Исследование влияния различных газов и летучих жидкостей на механические свойства пленок мицелия
Аннотация
Разработан алгоритм проведения исследований, включающий технологию получения пленок экстрактов мицелия на резонаторе на объемных акустических волнах и технологию создания газовой среды с заданной концентрацией. В результате проведенных исследований была изучена сорбционная чувствительность экстрактов мицелия высшего гриба шиитаке к парам различных летучих жидкостей и газов (ацетон, этилацетат, формалин, хлороформ, уксусная и соляная кислоты, гексан, 10% водный раствор аммиака). Результаты проведенных исследований показали, что существуют такие технологические приемы создания пленки мицелия, для которых после удаления паров по истечению некоторого времени резонансная частота и добротность резонатора возвращаются к исходному положению. Проведенная работа позволяет сделать вывод, что мицелиальные пленки являются весьма перспективным восстанавливающимся после воздействия новым материалом для селективных покрытий газовых электроакустических датчиков.
Ключевые слова: пленки мицелия, летучие жидкости, газы, газовые электроакустические датчики
В связи с проблемами охраны окружающей среды, экологического мониторинга вредных выбросов, экологической безопасности и здоровья населения России актуальна проблема разработки газовых датчиков. В настоящее время существует большое количество работ, в которых предлагается использовать в качестве таких датчиков акустоэлектрические устройства, в частности пьезоэлектрические резонаторы [1]. Основной проблемой в настоящее время является поиск чувствительных покрытий для таких датчиков, которые были бы селективны по отношению к конкретным газам [1,2].
Ранее экспериментально было установлено, что экстракты некоторых грибов проявляют высокую сорбционную чувствительность к парам фенола и воды. В результате проведенных работ на основе экстрактов высшего гриба Pleurotus ostreatus (вешенка обыкновенная) был разработан модификатор электродов пьезодатчика резонаторного типа, характеризующийся высокой чувствительностью к парам фенола в газовой фазе, быстрым временем опроса и допустимой погрешностью определения [2]. Однако исследования сорбционной чувствительности экстрактов этих грибов на разных стадиях их созревания до сих пор еще не проводились. Кроме того, ранее не исследовалась сорбционная чувствительность грибного мицелия к парам других летучих жидкостей и газов. Не исследовались также экстракты мицелия других высших грибов.
В связи с этим данная работа посвящена исследованию возможности использования в качестве чувствительного покрытия для акустоэлектронных датчиков плёнок, образующихся после испарения растворителя из экстрактов мицелия высших грибов.
Для определения акустических характеристик пленок из экстрактов мицелия необходимо было разработать методику их создания. Для проведения экспериментов использовались образцы мицелия базидиомицета Lentinus edodes (шиитаке). Эти образцы выращивались в синтетической среде культивирования по методике [2]. Экстракция из мицелия проводилась: 1) дистиллированной водой; 2) 96 об. %-ным этанолом; 3) водно-этанольной смесью с объёмным соотношением 1:1. В результате образцы представляли собой суспензию из мицелиальной массы и экстрагирующего материала.
Для проведения исследований на первом этапе была отработана технология создания составного резонатора, нагруженного пленкой экстракта мицелия. При проведении экспериментов использовался кварцевый резонатор промышленного типа с частотой ~3 МГц с продольным электрическим полем. На поверхность одного из его электродов при помощи мерной пипетки наносили 4 мкл раствора экстракта мицелия. Такое количество мицелия позволяло полностью покрыть электрод, и в то же время, излишки раствора не выходили за границы области металлизации. Затем резонатор выдерживался на воздухе в течение суток для высушивания экстракта и получения мицелиальной пленки. В результате на поверхности резонатора образовывалась тонкая, прозрачная пленка экстракта мицелия. Полученный составной резонатор использовался для дальнейших исследований.
Для проведения исследований сорбционной чувствительности этих пленок в лабораторных условиях было разработано специальное устройство, позволяющее создать газовую среду в отдельно взятом объеме (рис. 1).
Устройство состояло из стеклянного цилиндра 5, в объеме которого создавалась газовая среда. Один конец цилиндра заканчивался наружной резьбой для завинчивающейся крышки 6, а второй имел металлическую часть 7 с внутренней резьбой для соединения с основанием резонатора 1. Из основания 1 выходили концы электродов 3 для соединения с измерительным прибором. Особое внимание уделялось контакту электродов резонатора с измерительным прибором. В верхней части цилиндра 5 была расположена стеклянная колба 4 для летучей жидкости, пары которой постепенно заполняли камеру стеклянного цилиндра. Данное устройство использовалось для проведения исследования влияния газов и паров летучих жидкостей на акустические характеристики мицелиальных пленок [3].
Рис. 1. - Устройство, позволяющее создать газовую среду:
1 – Кварцевый резонатор, 2 – Пленка экстракта мицелия, 3 – Электроды, 4 – Колба с летучей жидкостью, 5 – Стеклянная трубка, 6 – Крышка, 7 – Камера с резонатором.
Методика исследования сорбционной чувствительности экстракта мицелия состояла из семи этапов:
1) Измерение параметров резонатора без плёнки и определение материальных постоянных резонатора и электродов;
2) Измерение параметров резонатора, нагруженного мицелиальной плёнкой, и определение материальных постоянных пленки;
3) Измерение параметров резонатора, нагруженного мицелиальной плёнкой, и выдержанного в атмосфере исследуемого газа в течение 10 мин, а также определение материальных постоянных пленки;
4) Измерение параметров резонатора, нагруженного мицелиальной плёнкой, и выдержанного в атмосфере исследуемого газа еще 20 минут, т.е. суммарное время воздействия газа составляло 30 мин, а также определение материальных постоянных пленки;
5) Измерение параметров резонатора, нагруженного мицелиальной плёнкой, и выдержанного на воздухе в течение 10 мин, а также определение материальных постоянных пленки;
6) Измерение параметров резонатора, нагруженного мицелиальной плёнкой, и выдержанного на воздухе в течение еще 20 мин, а также определение материальных постоянных пленки;
7) Контрольное измерение параметров резонатора очищенного от плёнки.
На рисунке 2 представлены частотные зависимости реальной и мнимой частей импеданса резонатора нагруженного пленкой мицелия соответствующие этапам 2) - 6).
Для определения плотности и модулей упругости мицелиальной пленки использовалась методика, описанная в [4]. Для проведения измерений использовался комбинированный прецизионный измеритель LCR параметров Agilent 4582А.
|
Рис.2. - Зависимости действительной (а) и мнимой (б) частей импеданса кварцевого резонатора с пленкой мицелия шиитаке, выращенного в течение 14 суток в синтетической среде с добавлением 10-1 г/л триптамина и экстрагированного водно-этанольной смесью (1:1 по объему): (1 – кварцевый резонатор с пленкой мицелия в отсутствие хлороформа (ромб), 2 – через 10 минут после помещения объекта в хлороформ (квадрат), 3 - через 30 минут после помещения объекта в хлороформ (треугольник), 4 - через 10 минут после удаления объекта из хлороформа (круг), 5 - через 30 минут после удаления объекта из хлороформа (звезда)) |
В результате проведенной работы была исследована сорбционная чувствительность экстрактов мицелия высшего гриба шиитаке к парам таких летучих жидкостей, как ацетон, формалин, хлороформ, уксусная и соляная кислоты, а также гексан [3].
Выводы
В работе исследовалась сорбционная чувствительность экстрактов грибного мицелия к парам различных летучих жидкостей, таких как ацетон, формалин, хлороформ, уксусная и соляная кислоты, а также гексан. Анализ полученных результатов показал [3]:
1. Присутствие паров летучей жидкости приводит к уменьшению резонансной частоты и максимальной величины действительной части импеданса, а также к соответствующему изменению перепада реактивной части электрического импеданса кварцевого резонатора, покрытого мицелием. Кроме того, было экспериментально установлено, что существуют технологические приемы получения пленок мицелия, для которых после удаления паров по истечению некоторого времени резонансная частота и добротность резонатора возвращаются к исходному положению (рис. 2).
2. Существуют также технологические приемы получения пленок, физические параметры которых меняются в присутствие конкретного газа или паров летучей жидкости, а после прекращения воздействия эти параметры возвращаются к своим исходным значениям.
3. На основании полученных результатов было рекомендовано для определения присутствия паров хлороформа использовать пленку экстракта мицелия Lentinus edodes F-249 в возрасте 14 суток выращенного в синтетической среде с добавлением 10-1 г/л триптамина и экстрагированного водно-этанольной смесью (1:1 по объему).
4. Мицелиальные пленки можно использовать для создания на их основе чувствительных элементов акустических химических датчиков, для регистрации присутствия вредных для здоровья человека паров в окружающей среде.
Таким образом, мицелиальные пленки являются весьма перспективным восстанавливающимся после воздействия новым материалом для селективных покрытий газовых электроакустических датчиков.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.А18.21.2052 «Разработка технологии формирования наноструктурированных материалов и гибридных сенсорных систем на их основе».
Список литературы
1. A. Venema, E. Nieuwkoop, M.J. Vellekoop, M.S. Nieuwenhuizen, and A.W. Barendsz. Design aspects of SAW gas sensors. // Sensors and Actuators.- 1986.- V.10.- P.47-64.
2. Силина Ю.Е., Кучменко Т.А., Коренман Я.И., Цивилева О.М., Никитина В.Е. Применение полного факторного эксперимента для разработки газового сенсора на основе экстрактов мицилиального гриба Pleurotus ostreatus. // Журнал аналитической химии.- 2005.- Т.60.- №7.- С.759-764.
3. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Shikhabudinov A.M., Tsivileva O.M., Pankratov A.N. Application of the films of mycelium extracts as sensitive element for acoustoelectronic gas sensors. // Book of Abstracts 4th Int. Conf. “Sensors Electronics and Microsystems technology”.- 2010.- June 28-July 2.- Odessa.- Ukraine.- P.109.
4. Kuznetsova I.E. Zaitsev B.D. Shikhabudinov A.M. Elastic and viscosity properties of Nanocomposite Films Based on Low-Density Polyethylene. // Trans. On Ultrason., Ferroel. And Freq. Control.- 2010.- V.57.- N9.- P.2099-2102.