CN103399051A

CN103399051A - 基于微生物电化学信号的水体毒性检测方法及便携式装置

Info

Publication number: CN103399051A
Application number: CN2013103281638A
Authority: CN
Inventors: 冯春华; 谢道海; 黄浩球; 吕志盛; 庞韵梦
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2013-11-20

Abstract

本发明提供基于微生物电化学信号检测水体毒性的方法和便携式装置，其特征是微生物燃料电池(MFC)技术与集成电路技术的结合。该装置包含MFC信号发生器与信号采集与报警电路两大部分。MFC信号发生器阳极材料进行电化学修饰并使用产电纯菌接种，缩短启动时间，增强基线信号稳定性。信号采集与报警电路包括单片机最小系统、电源模块、液晶显示模块和声光报警系统。当水体存在有毒物质时，MFC信号发生器的输出信号就会偏离基线，当偏离值超过报警电路的设计阈值时，电路上的声光报警系统就会启动发出警报。本发明所述装置信号稳定，设计简洁，便携性强，适用于各种水质检测场合。

Description

基于微生物电化学信号的水体毒性检测方法及便携式装置

技术领域

本发明属于水质检测技术领域，尤其涉及一种基于微生物电化学信号的便携式水体毒性检测装置及水体毒性检测方法。

背景技术

当前,严重的水污染对生态环境构成了极大的破坏,对于水污染的治理关乎人类的生存与发展。而水污染治理的关键环节之一在于能否对水质进行正确、客观的评估,以便为相关部门提供科学管理和控制水污染的依据。但是,目前对水质指标的检测主要依赖于实验室的大型分析设备,这些设备体积较大、检测耗时较长、分析检测中会消耗大量化学试剂,且价格昂贵,极不适于目前水质检测广泛应用的迫切需要。

此外，传统的理化分析方法能定量分析污染物中主要成分的含量，但不能直接、全面地反映各种有毒物质对环境的综合影响。而生物检测可以综合多种有毒物质的相互作用，判定有毒物质的质量浓度和生物效应之间的直接关系，从而为水质的监测和综合评价提供科学依据，因而得到了迅速发展和广泛应用。

传统水质毒性检测方法有藻类毒性检测、鱼类毒性检测、蚤类毒性检测、原生动物毒性检测，这些生物的生长周期对水质检测有较大的限制，实际运行难度大。水质生物毒性检测的新方法主要集中在微生物毒性试验，典型代表是发光细菌毒性检测，但这需要昂贵的光检测装置、专业的实验操作。

微生物燃料电池（MFC）是一种利用微生物将水体有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在阳极室，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子通过外电路传递到阴极形成电流/电压，而质子通过离子交换膜传递到阴极被还原。微生物产电的能力与其自身的生理状态相关，当水体存在有毒物质对微生物产生抑制作用时，MFC输出的电流/电压减小。

发明内容

针对以上情况，本发明提供一种基于微生物电化学信号的水体毒性检测方法及便携式装置。

水体毒性检测装置是基于微生物燃料电池（MFC）技术与集成电路技术的结合。

基于微生物电化学信号的水体毒性检测方法，包括如下步骤：

（1）微生物燃料电池MFC信号发生器输出水质电信号；所述MFC信号发生器由阳极、阴极和离子交换膜组成，阳极和阴极被离子交换膜分隔开；

（2）与MFC信号发生器相连的单片机模块测量MFC输出的电压信号；

（3）当MFC信号发生器输出的电压信号低于单片机设定的阈值时，启动声光报警系统。

上述检测方法中，所述MFC信号发生器的阳极材料使用电化学方法进行修饰，使电极表面负载聚吡咯和蒽醌-2-磺酸钠（PPY/AQS）。

上述检测方法中，所述MFC信号发生器的阳极采用腐败希瓦氏菌接种。

用于所述检测方法的便携式水体毒性检测装置，包括MFC信号发生器、单片机模块、声光报警系统和电源模块；单片机模块与MFC信号发生器以及声光报警系统相连接，电源模块为单片机最小系统和声光报警系统提供工作电压。

进一步的，所述单片机模块采用单片机最小系统。

进一步的，所述MFC信号发生器的阳极材料采用石墨毡，使用恒电压电聚合的方法进行修饰，使电极表面负载2-10库伦的聚吡咯/蒽醌-2-磺酸钠（PPY/AQS）；所述负载是使阳极电极在吡咯浓度为135mmol/L和AQS浓度为10 mmol/L的水溶液中进行电聚合反应，在电极上生成PPY/AQS产物；所述MFC信号发生器的阴极液使用浓度为50 mmol/L的铁氰化钾水溶液；所述MFC信号发生器的阴极液使用浓度为50 mmol/L的铁氰化钾溶液。阴极电极材料为未修饰的石墨毡，阴极液使用强氧化性的铁氰化钾溶液以保持电压稳定。本发明采用恒电压电聚合的方法负载一定量的聚吡咯/蒽醌-2-磺酸钠（PPY/AQS），达到使MFC快速启动并保持长时间输出稳定基线电压的目的。

进一步的，所述检测装置还包括液晶显示模块，液晶显示模块由电源模块提供工作电压，与单片机最小系统相连接，显示MFC信号发生器输出的电压信号。

与现有技术相比，本发明相对于已有技术具有以下显著优点：

1. MFC阳极电极经过电化学修饰，使MFC输出的基线信号强度与稳定性高；

2. MFC阳极使用产电纯菌接种，启动时间大大缩短；

3. 集成电路设计简洁，避免了计算机等复杂设备的使用，造价低廉，适于大规模推广应用；

4. 整套装置体积小，便携性好，适用于各种水质检测场合。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1为MFC信号发生器结构图，其中1为阳极、2为阴极、3为离子交换膜、4为进水口、5为出水口。

图2为信号采集及报警电路结构框图。

图3 为水体毒性检测装置整体示意图。

图4为第一优选实施例的结果曲线图。

图5为第二优选实施例的结果曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

如图2、图3，为水体毒性检测装置整体示意图，包括MFC信号发生器、单片机模块、声光报警系统和电源模块；单片机模块与MFC信号发生器以及声光报警系统相连接，电源模块为单片机最小系统和声光报警系统提供工作电压如图1，所述MFC信号发生器采用双室微生物燃料电池。单片机模块采用单片机最小系统。如图1，所述MFC信号发生器由阳极1、阴极2和离子交换膜3组成，阳极和阴极被离子交换膜分隔开。

单片机最小系统包括了单片机MSP430G2553 和提供时钟信号的晶振和用于下载程序的JTAG接口。其中单片机MSP430G2553是具有16KB Flash、512B RAM的低功耗16位MSP430微控制器。

单片机MSP430G2553内部集成了8通道的10位模数转换器。模数转换器可以通过程序选择使用外部或者内部参考电压，内部参考电压有2.5伏和1.5伏。当选择1.5伏时，其最小分辨电压可达1.5mV。本系统就是选择内部参考电压1.5伏。

电源模块包括了一枚9伏电池和线性稳压器AS1117。线性稳压器AS1117可以将电池的9伏输入转换成稳定的3.3伏输出，供整个系统使用。

显示模块是一块型号为LCD12864的点阵液晶，可以显示4行的字符，每行可以显示16个ASCII码字符。

声光报警提示模块由一个蜂鸣器、LED灯及与其相连的限流电阻组成。其中由于蜂鸣器所需的输入电流较大，于是使用一只三极管8550，能够增大单片机MSP430G2553的输出电流。

选择单片机MSP430G2553的P11端口作为待测量电压的输入端；单片机MSP430G2553的P10端口、P20端口分别连接蜂鸣器和发光二极管。

系统运行时，单片机MSP430G2553的内部10位模数转换器不断测量P11端口输入的待测电压，并将电压值实时显示在液晶LCD12864上。当测量到电压低于系统阈值伏时，单片机MSP430G2553将它的P10端口设置为低电平，从而蜂鸣器发出响声。同时，单片机MSP430G2553将它的P20端口设置为高电平，从而发光二极管被点亮。这样达到了声光提示报警的效果。

本发明提供的水质综合毒性检测方法包括以下步骤：

1.启动MFC信号发生器，获得检测基线。用腐败希瓦氏菌接种到MFC阳极，外接2000欧姆电阻，两个小时内MFC输出电压达到稳定状态，此时将MFC与信号处理与报警电路连接，电路中装有小负荷电阻，两个小时内MFC输出电压达到另一个稳定状态，这个稳定状态就是检测时的基线。

2.进水检测与报警。给MFC信号发生器进水样，当水样中包含有毒物质时，会抑制阳极中的产电菌，使输出电压偏离基线，当偏离值达到程序的设定阈值时，单片机MSP430G2553将它的P10端口设置为低电平，从而蜂鸣器发出响声。同时，单片机MSP430G2553将它的P20端口设置为高电平，从而发光二极管被点亮。对于整个过程的电压变化，可以在电路上的液晶显示模块上看到。

以下再列举两个优选实例。

第一优选实施例：

在MFC阳极接种产电腐败希瓦氏菌，阴极加入浓度为50 mmol/L的铁氰化钾溶液，MFC外接2000欧姆负荷，2h后将MFC信号发生器与信号采集及报警电路连接，2h后，在电路中内嵌的小电阻作用下，输出电压达到稳定状态160mv。用电压表（CHY VC890D型，中国成元电子仪器公司）每隔60秒测定MFC产生的电压。此时往MFC阳极加入含有重金属离子Cd²⁺水样，使Cd²⁺浓度为0.2mg/L（即国标五类水要求浓度的20倍），结果MFC输出电压迅速下降，40min后电压降到100mv以下触发电路声光报警模块。（图3）

第二优选实施例：

在MFC阳极接种产电腐败希瓦氏菌，阴极加入铁氰化钾溶液，MFC外接2000欧姆负荷，2h后将MFC信号发生器与信号采集及报警电路连接，2h后，在电路中内嵌的小电阻作用下，输出电压达到稳定状态160mv。用电压表（CHY VC890D型，中国成元电子仪器公司）每隔60秒测定MFC产生的电压。此时往MFC阳极加入有机毒物硝基苯，使硝基苯浓度为0.17mg/L(即国标五类水要求浓度的10倍)，结果MFC输出电压迅速下降，50min后电压降到100mv以下触发电路声光报警模块。（图4）

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.基于微生物电化学信号的水体毒性检测方法，其特征在于包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述MFC信号发生器的阳极材料表面负载聚吡咯和蒽醌-2-磺酸钠（PPY/AQS）。

3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述MFC信号发生器的阳极采用腐败希瓦氏菌接种。

4.用于权利要求1所述检测方法的便携式水体毒性检测装置，其特征在于，包括MFC信号发生器、单片机模块、声光报警系统和电源模块；单片机模块与MFC信号发生器以及声光报警系统相连接，电源模块为单片机最小系统和声光报警系统提供工作电压。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述单片机模块采用单片机最小系统。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述MFC信号发生器的阳极材料采用石墨毡，电极表面负载2-10库伦的聚吡咯/蒽醌-2-磺酸钠（PPY/AQS），所述负载是使阳极电极在吡咯浓度为135mmol/L和AQS浓度为10 mmol/L的水溶液中进行电聚合反应，在电极上生成PPY/AQS产物；所述MFC信号发生器的阴极液使用浓度为50 mmol/L的铁氰化钾水溶液。

7.如权利要求4所述的装置，其特征在于还包括液晶显示模块，液晶显示模块由电源模块提供工作电压，与单片机最小系统相连接，显示MFC信号发生器输出的电压信号。