CN102520047B - 用于检测水体毒性的检测装置及水体毒性的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于检测水体毒性的检测装置，包括：微生物培养装置和与所述微生物培养装置相连通的电化学检测装置，其中，所述电化学检测装置包括：电化学检测池；设置在所述电化学检测池内的工作电极、参比电极和对电极；保持所述电化学检测池恒温的恒温装置。本发明还提供了一种水体毒性的检测方法。本发明提供的检测装置通过电化学检测装置检测水中毒性物质对微生物呼吸作用的抑制，实现对水体毒性的检测，不仅结构简单，而且无需进行浓度校正，不会影响检测结果；同时，本发明提供的检测装置不受水体浊度和颜色的影响，检测灵敏度高、重现性好。本发明以微阵列电极为工作电极对待测水样进行检测，能够提高检测电流，从而提高检测灵敏度。

Description

用于检测水体毒性的检测装置及水体毒性的检测方法

技术领域

本发明属于水体检测技术领域，尤其涉及一种用于检测水体毒性的检测及水体毒性的检测方法。

背景技术

随着人类生产活动的发展，大量化学品不断进入水环境中，成为水体污染的主要污染源。这些化学品污染物大多不是人体组成成分，也不是人体所需营养物质或维持正常生理功能必须的物质，但其可与人体接触并进入人体，产生一定的生物学作用，如当有毒有害化学品通过食物网的放大作用进入人体内可能会危害人体健康甚至生命。另外，水体中化学品污染也会使水体中的生物收到危害，因此，对水体毒性进行检测及监测是评价水体是否收到污染以及判断污染程度的重要手段。

在水体毒性检测及监测方法中，生物检测由于结果直观等优点而受到广泛关注，蛙类、鱼类、小鼠、浮游生物、海藻等生物已被用于水体毒性检测，但是，以上述生物进行水体毒性检测时具有测试周期长、成本高、操作复杂等缺点，不仅难以推广，而且不能满足现场快速检测需要。微生物种群数量大、生长周期短、对环境变化的敏感性高，具有与高等动物类似的物理化学特性和酶作用过程，因此适合开发省时、低耗、无道德争议的快速生物学毒性测试方法，尤其适合开发小型便携式水体毒性检测设备。在微生物毒性检测方法中，基于发光微生物的检测技术应用最为广泛。国际ISO11348-3规定使用深海发光细菌V.fischeri作为受试生物，为了平衡渗透压，测试必须在高盐度条件下进行，可能会引起样品中某些化学品性质的改变，如，对于低浓度金属样品，盐度校正会导致假阴性的结果；而对于一些溶解度低的样品，如苯酚等，则会由于毒物的析出而导致假阳性结果。而且，该方法采用荧光检测，检测信号易受水体浊度影响，不适于浑浊和有颜色的样品。另外，发光细菌在自然界中不是普遍存在的微生物，获得和保存较为困难，商品发光细菌价格较为昂贵，导致检测成本较高。

电分析仪器具有检测灵敏度高、成本低、适合小型化等优点，广泛应用于环境监测、生物分析、医学检测等领域。在微生物的新陈代谢过程中，微生物可以通过自身的呼吸作用将电子传递给电子媒介体，当毒性物质存在时，微生物的呼吸作用受到抑制，进而阻碍微生物和电子媒介体之间的电子传递，因此，可以开发基于微生物的用于水体毒性检测和监测的电化学方法和仪器。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种用于检测水体毒性的检测装置及水体毒性的检测方法，本发明提供的检测装置结构简单、检测准确度高、重现性好，适于在线水体毒性检测和监测。

本发明提供了一种用于检测水体毒性的检测装置，包括：微生物培养装置和与所述微生物培养装置相连通的电化学检测装置，其中，

所述电化学检测装置包括：

电化学检测池；

设置在所述电化学检测池内的工作电极、参比电极和对电极；

保持所述电化学检测池恒温的恒温装置。

优选的，所述工作电极为微阵列电极。

优选的，所述微阵列电极的材质为金、银、铜、铂、钯、镍、铁和碳中的一种或多种。

优选的，所述微生物培养装置包括：

微生物培养室；

控制所述微生物培养室温度的温度控制装置；

对所述微生物培养室进行振荡的振荡装置。

优选的，所述微生物培养装置还包括设置于所述微生物培养室内的微生物载体。

优选的，所述微生物载体为活性炭、多孔陶土、微孔玻璃、海藻酸盐、卡拉胶、琼脂、聚丙烯酰胺凝胶、聚乙烯醇凝胶或聚氨酯泡沫。

本发明还提供了一种水体毒性的检测方法，包括以下步骤：

a)向待测水样中加入电子媒介体和微生物，培养后得到混合溶液；

b)采用三电极体系检测所述混合溶液的电流，所述三电极体系中工作电极为微阵列电极。

优选的，在所述步骤a)之前还包括：

向标准水样中加入电子媒介体和微生物，培养后得到第一混合溶液；

采用三电极体系检测所述第一混合溶液的电流。

优选的，所述微生物为固定在载体上的微生物。

优选的，所述电子媒介体为铁氰化钾、中性红、二茂铁或二茂铁的衍生物。

与现有技术相比，本发明提供的用于检测水体毒性的检测装置包括微生物培养装置和与所述微生物培养装置相连通的电化学检测装置，其中，所述电化学检测装置包括：电化学检测池；设置在所述电化学检测池内的工作电极、参比电极和对电极；保持所述电化学检测池恒温的恒温装置。在本发明提供的检测装置中，将含有电子媒介体的待测水样在微生物培养室进行与微生物培养后，被泵入电化学检测室，采用三电极体系进行电化学检测，由于待测水样中的毒性物质会抑制微生物的呼吸作用，从而阻碍微生物和电子媒介体之间的电子传递，从而可以通过电化学检测显示电子传递的变化，并因此判断水体毒性污染情况。本发明提供的检测装置通过电化学检测装置检测水中毒性物质对微生物呼吸作用的抑制，实现水体毒性的检测，不仅结构简单，而且无需进行浓度校正，不会影响检测结果；同时，本发明提供的检测装置不受水体浊度和颜色的影响，检测灵敏度高、重现性好。进一步的，本发明以微阵列电极为工作电极对待测水样进行检测，能够提高检测电流，从而提高检测灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的浓度与电流抑制率的曲线图；

图3为本发明实施例2提供的浓度与电流抑制率的曲线图；

图4为本发明实施例3提供的浓度与电流抑制率的曲线图；

图5为本发明实施例及比较例提供的时间与极限电流值的关系；

图6为本发明实施例6提供的不同浓度毒性物质的时间-极限电流值曲线；

图7为本发明实施例7提供的不同浓度毒性物质的时间-极限电流值曲线；

图8为本发明实施例8提供的不同浓度毒性物质的时间-极限电流值曲线；

图9为本发明实施例9提供的不同浓度毒性物质的时间-极限电流值曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种用于检测水体毒性的检测装置，包括：微生物培养装置和与所述微生物培养装置相连通的电化学检测装置，其中，

所述电化学检测装置包括：

电化学检测池；

设置在所述电化学检测池内的工作电极、参比电极和对电极；

保持所述电化学检测池恒温的恒温装置。

参见图1，图1为本发明实施例提供的检测装置的结构示意图，其中，1为微生物培养装置，2为与微生物培养装置1相连的电化学检测装置，3为连接微生物培养装置1和电化学检测装置2的管道。

微生物培养装置1用于在混合有电子媒介体的待测水样或标准水样中培养微生物。在本实施例中，微生物培养装置1包括：微生物培养室11；封闭微生物培养室11的盖子12；控制微生物培养室11温度的温度控制装置13和使微生物培养室11进行振荡的振荡装置14。

微生物培养室11用于培养微生物，其在本实施例中为顶部开口的结构，顶部设置有可移动的盖子12。

温度控制装置13的作用在于控制微生物培养室11的温度，使微生物培养室11处于恒温状态，更有利于微生物的新陈代谢，便于后续电化学检测。

振荡装置14的作用在于驱动微生物培养室11进行振荡，实现微生物的振荡培养。

在本发明的另外一个实施例中，除了上述各组成部分，微生物培养室11中还包括微生物载体(未在图中示出)，微生物载体能够将微生物固定，从而提高检测灵敏度和稳定性。本发明对所述微生物载体没有特殊限制，优选为活性炭、多孔陶土、微孔玻璃、海藻酸盐、卡拉胶、琼脂、聚丙烯酰胺凝胶、聚乙烯醇凝胶或聚氨酯泡沫，更优选为海藻酸盐或活性炭。

在本发明的其他实施例中，微生物培养装置1也可以具有其他结构，只要能够实现微生物培养即可。

混合有电子媒介体的待测水样和微生物在微生物培养装置1中进行培养后，通过管道3进入电化学检测装置2中进行电化学检测，以便获得水体毒性情况。

电化学检测装置2的作用在于对经过微生物培养后的待测水样或标准水样进行电化学检测，包括：电化学检测池21；设置在电化学检测池21内的第一电极接口26、第二电极接口27和第三电极接口28；分别固定在第一电极接口26、第二电极接口27和第三电极接口28上的工作电极23、参比电极24和对电极25；保持所述电化学检测池恒温的恒温装置22。

电化学检测池21的作用在于容纳待测水样，其上可以设置盖子(未在本实施例中示出)。

电化学检测池21上分别设置有第一电极接口26、第二电极接口27和第三电极接口28，工作电极23、参比电极24和对电极25分别固定在第一电极接口26、第二电极接口27和第三电极接口28上。

第一电极接口26、第二电极接口27和第三电极接口28的作用在于固定工作电极23、参比电极24和对电极25并调整各电极之间的距离。

工作电极23、参比电极24和对电极25可以检测待测水样的电流值，并通过外接仪器显示，从而判断水体毒性。在本发明中，参比电极24和对电极25均为本领域技术人员熟知的电极，如参比电极24可以为Ag/AgCl电极，对电极为卷曲的铂丝电极等。工作电极23是影响检测灵敏度和稳定性的重要因素，所述工作电极可以为微电极、微阵列电极等，优选为微阵列电极。所述微电极为尺寸为微米级的电极，具有传质更快，可在短时间内获得极限电流；所述微阵列电极为由若干微电极组成的电极。本发明对所述工作电极的材质没有特殊限制，可以为金、银、钯、铂等贵金属及其所述贵金属与过渡金属铜、镍、铁等的合金，也可以为铜、镍、铁等非贵金属及其合金，还可以为碳纤维等非金属或者氧化锡、氧化铟锡等金属氧化物电极。当所述工作电极为微阵列电极时，所述各微电极优选由环氧树脂、聚四氟乙烯或玻璃等材料间隔。以微阵列电极作为工作电极，能够极大的提高检测灵敏度和稳定性。

恒温装置22的作用在于使电化学检测池21保持恒温，利于对待测水样中微生物呼吸作用的抑制的测量。

微生物培养装置1和电化学检测装置2通过管道3相互连通，使待测水样在微生物培养装置1和电化学检测装置2中流通。为了便于待测水样的流通，本发明提供的检测装置还包括蠕动泵4。

本发明提供的检测装置也用于水体毒性日常监测，也可用于水体急性毒性的检测，用于水体毒性日常监测时，其使用方法如下：

将待测水样、电子媒介体和微生物在电流检测池内混合后进行电化学检测，得到待测水样未经培养的电流值；

将所述混合溶液送入微生物培养装置1中进行培养，然后将培养后的待测水样通过管道3送入电化学检测装置2中进行电化学检测，得到待测水样培养后电流值；

根据该两个电流值判断水体毒性情况。

用于水体毒性急性毒性检测时，使用方法如下：

将标准水样、电子媒介体和微生物在电流检测池内混合后进行电化学检测，得到标准水样未经培养的电流值；

将所述混合溶液送入微生物培养装置1中进行培养，然后将培养后的标准水样通过管道3送入电化学检测装置2中进行电化学检测，得到标准水样培养后电流值；

将待测水样、电子媒介体和微生物在电流检测池内混合后进行电化学检测，得到待测水样未经培养的电流值；

将所述混合溶液送入微生物培养装置1中进行培养，然后将培养后的待测水样通过管道3送入电化学检测装置2中进行电化学检测，得到待测水样培养后电流值；

根据上述电流值判断待测水体的毒性。

采用本发明提供的检测装置判断水体毒性的原理如下：

在将微生物在含有电子媒介体的水样中进行培养的过程中，微生物进行新陈代谢，消耗氧气分解水中的有机物，并将其转化为简单的无机物，如式(1)、式(2)所示：

O_2(aq)+4H⁺+4e^-——→2H₂O_(l) (2)

在此过程中，有机物被微生物降解，生成CO₂，并产生4个电子；水中的氧分子接受4个电子，生成两个水分子；由于氧气在水中的溶解度较低，在无氧的条件下，电子媒介体，如铁氰化钾等可取代氧作为人工电子受体，生成CO₂和亚铁氰化钾，如式(3)所示：

由式(1)、式(2)和式(3)可知，微生物降解有机物的过程可被简化为电子传递的过程，即微生物降解速率与电子传递速率成比例，进而导致呼吸速率与电子传递成比例。

当毒性物质侵入水体时，上述微生物的正常呼吸作用将受到抑制，甚至导致微生物的死亡，微生物由于呼吸作用向外传递的电子的数量也会随之减少。根据该过程，可以采用待测水体进入微生物反应器前后微生物呼吸速率受到的抑制程度表征水体毒性，具体为采用电流抑制率(Inhibition Current，IC)表征水体毒性，可通过公式(I)计算电流抑制率：

I_C＝(1-((i_tox-i_0-tox)/(i_no-tox-i_0-no-tox)))×100％(I)；

其中，i_tox和i_no-tox分别代表待测样和标准样与微生物及电子媒介体混合并经一段时间恒温培养后测试的极限电流值，i_0-tox和i_0-no-tox分别代表待测样和标准样与微生物即电子媒介体混合后测试的极限电流值。

式(I)中，IC为电流抑制率，以百分数的形式表示；

i_tox为待测水样培养后的极限电流值；

i_no-tox为标准水样培养后的极限电流值

i_0-tox为待测水样未经培养的极限电流值；

i_0-no-tox为标准水样未经培养的极限电流值；

在本发明中，电流抑制率可表征微生物的呼吸抑制率，从而可以表征水体毒性大小，如计算得到IC50值，即电流抑制率达到50％时毒性物质的浓度，可衡量毒性物质的毒性大小。

此外，本发明提供的检测装置可以包括多个相互连通的微生物培养装置和电化学检测装置，能够实现多通道检测。

本发明提供的检测装置以电化学检测装置实现水中毒性物质对微生物的抑制作用的检测，不仅结构简单，而且无需进行浓度校正，不会影响检测结果；同时，本发明提供的检测装置不受水体浊度和颜色的影响，检测灵敏度高、重现性好。另外，本发明的检测装置不受微生物种类限制，可以选择单一菌种，也可以使用混合菌种，从而避免了对毒性物质的选择性，更适应水体综合毒性的检测需求。

本发明还提供了一种水体毒性的检测方法，包括以下步骤：

a)向待测水样中加入电子媒介体和微生物，培养后得到混合溶液；

b)采用三电极体系检测所述混合溶液的电流，所述三电极体系中工作电极为微阵列电极。

本发明以微阵列电极作为工作电极，能够检测电流，从而提高检测灵敏度。本发明通过电化学方法检测待测水样的毒性，不受水体浊度和色度的影响，同时能够以多种微生物作为受试生物，避免了对毒性物质的选择性，具有更高的灵敏度和稳定性，更加适合水体毒性的检测需求。

本发明提供的方法可用于水体急性毒性检测，也可以用于水体毒性日常监测，用于水体毒性日常监测时，将电子媒介体和微生物置于待测水体中进行培养，同时采用以微阵列电极为工作电极的三电极体系检测所述待测水体的电流，根据电流变化判断水体日常毒性；用于水体急性毒性检测时，以未受污染的水或自来水作为标准水体，将电子媒介体和微生物分别置于标准水样和待测水样中分别进行培养，同时分别采用以微阵列电极为工作电极的三电极体系检测所述标准水样和待测水样的电流，进行对比或计算后即可判断待测水体急性毒性情况。

与对水体急性毒性进行检测的方法相比，对水体毒性进行日常监测的方法仅不包括对标准水样的检测，其他步骤基本相同，因此，以下以对水体急性毒性进行检测为例进行说明。

在本发明中，所述水体急性毒性检测方法具体包括以下步骤：

向待测水样中加入电子媒介体和微生物反应器，得到第一混合溶液，采用以微阵列电极为工作电极的三电极体系检测所述第一混合溶液的电流值；

将所述第一混合溶液进行培养，得到第二混合溶液，采用以微阵列电极为工作电极的三电极体系检测所述第二混合溶液的电流值；

向标准水样中加入电子媒介体和微生物反应器，得到第三混合溶液，采用以微阵列电极为工作电极的三电极体系检测所述第三混合溶液的电流值；

将所述第三混合溶液进行培养，得到第四混合溶液，采用以微阵列电极为工作电极的三电极体系检测所述第四混合溶液的电流值；

根据所述第一混合溶液的电流值、所述第二混合溶液的电流值、所述第三混合溶液的电流值和所述第四混合溶液的电流值，按照式(I)所示公式进行计算，判断水体毒性污染情况。

在本发明中，对所述标准水样和待测水样进行检测时所采用的微生物、电子媒介体和三电极体系的种类、用量等均相同，本发明以待测水样为例进行说明。

首先将微生物、电子媒介体和待测水样混合，得到第一混合溶液。在本发明中，所述微生物作为检测水体毒性的受试生物存在，本发明对其并无特殊限制，可以为单一菌种，也可以为混合菌种，本领域技术人员可根据需要进行选择或确定。所述微生物优选为大肠杆菌(E.coli)、荧光假单孢菌、恶臭假单孢菌、阴沟肠杆菌和BOD seed中的一种或多种，更优选为大肠杆菌、荧光假单孢菌或BOD seed。所述菌种在所述待测水样中的浓度OD₆₀₀优选为5～50，更优选为6～20。在本发明中，为了提高检测灵敏度和重现性，所述微生物优选为固定在微生物载体上的微生物，所述微生物载体优选为活性炭、多孔陶土、微孔玻璃、海藻酸盐、卡拉胶、琼脂、聚丙烯酰胺凝胶、聚乙烯醇凝胶或聚氨酯泡沫，更优选为海藻酸盐或活性炭。所述微生物可通过吸附、包埋、交联等方法固定在所述微生物载体上，本发明并没有特殊限制。

所述电子媒介体为电子受体，是一种具有可逆的电化学行为的分子，在电化学体系中，可以充当电荷传递的媒介。在本发明中，所述电子媒介体优选为铁氰化钾、中性红、二茂铁或二茂铁的衍生物，更优选为铁氰化钾。所述电子媒介体在所述待测水样中的浓度优选为40mmol/L～50mmol/L，更优选为43mmol/L～48mmol/L。

得到第一混合溶液后，采用三电极体系测定所述混合溶液的电流值。所述三电极体系为由工作电极、对电极和参比电极构成的三电极体系，其中，对电极优选为Pt电极，参比电极优选为Ag/AgCl(饱和KCl)，工作电极可以为单电极、微阵列电极、经过修饰的单电极或经过修饰的微阵列电极，优选为微阵列电极或经过修饰的微阵列电极。

本发明对所述工作电极的材质没有特殊限制，可以为金、银、钯、铂等贵金属及其所述贵金属与过渡金属铜、镍、铁等的合金，也可以为铜、镍、铁等非贵金属及其合金，还可以为碳纤维等非金属或者氧化锡、氧化铟锡等金属氧化物电极。当所述工作电极为微阵列电极时，所述各微电极优选由环氧树脂、聚四氟乙烯或玻璃等材料间隔。

本发明对所述工作电极的修饰方法没有特殊限制，可以按照以下方法进行修饰：

无论工作电极采用何种材质，均可通过电化学沉积的方式在微电极或微阵列电极表面沉积金属纳米粒子，比如金、钯、铜、镍、钛、铂等纳米粒子，增大微电极或微阵列电极的电化学活性面积，从而提高检测电流值，提高检测灵敏度；

当工作电极为金属、合金或金属氧化物时，可以按照以下方法进行修饰：

预先将微电极或微阵列电极在含有巯基并且带有电荷的分子溶液中浸泡，使电极表面带有电荷，然后通过静电吸附的方式在电极表面固定带有电荷的纳米材料。所述含有巯基并且带有电荷的分子优选为巯基乙酸、巯基丙酸、巯基苹果酸等；所述含有巯基并且带有电荷的分子的浓度优选为0.1wt％～10wt％，更优选为0.5wt％～8wt％；溶液一般为乙醇、水、甲醇等；浸泡时间1～72小时，可根据金属、合金或金属氧化物的种类确定。若浸泡后得到的电极与后续使用的纳米材料带有相同电荷，可以在电极表面先吸附一层带有相反电荷的分子，再吸附纳米材料。纳米材料的合成，采用一般熟知的方法。

当工作电极为非金属，如碳纤维时，可在微电极或微阵列电极表面电化学修饰一层带有电荷的分子，所述带有电荷的分子可以是4-氨基苯甲酸、4-氨基苯磺酸等；具体方法可以为：(1)循环伏安沉积法：将微电极或微阵列电极在4-氨基苯甲酸、4-氨基苯磺酸等溶液中进行循环伏安扫描，扫描电势在-1.0V～+1.5V之间，扫描圈数1～200圈；(2)恒电位沉积，电位设置为0～1.5V之间，可根据电极材料及带电荷分子的种类确定，沉积时间1～7200秒。所述带有电荷的分子的浓度一般为0.01％～饱和(w/w)。表面带有电荷的微电极或微阵列电极可以通过静电吸附的方式在表面吸附具有相反电荷的纳米材料，也可以先吸附带有相反电荷的分子再吸附具有同种电荷的预先合成的纳米材料。

为了提高检测的灵敏度，在使用前本发明优选对所述工作电极进行表面处理，优选采用0.05μmα-Al₂O₃对所述工作电极进行抛光。

本发明优选采用CHI832B型电化学仪测定所述第一混合溶液的计时电流，测量电压优选为400mV～500mV，更优选为420mV～480mV。

得到所述第一混合溶液的电流值后，将所述第一混合溶液送入微生物培养装置中进行培养，得到第二溶液。本发明对所述培养的温度、时间和方式没有特殊限制，可根据选用的微生物的种类进行确定，如微生物为大肠杆菌时，优选为35℃～38℃下保温培养15min～120min。

培养得到第二混合溶液后，将所述第二混合溶液送入电化学检测装置中，采用上述技术方案所述的方法对第二混合溶液进行电化学检测，得到第二混合溶液的电流值。

分别得到标准水样和待测水样的未经培养和经过培养的极限电流值后，按照公式(I)即可计算得到各毒性物质的IC50值，从而能够判断毒性物质的毒性大小。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的用于检测水体毒性的检测装置及水体毒性的检测方法进行详细描述。

实施例1

以图1所示的检测装置、按照以下方法进行水体毒性检测：

步骤1：将储存于0.2mol/L、pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液中的大肠杆菌E.coli加入电化学检测池21中，然后加入电子媒介体铁氰化钾，并用去离子水稀释至1毫升，使E.coli的最终浓度OD₆₀₀为6，铁氰化钾浓度为45mmol/L；电化学检测池21保持恒温20℃，以20支直径为25μm、经过0.5μmα-Al₂O₃处理的钯微电极组成的微阵列电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，卷曲的铂丝为对电极；通过外接电化学工作站CHI660，在工作电极和参比电极之间施加+0.45V偏压10s，记录第10s的电流值为i_0-no-tox；

步骤2：开启蠕动泵4将电化学检测池21中的溶液输送至微生物培养室11，恒温37℃培养30min后，再次开启蠕动泵4将微生物培养室11中的溶液转移至电化学检测池21。恒温20℃下使用步骤1中的电化学检测条件测试电流值，记录第10s的电流值为i_no-tox；

步骤3：将储存于0.2mol/L、pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液中的大肠杆菌E.coli加入电化学检测池21中，然后加入电子媒介体铁氰化钾和毒性物质氯化镉，并用去离子水稀释至1mL，使E.coli的最终浓度OD₆₀₀为6，铁氰化钾浓度为45mmol/L，镉离子的浓度为2mg/L；电化学检测池21保持恒温20℃，以20支直径为25μm、经过0.5μmα-Al₂O₃处理的钯微电极组成的微阵列电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，卷曲的铂丝为对电极；通过外接电化学工作站CHI660，在工作电极和参比电极之间施加+0.45V偏压10s，记录第10s的电流值为i_0-tox；

步骤4：重复步骤2，得到在有2mg/L镉离子的条件下的电流值i_tox；

步骤5：利用公式(1)计算2mg/L镉离子的IC值；

重复上述步骤1～步骤5，并分别将镉离子浓度改变为5mg/L、10mg/L、25mg/L、35mg/L、50mg/L、75mg/L、100mg/L、125mg/L、150mg/L和200mg/L，分别计算不同浓度镉离子的IC值，结果参见图2，图2为本发明实施例1提供的浓度与电流抑制率的曲线图，由图2可知，镉离子的IC50值为25mg/L。

实施例2

按照实施例1的方法、步骤进行实验，区别在于，以25支直径为20μm、经过0.5μmα-Al₂O₃处理的金微电极组成的微阵列电极为工作电极，并分别配制浓度为20mg/L、30mg/L、50mg/L、80mg/L和100mg/L的砷离子溶液，结果参见图3，图3为本发明实施例2提供的浓度与电流抑制率的曲线图，由图3可知，砷离子的IC50值为92mg/L。

实施例3

按照实施例1的方法、步骤进行实验，区别在于，以30支直径为25μm、经过0.5μmα-Al₂O₃处理的铂镍合金微电极组成的微阵列电极为工作电极，电化学检测池21保持恒温25℃，以BOD seed为受试生物，并分别配制浓度为2.5mg/L、5mg/L、7.5mg/L、12.5mg/L、15mg/L、20mg/L、25mg/L、30mg/L和35mg/L的3，5-二氯苯酚溶液，结果参见图4，图4为本发明实施例3提供的浓度与电流抑制率的曲线图，由图4可知，3，5-二氯苯酚的IC50值为92mg/L。

实施例4

以图1所示的检测装置、按照以下方法进行水体毒性检测：

步骤1：将储存于0.2mol/L、pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液中的大肠杆菌E.coli加入微生物培养室11中，然后加入电子媒介体铁氰化钾，并用去离子水稀释至1毫升，使E.coli的最终浓度OD₆₀₀为20，铁氰化钾浓度为45mmol/L，将所述溶液在37℃恒温培养1h后，开启蠕动泵4将培养后的溶液输送至电化学检测池21中；电化学检测池21保持恒温20℃，以20支直径为25μm、经过0.5μmα-Al₂O₃处理的钯微电极组成的微阵列电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，卷曲的铂丝为对电极；通过外接电化学工作站CHI660，在工作电极和参比电极之间施加+0.45V偏压10s，记录时间与极限电流值的关系，结果参见图5，图5为本发明实施例及比较例提供的时间与极限电流值的关系，其中曲线1为本发明实施例提供的未添加毒性物质溶液的时间与极限电流值的关系，曲线2为本发明实施例提供的添加毒性物质溶液的时间与极限电流值的关系；

步骤2：将储存于0.2mol/L、pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液中的大肠杆菌E.coli加入微生物培养室11中，然后加入电子媒介体铁氰化钾和毒性物质3，5-二氯苯酚，并用去离子水稀释至1毫升，使E.coli的最终浓度OD₆₀₀为20，铁氰化钾浓度为45mmol/L，3，5-二氯苯酚的浓度为4mg/L，将所述溶液在37℃恒温培养1h后，开启蠕动泵4将培养后的溶液输送至电化学检测池21中；电化学检测池21保持恒温20℃，以20支直径为25μm、经过0.5μmα-Al₂O₃处理的钯微电极组成的微阵列电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，卷曲的铂丝为对电极；通过外接电化学工作站CHI660，在工作电极和参比电极之间施加+0.45V偏压10s，记录时间与极限电流值的关系，结果参见图5，图5为本发明实施例提供的时间与极限电流值的关系，其中曲线1为本发明实施例4提供的未添加毒性物质溶液的时间与极限电流值的关系，曲线2为本发明实施例5提供的添加毒性物质溶液的时间与极限电流值的关系。由图5可知，采用微阵列电极作为工作电极能够清楚分辨存在毒性物质和不存在毒性物质的电流值，可明显增强电流值，检测结果更直观。

实施例5

以图1所示的检测装置、按照以下方法进行水体毒性检测：

步骤1：将储存于0.2mol/L、pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液中的大肠杆菌E.coli加入微生物培养室11中，然后加入电子媒介体铁氰化钾，并用去离子水稀释至1毫升，使E.coli的最终浓度OD₆₀₀为20，铁氰化钾浓度为45mmol/L，将所述溶液在37℃恒温培养1h后，开启蠕动泵4将培养后的溶液输送至电化学检测池21中；电化学检测池21保持恒温20℃，以20支直径为25μm、经过0.5μmα-Al₂O₃处理的钯微电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，卷曲的铂丝为对电极；通过外接电化学工作站CHI660，在工作电极和参比电极之间施加+0.45V偏压10s，记录时间与极限电流值的关系，结果参见图5，图5为本发明实施例提供的时间与极限电流值的关系，其中曲线3为本发明实施例5提供的未添加毒性物质溶液的时间与极限电流值的关系，曲线4为本发明实施例5提供的添加毒性物质溶液的时间与极限电流值的关系；

步骤2：将储存于0.2mol/L、pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液中的大肠杆菌E.coli加入微生物培养室11中，然后加入电子媒介体铁氰化钾和毒性物质3，5-二氯苯酚，并用去离子水稀释至1毫升，使E.coli的最终浓度OD₆₀₀为20，铁氰化钾浓度为45mmol/L，3，5-二氯苯酚的浓度为4mg/L，将所述溶液在37℃恒温培养1h后，开启蠕动泵4将培养后的溶液输送至电化学检测池21中；电化学检测池21保持恒温20℃，以20支直径为25μm、经过0.5μmα-Al₂O₃处理的钯微电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，卷曲的铂丝为对电极；通过外接电化学工作站CHI660，在工作电极和参比电极之间施加+0.45V偏压10s，记录时间与极限电流值的关系，结果参见图5，图5为本发明实施例提供的时间与极限电流值的关系，其中曲线3为本发明实施例5提供的未添加毒性物质溶液的时间与极限电流值的关系，曲线4为本发明实施例5提供的添加毒性物质溶液的时间与极限电流值的关系。由图5可知，以单电极为工作电极在毒性物质浓度较低时，不能有效分辨存在毒性物质和不存在毒性物质的极限电流值。

实施例6

分别将储存于0.2mol/L、pH值为7.0的磷酸盐缓冲溶液中的大肠杆菌E.coli加入微生物培养室11中，然后分别加入电子媒介体铁氰化钾和毒性物质三氧化二砷，并用去离子水稀释至1毫升，使E.coli的最终浓度OD₆₀₀为20，铁氰化钾浓度为45mmol/L，三氧化二砷的浓度分别为0mg/L、6mg/L、12mg/L、24mg/L、36mg/L和64mg/L，分别将所述溶液在37℃恒温培养1h后，开启蠕动泵4将培养后的溶液输送至电化学检测池21中；电化学检测池21保持恒温20℃，以20支直径为25μm、经过0.5μmα-Al₂O₃处理的钯微电极组成的微阵列电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，卷曲的铂丝为对电极；通过外接电化学工作站CHI660，在工作电极和参比电极之间施加+0.45V偏压10s，记录时间与极限电流值的关系，结果参见图6，图6为本发明实施例6提供的不同浓度毒性物质的时间-极限电流值曲线，图6中，横坐标10s处的曲线由上到下分别为0mg/L三氧化二砷、6mg/L三氧化二砷、12mg/L三氧化二砷、24mg/L三氧化二砷、36mg/L三氧化二砷和64mg/L三氧化二砷对应的曲线。由图6可知，本发明提供的检测方法具有良好的灵敏度。

实施例7

按照实施例6提供的方法和步骤进行实验，区别在于，分别配制浓度为0mg/L、6mg/L、12mg/L、24mg/L、36mg/L和48mg/L的KCN溶液，结果参见图7，图7为本发明实施例7提供的不同浓度毒性物质的时间-极限电流值曲线，图7中，横坐标10s处的曲线由上到下分别为0mg/L氰化钾、2mg/L氰化钾、4mg/L氰化钾、6mg/L氰化钾、12mg/L氰化钾和24mg/L氰化钾对应的曲线，由图7可知，本发明提供的检测方法具有良好的灵敏度。

实施例8

按照实施例6提供的方法和步骤进行实验，区别在于，分别配制浓度为0mg/L、2mg/L、4mg/L、5mg/L、12mg/L和24mg/L的水杨酸溶液，结果参见图8，图8为本发明实施例8提供的不同浓度毒性物质的时间-极限电流值曲线，图8中，横坐标10s处的曲线由上到下分别为0mg/L水杨酸、6mg/L水杨酸、12mg/L水杨酸、24mg/L水杨酸、36mg/L水杨酸和48mg/L水杨酸对应的曲线，由图8可知，本发明提供的检测方法具有良好的灵敏度。

实施例9

按照实施例6提供的方法和步骤进行实验，区别在于，分别配制浓度为0mg/L、12mg/L、24mg/L、48mg/L、72mg/L和86mg/L的2，4-二硝基酚溶液，结果参见图9，图9为本发明实施例9提供的不同浓度毒性物质的时间-极限电流值曲线，图9中，横坐标10s处的曲线由上到下分别为0mg/L2，4-二硝基酚、12mg/L2，4-二硝基酚、24mg/L2，4-二硝基酚、48mg/L2，4-二硝基酚、72mg/L2，4-二硝基酚和96mg/L2，4-二硝基酚对应的曲线，由图9可知，本发明提供的检测方法具有良好的灵敏度。

由上述实施例可知，本发明提供的水体毒性的检测装置和检测方法具有较高的准确度，良好的重现性，而且操作简单，适于在线水体毒性检测和监测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于检测水体毒性的检测装置，其特征在于，包括：微生物培养装置和与所述微生物培养装置相连通的电化学检测装置，其中，

所述微生物培养装置包括微生物培养室，所述微生物培养室中盛有电子媒介体、水样和微生物，所述水样为待测水样或标准水样，所述微生物在所述待测水样中的浓度OD₆₀₀为6～20；

所述微生物培养室中设置有微生物载体，所述微生物载体为多孔陶土、微孔玻璃、海藻酸盐、卡拉胶、琼脂、聚丙烯酰胺凝胶、聚乙烯醇凝胶或聚氨酯泡沫；

所述电化学检测装置包括：

电化学检测池；

设置在所述电化学检测池内的工作电极、参比电极和对电极；

保持所述电化学检测池恒温的恒温装置。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述工作电极为微阵列电极。

3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述微阵列电极的材质为金、银、铜、铂、钯、镍、铁和碳中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述微生物培养装置包括：

微生物培养室；

控制所述微生物培养室温度的温度控制装置；

对所述微生物培养室进行振荡的振荡装置。

5.一种水体毒性的检测方法，包括以下步骤：

a）向待测水样中加入电子媒介体和微生物，培养后得到混合溶液，所述微生物为固定在微生物载体上的微生物，所述微生物载体为多孔陶土、微孔玻璃、海藻酸盐、卡拉胶、琼脂、聚丙烯酰胺凝胶、聚乙烯醇凝胶或聚氨酯泡沫，所述微生物在所述待测水样中的浓度OD₆₀₀为6～20；

b）采用三电极体系检测所述混合溶液的电流，所述三电极体系中工作电极为微阵列电极。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，在所述步骤a）之前还包括：

向标准水样中加入电子媒介体和微生物，培养后得到第一混合溶液；

采用三电极体系检测所述第一混合溶液的电流。

7.根据权利要求5或6所述的检测方法，其特征在于，所述微生物为固定在载体上的微生物。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，所述电子媒介体为铁氰化钾、中性红、二茂铁或二茂铁的衍生物。