CN106405080A - 一种微囊藻毒素智能检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种能够实时快速地检测水体中微囊藻毒素的智能检测系统，它的组成部分包括：传感探头、自动采样系统、数据采集模块、数据处理模块、数据输出模块、控制模块和终端设备等几个主要部分。该微囊藻毒素智能检测装置通过自动采样系统从水体的若干采样点采集水样并传送至样品池，传感探头对样品池中微囊藻毒素的浓度做出反应并将浓度变化引起的化学信号转换成电信号，然后通过信号处理模块的处理转换成数字信号，经过信号输出模块到达终端设备显示。该系统可以对采样点进行实时定位，并能实现信息的无线传输和远程控制，利用所制备的微囊藻毒素智能检测系统可以实现对水体中微囊藻毒素的远程化、智能化分析检测。

Description

一种微囊藻毒素智能检测系统

技术领域：

一种水中微囊藻毒素智能检测系统，本发明涉及富营养化水体中微囊藻毒素的检测技术领域，同时还涉及一种微囊藻毒智能检测装置，该智能检测系统适用于受蓝藻水华污染的自然水体中微囊藻毒素的人工智能化快速检测。

背景技术：

水体富营养化是我国目前及以后相当长一段时期内面临的重大水环境问题。水体的富营养化直接导致蓝藻的大量生长，产生“水华”现象。而微囊藻属于其中分布最广泛的一种蓝藻，大约75％微囊藻水华产生微囊藻毒素(Microcystin，MC)。

微囊藻毒素可通过对肝脏中的肝细胞和肝巨噬细胞的作用，抑制肝细胞中蛋白磷酸酶的活性，诱发巨噬细胞中肿瘤坏死因子和白细胞介素-1，导致疾病产生；高浓度时，可引起急性反应如肝炎症、肝出血，甚至肝坏死。家畜及野生动物饮用了含藻毒素的水后，会出现腹泻、乏力、厌食、呕吐、嗜睡、口眼分泌物增多等症状，甚至死亡。病理病变有肝脏肿大、充血或坏死，肠炎出血、肺水肿等。对于人类健康，微囊藻毒素也具有很大危害性。人们在洗澡、游泳及其他水上休闲和运动时，皮肤接触含藻毒素水体可引起敏感部位(如眼睛)和皮肽过敏；少量喝入可引起急性肠胃炎；长期饮用则可能引发肝癌。医学部门已发现饮水中微量微囊藻毒素与人群中原发性肝癌的发病率有很大相关性。此外，微囊藻毒素对水生动物也有影响。含一定浓度藻毒素的水体可使鱼卵变异，蚤类死亡，鱼类行为及生长异常，水华暴发也常使大量水生生物死亡。

目前对微囊藻毒素的检测方法有多种，最常用的方法是高效液相色谱法、液相色谱-质谱联用法、薄层层析法、酶联免疫分析法(ELISA)等，这些方法虽然灵敏可靠，但普遍存在仪器昂贵、前处理手续繁杂、不易实现人工智能化等不足。

分子印迹技术是一种多学科交叉的新型技术、涉及材料科学、高分子合成和生物化学等领域，其特点是分子识别和专一性结合。结合分子印迹技术的智能检测装置利用分子印迹的专一性识别功能，具有很高的灵敏性和选择性。随着人们对环境检测技术和设备要求的不断提高，检测设备的智能化成为未来发展的必然趋势。结合分子印迹技术的智能检测装置因其独特的优势更加便于实现环境指标检测的远程化和自动化。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题在于提供一种智能化快速检测微囊藻毒素的系统。该系统包括传感探头、自动采样系统、数据采集模块、数据处理模块、数据输出模块、控制模块和终端设备几部分。其中分子印迹传感探头包含支撑柱和检测芯片两部分，检测芯片由金基底、自组装在金基底表面的铂纳米粒子以及修饰在最外层的分子印迹纳米颗粒的三层“夹心”结构组成。该智能检测装置通过自动取样系统从不同取样点自动取样，通过分子印迹传感探头上分子印迹颗粒的专一性识别功能快速专一性识别水体中的微囊藻毒素污染物，溶液中浓度变化产生的化学信号转换成电信号汇集到数据采集模块，经过数据处理模块的处理转换成数字信号由数据输出模块输出到终端设备。

其中控制系统可以根据终端设备发出的指令做出相应的反应，包括开关设备、控制采样点的数量等。

GPRS定位通讯模块用于无线传输检测数据到达移动终端，例如手机等设备，并且可通过移动终端对智能检测系统下达指令。

终端设备连接有电容型可触控式显示屏和语音提示装置，操作人员可以通过触摸屏对智能检测系统下达指令并显示检测数据，当检测数据超出阈值时由控制系统发出指令使语音提示装置发出警告。终端设备同时与控制系统相连，当通过终端下达指令后，控制系统接受指令并对智能检测装置的各项动作进行控制。

自动采样系统的结构为多通道蠕动泵连接数根输送细管，其能够将自然水体中不同采样位点的样品传送到各自对应的检测样品池，经传感探头进行检测。

数据采集模块将传感探头产生的电信号收集并传输到数据处理模块。

数据处理模块将电信号转换成数字信号并传送到数据输出模块。

数据输出模块将得到的数字信息以数据包的方式传输到终端设备。

所述的分子印迹传感探头表面固定的分子印迹纳米颗粒其微囊藻毒素模板分子、功能单体、交联剂、引发剂、致孔剂之间的比例为比例1∶10～25∶50～70∶1～2∶500～1000。使用的功能单体为甲基丙烯酸或丙烯酰胺中的至少一种，所述的交联剂为二甲基丙烯酸乙二醇酯和二乙烯基苯中的一种，所述热引发剂为偶氮二异丁腈，致孔剂为乙腈或二氯乙烷中的至少一种。

所述传感芯片表面修饰的分子印迹纳米颗粒，洗脱模板分子采用的方法是使用9∶1的甲醇-乙酸溶液超声洗涤12-24h至模板分子在洗脱溶中检测不到。

所述的微囊藻毒素分子印迹传感探头，其特征在于分子印迹纳米颗粒在传感探头上的固定采用旋涂镀膜法，分子印迹聚合物纳米颗粒混合聚氯乙烯、邻苯二甲酸二乙酯，然后加入到四氢吠喃中，超声混匀，得到镀膜液，将步骤四制备的镀膜液滴在金基底中央，然后将芯片基底放在旋涂器上旋涂成膜。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

本发明是一种集自动采集样品、检测、数据传输、预警和远程操控于一体的微囊藻毒素检测装置，无需人员到达采样现场对样品进行采集，可以大大提高水体中微囊藻毒素检测的工作效率，节省人工成本。

本发明可以人为设定采样点的采样频率，可以实现对水体中微囊藻毒素的实时在线监测，对于水体中微囊藻毒素污染物的监测、控制和及时治理提供了有效帮助。

本发明的GPS定位模块可以对采样点的位置进行实时定位，防止采样位置随着水体流动而发生位置偏移，影响采样的位点分布。

本发明的GPRS无线信号传输功能可以实现对检测装置的工作情况以及采样点微囊藻毒素含量等信息进行实时反馈并实现对设备的实时操控。

本发明采用分子印迹纳米颗粒作为微囊藻毒素的识别元件，这种颗粒对微囊藻毒素具有高度专一性，同时分子印迹颗粒具有良好的化学稳定性和物理稳定性，能够抵抗受污染水体中可能存在的酸、碱、有机溶剂等不利因素。

附图说明

图1为本发明的模块结构示意图

图2为本发明的传感探头的结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的微囊藻毒素智能检测系统，一般用于监测河流、胡泊等天然水体中的水环境污染物微囊藻毒素，其结构包含传感探头、自动采样系统、GPS定位系统、数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块、GPRS通讯模块、控制模块、以及终端设备。

本发明设有自动采样系统，该系统可以利用多通道蠕动泵通过管道将设置在不同位置的采样点的水样吸到各自对应的检测样品池中，无需人工到现场采样。

本发明的传感探头下方设有样品池，不同的采样点采集的水样分别对应不同样品池，由若干个置于样品池上方的相同传感探头对水样进行检测。

本发明中的传感探头与数据采集模块相连，由传感探头产生的电信号传输至数据采集模块，数据采集模块将接收到的数据整合并传输至下一模块。

数据采集模块与数据处理模块相连，其功能是收集电信号，并传输至数据处理模块。数据处理模块与数据输出模块相连，其功能是将来自数据采集模块的电信号转换成直观数字信号，并以数据包的形式传送至数据传输模块。

数据输出模块带有GPRS通讯系统，其能够将检测数据通过有线或者无线的形式传输到电脑或手机终端。

控制系统的作用为根据终端设备发出的指令做出相应的反应，包括开关设备、控制采样点的数量等。

终端设备与控制系统相连，能够显示检测数据以及下达指令，终端设备与互联网连接，可以实现数据上传到云端。同时终端设备带有语音提示装置和电容式触摸显示屏，当系统检测到的微囊藻毒素含量超出设定的阈值时，可通过控制系统向语音提示装置发出指令使语音提示装置发出警告，并且根据超标量系统会自动给出2～3个处理方案。电容式触摸显示屏可以通过手指触碰在菜单上操作，包括对检测系统下达指令、数据的显示、以及数据的上传、输送和下载。

微囊藻毒素检测芯片的制备方法为：首先进行模板分子和功能单体的预聚合：在100ml玻璃瓶中按照微囊藻毒素、甲基丙烯酸和二氯乙烷1∶25∶1000的比例于室温下放置在摇床震荡160rpm震荡速度震荡12h，使模板分子和功能单体充分作用形成复合物。然后进行分子印迹热聚合，向上述预聚合液中按照与微囊藻毒素1∶70∶2的比例加入交联剂EGDMA和偶氮二异丁腈，通氮气除氧15min，真空密封后放入恒温震荡水浴锅中，于400rpm、60℃下反应24h，生成球状分子印迹聚合物。最后进行印迹颗粒模板分子的洗脱：用体积比为9∶1的甲醇-乙酸溶液在索氏抽提器中反复抽提24-48h，直至印迹分子完全洗脱干净，产物用双蒸水淋洗，以除去甲醇和乙酸。在50℃-70℃下真空干燥至恒重。将制备好的分子印迹纳米颗粒分子印迹聚合物纳米颗粒按照质量比3∶1混合聚氯乙烯，然后加入到含10％(v/v％)邻苯二甲酸二乙酯的四氢吠喃中，制成2.5mg/mL的混合液，超声混匀，得到镀膜液，将制备的镀膜液滴在修饰有铂纳米粒子的金基底中央，然后将修饰有分子印迹纳米颗粒的金基底放在旋涂器上旋涂成膜氮气吹干。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，其并不能够限定本发明，任何该技术领域人员在不脱离本发明的精神和范围内做出的可能的改动和修饰均落入本发明权利要求所限定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水中微囊藻毒素智能检测系统，其特征在于包含微囊藻毒素传感探头、自动采样系统、数据采集模块、数据处理模块、数据输出模块、GPRS通讯模块、GPS定位模块、控制模块和终端设备组成。所述的微囊藻毒素传感探头包含支撑柱和检测芯片两部分，检测芯片由金基底、自组装在金基底表面的铂纳米粒子以及修饰在最外层的分子印迹纳米颗粒的三层“夹心”结构组成。所述的微囊藻毒素智能检测系统的自动采样装置带有多通道蠕动泵，通过蠕动泵从自然水体的若干采样点采集水样，并将样品传输至样品池中，传感探头对样品池中微囊藻毒素的浓度做出反应，将样品池中产生的化学信号转换成电信号传输至信号采集模块，信号采集模块将收集的数据通过信号处理模块的处理经过信号输出模块通过有线或无线的方式输出，最终到达终端设备，终端设备带有语音提示装置和电容式触摸显示屏。

2.如权利要求书1所述的微囊藻毒素智能检测系统，其检测芯片表面分子印迹颗粒所用功能单体为甲基丙烯酸或丙烯酰胺中的至少一种，所用的交联剂为二甲基丙烯酸乙二醇酯和二乙烯基苯中的一种，所述热引发剂为偶氮二异丁腈，所述至孔剂为乙腈、二氯乙烷中的至少一种，所用模板分子洗脱方法为使用9∶1的甲醇-乙酸溶液超声洗涤12-24h至模板分子在洗脱溶中检测不到。

3.如权利要求书1中所述的微囊藻毒素智能检测系统，其特征在于分子印迹纳米颗粒在传感芯片上的固定采用旋涂镀膜法，将制备好的分子印迹纳米颗粒分子印迹聚合物纳米颗粒按照质量比3∶1混合聚氯乙烯，然后加入到含10％(v/v％)邻苯二甲酸二乙酯的四氢吠喃中，制成2-4mg/mL的混合液，超声混匀，得到镀膜液，将制备的镀膜液滴在金基底中央，然后将芯片基底放在旋涂器上旋涂成膜。

4.如权利要求书1所述的微囊藻毒素智能检测系统，其特征在于可以通过终端设备对采样方式、采样点数、样品量、自动采样时间间隔等条件进行人为设定。

5.如权利要求书1所述微囊藻毒素智能检测系统其特征在于可以通过GPS定位装置对远程监测采样点进行定位，实现对采样点的远程位置监控。

6.如权利要求书1所述的微囊藻毒素智能检测系统，数据处理模块可将数据采集模块收集的电信号转换成数字信号经数据输出模块传输到终端设备。

7.如权利要求1所述的数据采集模块带有远程控制装置和无线传输系统。能够远程控制设备的采样时间和间隔，指令通过移动设备以无线信号的形式发出通过无线传输系统将指令下达给数据采集模块。

8.如权利要求1所述的微囊藻毒素智能检测系统，其特征在于数据传输模块连接有GPRS通讯模块，该模块可以通过无线信号将数据传送至手机或平板电脑等移动终端，同时当检测数值超出阈值时可以向移动终端发送报警信号。

9.如权利要求书1所述的微囊藻毒素智能检测系统，其特征在于当检测数据显示水体中微囊藻毒素含量超过阈值时，系统会自动给出2～3个处理方案。

10.如权利要求书1所述的微囊藻毒素智能检测系统，其特征在于自动采样系统带有多通道蠕动泵和数根导管，通过蠕动泵将不同采样点的样品采集到样品池中。