходного сигнала производится аппаратурой базового модуля. В составе последнего имеется цифро-аналоговый преобразователь, который формирует сигнал уравновешивания моста. Описание структуры этого модуля применительно к термобиосенсорным системам. Функциональная электрическая схема амперометрической измерительной системы приведена на рисунке 3. 
 


       Условные  обозначения:
       1 – источник опорного напряжения для питания (ИЯ),
       2 – источник логометрического преобразования напряжения (Ux),
       3 – операционный усилитель с регулируемым сопротивлением в цепи обратной связи (Rос),
       4 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП),
       5 – буфер данных АЦП,
       6 – микропроцессорный контроллер (МПК),
       7 – регистр управления,
       8 – цифровое индикационное табло,
       9 – блок интерфейса,
       10 – клавиатура.
      Функциональная электрическая схема измерительной системы
       Система работает следующим образом. Под воздействием напряжения U0 в ИЯ возникает ток Ix, который протекает через входную цепь ОУ. Благодаря использованию специального ОУ с малыми входными токами в ветви обратной связи Rос протекает ток Iос, отличающийся от Ix на величину порядка 10-12А. Это обеспечивает высокую чувствительность измерительной схемы. Напряжение U= Iос. Rос преобразуется с помощью АЦП в код, соотнесенный с величиной опорного напряжения Uоп. Далее, этот код через буфер данных поступает в МПК, который обеспечивает передачу информации через блок интерфейса в персональный компьютер ПК. Изменение масштаба преобразования Ix и управление величиной U0 осуществляется через регистр управления с клавиатуры прибора либо по командам ПК, принимаемым через интерфейс.
       Персональный  компьютер оснащен программой верхнего уровня, которая обеспечивает обмен данными в измерительной системе. Эта программа с установленной периодичностью посылает запросы на обмен данными одному или поочередно нескольким таким приборам, которые выполняют функции измерительных терминалов системы с адресами от 001 до 255. Посылка–запрос имеет следующий формат: байт адреса передатчика (ПК), байт адреса приемника (терминал), команда управления режимом работы терминала, 3 байта данных, заносимых в регистр управления прибора, код конца посылки.
       Если  терминал произвел измерение и подготовил данные к передаче в ПК, из терминала передается посылка – ответ в следующем формате: байт адреса передатчика (терминал), байт адреса приемника (ПК), подтверждение команды управления режимом работы прибора (повторение принятой команды), 4 информационных байта, байт состояния регистра входных логических сигналов управления прибором (клавиатура, сигналы перегрузки и т.п.), байт конца посылки.
       Возможность измерений одним и тем же терминалом в разных режимах под управлением программы верхнего уровня можно использовать для построения комбинированной термоамперометрической измерительной системы (рисунок 4). В этой системе имеется дифференциальный термосенсор (St) и электрохимическая измерительная ячейка (ЭХИЯ). В режиме термоизмерений на термосенсор подается синусоидальный измерительный сигнал (Ur) через коммутатор К1.
       На  мостовую измерительную цепь (МИЦ) в этом режиме подается регулируемый с помощью ЦАП синусоидальный уравновешивающий сигнал Uур. Выходной сигнал мостовой цепи, пропорциональный измеряемой разнице температур, подается через коммутатор К2 на вход АЦП.
       В режиме амперометрических измерений с помощью того же ЦАП формируется сигнал U0 управления электрохимическим потенциалом (в виде напряжения постоянного тока). Выходной сигнал измерителя тока через коммутатор К2 поступает на вход АЦП. Регулирование коэффициента преобразования ИТ и переключения коммутатора К1 и К2 осуществляется сигналами регистра управления (Вых. РУ).

       Условные  обозначения:
       St – дифференциальный термосенсор,
       ЭХИЯ  – электрохимическая измерительная ячейка,
       МИЦ – мостовая измерительная цепь,
       РУ  – регистр управления,
       К1, К2 – коммутаторы.
      Термоамперометрическая измерительная система
 
 
 

       
Заключение
       Одним из параметров качества окружающей среды  является токсичность – основная характеристика вредности для живого. Особенно важным представляется контроль качества водной среды, от которой существенно зависит в целом функционирование биосферы и жизнедеятельности человека, в частности.
       Проведен  литературный обзор методов и  средств измерения токсичности  водных сред, в ходе которого установлено, что в настоящее время широкое распространение получили методы и средства контроля токсичности, основанные на использовании хемотаксиса (направленное перемещение под действием химических стимулов) инфузорий P. Caudatum [1]. Достижения цитологии, энзимологии, генетики создали фундамент биотехнологии – научного направления, позволяющего использовать живую материю (биообъекты) в качестве материала с известными свойствами для различных прикладных целей.
       Использование биообъектов в технических системах позволило повысить уровень информативности  получаемых сигналов от объекта исследования, так как любое живое вещество обладает более высокой чувствительностью к внешнему фактору воздействия, чем техническое средство [2].
       Путем комбинирования интегрального термоамперометрического  биосенсора и универсального преобразовательного модуля с управляющим программным обеспечением реализована биосенсорная полипараметрическая измерительная система для определения концентрации токсических веществ. Повышение помехоустойчивости достигается за счет использования двух и более физических эффектов биохимических реакций [4].
       Таким образом, синтез биологических объектов, способных обеспечить высокую чувствительность методов контроля и электронных технических средств, обеспечивающих высокую точность измерений и обработку получаемой измерительной информации, является современным способом построения методов и средств контроля водной среды для решения экологических задач [1].
 

       
Список  использованных источников
    Жданов  Д.Н., Ворошилов К.Ю. Биосенсорная система  контроля качества водной среды [Электронный ресурс]: Электронная библиотека образовательных ресурсов Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова. – Электрон. данные (1 файл). – Барнаул, 2007. – Режим доступа: http://elib.altstu.ru/elib/books/Files/pa2007_3/pdf/ 174jdanov2.pdf. – Загл. с экрана.
    и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.