CN108279230B - 一种微流控型水质毒性分析检测装置及其检测分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种微流控型水质毒性分析检测装置及其检测分析方法，本发明涉及环境保护领域与生化安全领域。本发明要解决现有装置消耗发光菌量大，检测准确性差的技术问题。装置包括发光菌储液池、待测水样储液池、缓冲液储液池、发光菌液驱动器、待测水样驱动器、缓冲液驱动器、混合器、微型流通测定池、废液池、双芯光纤、光敏传感器、电缆和采样器；发光菌储液池出口与第一三通换向阀的第一入口连通，发光菌液驱动器出口与第一三通换向阀的第二入口连通，第一三通换向阀出口与三通的第一入口连通。方法：测得到空白对照值；清洗通道；测得到水样测定值；计算水样的浓度或毒性；清洗通道。本发明具有很低的使用成本，短的稳定时间，而且具有很好的重复性。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护领域与生化安全领域，具体涉及一种水质毒性分析检测装置及其检测分析方法。
背景技术
水体中的污染物种类繁多，不仅会破坏生态环境，而且会威胁人身健康；此外，水源地、饮水系统在战争、恐怖袭击或者事故时，也面临多方面的威胁。基于发光菌的毒性分析方法与仪器相对物化检测方法与设备具有相对低的价格，且可以从细胞层面反应毒理作用。
现阶段的基于发光菌的毒性分析方法与仪器，在使用的过程中，具有以下问题：
第一、截至目前，基于发光菌的毒性检测均采用的是测定管，测定体积从200微升到1毫升，无论测定管是否有盖子，液面上方都是暴露在空气中。发光菌普遍属于兼性菌，因此在消耗掉与被测物质混合带入的氧之后，会渐渐上浮到液面附近以获得氧气，从而使原本均匀分布的菌体在纵向渐渐呈现不同菌密度分布。目前市场上的发光菌水质检测设备的检测窗口，都设置在侧面下方，即使在没有有毒物质混合的时候，也会测得很大的信号变化，因此要等约15分钟才能稳定，测定体积越大，稳定时间越长，这大大增加了检测所需时间；
第二、因为发光菌信号弱,所以现有方法普遍采用增大发光菌用量，以增加发光强度，但是增加了设备的使用成本；实际实验表明，增加菌密度与光信号增强并非是线性的。因为菌体自身的存在，测定管内液体透过率变差，起作用的只是外层菌体，所以整体效率并不因增大菌量而效果显著；
第三、发光菌不是溶液，测定体积大将导致发光菌与样品不易混合均匀，而菌的趋化性行为将进一步使其在测定管中的分布不均匀，从而导致检测结果不准确；
第四、检测前需要手动将样品与发光菌混合并置于检测装置，在连续检测或高通量检测时无法保证所有样品起始时间的一致性，导致检测结果不准确；
第五、由于采用手动操作提取发光菌和样品，人为误差和移液枪误差极容易导致检测结果不准确；
第六、现有方法操作繁琐，无法实现水质的长时间的监测。
解决以上问题，将会使水质毒性分析检测设备发展到一个新的高度。
发明内容
本发明要解决现有水质毒性分析检测装置存在消耗发光菌量大，影响检测信号因素多，导致检测准确性差的技术问题，而提供一种微流控型水质毒性分析检测装置及其检测分析方法。
一种微流控型水质毒性分析检测装置，包括发光菌储液池、待测水样储液池、缓冲液储液池、发光菌液驱动器、待测水样驱动器、缓冲液驱动器、混合器、微型流通测定池、废液池、双芯光纤、光敏传感器、电缆、采样器；
其中发光菌储液池出口与第一三通换向阀的第一入口连通，发光菌液驱动器出口与第一三通换向阀的第二入口连通，第一三通换向阀出口与三通的第一入口连通；
缓冲液储液池的出口与第二三通换向阀的第一入口连通，缓冲液驱动器的出口与第二三通换向阀的第二入口连通，第二三通换向阀的出口与第三三通换向阀的第一入口连通；待测水样储液池的出口与第四三通换向阀的第一入口连通，待测水样驱动器的出口与第四三通换向阀的第二入口连通，第四三通换向阀的出口与第三三通换向阀的第二入口连通；第三三通换向阀的出口与与三通的第二入口连通；
三通的出口与混合器的入口连通；混合器的出口连通微型流通测定池的入口，微型流通测定池的出口连通废液池入口；
微型流通测定池内部设有微流体通道，微流体通道两侧各设一个光学检测窗口，分别与双芯光纤的两个分支端子连接，双芯光纤的主干与光敏传感器输入口连接，光敏传感器的输出口通过电缆与采样器连接。
该装置包括微流体系统与检测系统；其中，微流体系统分为发光菌通道、待测水样通道、缓冲液通道、混合通道、检测通道和废液通道；
发光菌通道包括：发光菌储液池、发光菌液驱动器和第一三通换向阀；
待测水样通道包括：待测水样储液池、待测水样驱动器和第四三通换向阀；
缓冲液通道包括：缓冲液驱动器、缓冲液储液池和第二三通换向阀；
第三三通换向阀切换待测水样通道与缓冲液通道；缓冲液通道既作为发光菌与缓冲液汇流，提供空白对照值使用，也独立作为清洗通道使用；
混合通道包括：三通和混合器；
检测通道为微型流通测定池；
废液通道为废液池；
所述检测系统包括：双芯光纤、光敏传感器、电缆和采样器；
长时间检测分析时，设置发光菌制冷器包覆发光菌储液池。
所述一种微流控型水质毒性分析检测装置的检测分析方法，具体按以下步骤进行：
步骤a、将第三三通换向阀切换至缓冲液储液池，缓冲液驱动器从缓冲液储液池抽取缓冲液，发光菌液驱动器从发光菌储液池抽取发光菌，通过三通和混合器注入微型流通测定池，利用采样器记录稳定信号，得到空白对照值；
步骤b、将第三三通换向阀继续切换至缓冲液储液池，缓冲液驱动器从缓冲液储液池抽取缓冲液，将缓冲液通过三通和混合器注入微型流通测定池，将微型流通测定池内的残液推入废液池，直至采样器记录信号与无发光菌时测得信号一致；
步骤c、将第三三通换向阀切换至待测水样储液池，待测水样驱动器从待测水样储液池抽取待测水样，发光菌液驱动器从发光菌储液池抽取发光菌，通过三通和混合器注入微型流通测定池，利用采样器记录稳定信号，得到水样测定值；
水样测定值与步骤a得到的空白对照值的比值为相对发光强度，相对发光强度的一半为EC50，即为引起发光菌50％相对发光强度的待测水样的浓度或毒性；
步骤d、将第三三通换向阀切换至缓冲液储液池，缓冲液驱动器从缓冲液储液池抽取缓冲液，将缓冲液通过三通和混合器注入微型流通测定池，将微型流通测定池内的残液推入废液池，直至采样器记录信号与无发光菌时测得信号一致；完成所述检测分析方法。
本发明的有益效果是：
第一、由于本发明分析检测装置及其水质检测方法可以在集成有若干微通道和微型流通测定池的封闭系统中实现，微通道与微型流通测定池内没有空气，因此，同现有的检测设备相比，消除了测定管内空气造成的影响，曲线波动更小，进入稳定更快；
第二、具有单次检测的体积小的特点(3～30微升，与测定流通池容积有关)，进而降低了检测使用成本；消耗发光菌量减少85％以上；
第三、由于设置了快速混合微通道，相比现有检测设备，不仅混合均匀，而且混合接触时间可控(3～10秒，与流速有关)，因此检测结果更准确；
第四、由于本发明自发光菌水质分析设备和方法采用了可控进样三通阀，不仅保证了在连续检测或高通量检测时不同样品检测的起始时间一致性，也避免了手动操作提取发光菌和样品时的人为误差和移液枪误差，因此确保了检测结果准确性；
第五、由于本发明采用的微型流通测定池通过双芯光纤对检测样本信号求和，因此虽然菌量少，但是会获得足够多的光通量；
第六、本发明实现了进样驱动、混合、检测到清洗的所有步骤，因此适用于水质长时监测。
本发明用于水质毒性分析检测。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种微流控型水质毒性分析检测装置的结构示意图；
图2为具体实施方式三所述的一种微流控型水质毒性分析检测装置的结构示意图；
图3为实施例一检测分析结果曲线图；其中，曲线A-E为步骤a的检测数据，曲线A’-E’为步骤c的检测数据。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种微流控型水质毒性分析检测装置，包括发光菌储液池1、待测水样储液池2、缓冲液储液池21、发光菌液驱动器3、待测水样驱动器4、缓冲液驱动器41、混合器7、微型流通测定池8、废液池9、双芯光纤10、光敏传感器11、电缆12、采样器13；
其中发光菌储液池1出口与第一三通换向阀5-1的第一入口连通，发光菌液驱动器3出口与第一三通换向阀5-1的第二入口连通，第一三通换向阀5-1出口与三通6的第一入口连通；
缓冲液储液池21的出口与第二三通换向阀5-2的第一入口连通，缓冲液驱动器41的出口与第二三通换向阀5-2的第二入口连通，第二三通换向阀5-2的出口与第三三通换向阀5-3的第一入口连通；待测水样储液池2的出口与第四三通换向阀5-4的第一入口连通，待测水样驱动器4的出口与第四三通换向阀5-4的第二入口连通，第四三通换向阀5-4的出口与第三三通换向阀5-3的第二入口连通；第三三通换向阀5-3的出口与与三通6的第二入口连通；
三通6的出口与混合器7的入口连通；混合器7的出口连通微型流通测定池8的入口，微型流通测定池8的出口连通废液池9入口；
微型流通测定池8内部设有微流体通道，微流体通道两侧各设一个光学检测窗口，分别与双芯光纤10的两个分支端子连接，双芯光纤10的主干与光敏传感器11输入口连接，光敏传感器11的输出口通过电缆12与采样器13连接。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：微型流通测定池8的光学检测窗口微透明材质，其余部分为不透明材质。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：设置发光菌制冷器14包覆发光菌储液池1。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：微型流通测定池8内部为密闭环境。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种微流控型水质毒性分析检测装置的检测分析方法，具体按以下步骤进行：
步骤a、将第三三通换向阀5-3切换至缓冲液储液池21，缓冲液驱动器41从缓冲液储液池21抽取缓冲液，发光菌液驱动器3从发光菌储液池1抽取发光菌，通过三通6和混合器7注入微型流通测定池8，利用采样器13记录稳定信号，得到空白对照值；
步骤b、将第三三通换向阀5-3继续切换至缓冲液储液池21，缓冲液驱动器41从缓冲液储液池21抽取缓冲液，将缓冲液通过三通6和混合器7注入微型流通测定池8，将微型流通测定池8内的残液推入废液池9，直至采样器13记录信号与无发光菌时测得信号一致；
步骤c、将第三三通换向阀5-3切换至待测水样储液池2，待测水样驱动器4从待测水样储液池2抽取待测水样，发光菌液驱动器3从发光菌储液池1抽取发光菌，通过三通6和混合器7注入微型流通测定池8，利用采样器13记录稳定信号，得到水样测定值；
水样测定值与步骤a得到的空白对照值的比值为相对发光强度，相对发光强度的一半为EC50，即为引起发光菌50％相对发光强度的待测水样的浓度或毒性；
步骤d、将第三三通换向阀5-3切换至缓冲液储液池21，缓冲液驱动器41从缓冲液储液池21抽取缓冲液，将缓冲液通过三通6和混合器7注入微型流通测定池8，将微型流通测定池8内的残液推入废液池9，直至采样器13记录信号与无发光菌时测得信号一致；完成所述检测分析方法。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种微流控型水质毒性分析检测装置，包括发光菌储液池1、待测水样储液池2、缓冲液储液池21、发光菌液驱动器3、待测水样驱动器4、缓冲液驱动器41、混合器7、微型流通测定池8、废液池9、双芯光纤10、光敏传感器11、电缆12、采样器13；
其中发光菌储液池1出口与第一三通换向阀5-1的第一入口连通，发光菌液驱动器3出口与第一三通换向阀5-1的第二入口连通，第一三通换向阀5-1出口与三通6的第一入口连通；
缓冲液储液池21的出口与第二三通换向阀5-2的第一入口连通，缓冲液驱动器41的出口与第二三通换向阀5-2的第二入口连通，第二三通换向阀5-2的出口与第三三通换向阀5-3的第一入口连通；待测水样储液池2的出口与第四三通换向阀5-4的第一入口连通，待测水样驱动器4的出口与第四三通换向阀5-4的第二入口连通，第四三通换向阀5-4的出口与第三三通换向阀5-3的第二入口连通；第三三通换向阀5-3的出口与与三通6的第二入口连通；
三通6的出口与混合器7的入口连通；混合器7的出口连通微型流通测定池8的入口，微型流通测定池8的出口连通废液池9入口；
微型流通测定池8内部设有微流体通道，微流体通道两侧各设一个光学检测窗口，分别与双芯光纤10的两个分支端子连接，双芯光纤10的主干与光敏传感器11输入口连接，光敏传感器11的输出口通过电缆12与采样器13连接。
所述一种微流控型水质毒性分析检测装置的检测分析方法，具体按以下步骤进行：
步骤a、将第三三通换向阀切换至缓冲液储液池，缓冲液驱动器从缓冲液储液池抽取缓冲液，发光菌液驱动器从发光菌储液池抽取发光菌，通过三通和混合器注入微型流通测定池，利用采样器记录稳定信号，得到空白对照值；
步骤b、将第三三通换向阀继续切换至缓冲液储液池，缓冲液驱动器从缓冲液储液池抽取缓冲液，将缓冲液通过三通和混合器注入微型流通测定池，将微型流通测定池内的残液推入废液池，直至采样器记录信号与无发光菌时测得信号一致；
步骤c、将第三三通换向阀切换至待测水样储液池，待测水样驱动器从待测水样储液池抽取待测水样，发光菌液驱动器从发光菌储液池抽取发光菌，通过三通和混合器注入微型流通测定池，利用采样器记录稳定信号，得到水样测定值；
水样测定值与步骤a得到的空白对照值的比值为相对发光强度，相对发光强度的一半为EC50，即为引起发光菌50％相对发光强度的待测水样的浓度或毒性；
步骤d、将第三三通换向阀切换至缓冲液储液池，缓冲液驱动器从缓冲液储液池抽取缓冲液，将缓冲液通过三通和混合器注入微型流通测定池，将微型流通测定池内的残液推入废液池，直至采样器记录信号与无发光菌时测得信号一致；完成所述检测分析方法。
步骤a中缓冲液为氯化钠溶液，质量浓度为0.85％。
步骤a中发光菌为青海弧菌，浓度约为107CFU/mL。
步骤a中缓冲液驱动器与发光菌液驱动器注入量的体积比为1:1。
步骤c中待测水样驱动器与发光菌液驱动器注入量的体积比为1:1。
本实施例检测分析结果曲线图如图3所述；其中，曲线A-E为步骤a的检测数据，曲线A’-E’为步骤c的检测数据；
其中曲线B-C反映发光菌与缓冲液混合样品充满微型流通测定的过程，D-E为稳定区间，其值作为空白对照值；B’-C’反映发光菌与待测样品混合样品充满微型流通测定池的过程，D’-E’为稳定区间，其值作为水样测定值。图中E’的强度值约为E的强度值的一半，其对应样品浓度即为EC50，即为引起发光菌50％相对发光强度的待测水样的浓度或毒性。
根据上述实施例，因为微型流通测定池的容积仅为30微升，所以消耗发光菌量少，而传统青海湖发光菌使用通常在200微升左右；因为全部过程由液体驱动器控制，所以消除了人为误差；因为系统密闭，所以消除了氧气的干扰，信号更平稳。
Claims (5)
1.一种微流控型水质毒性分析检测装置，其特征在于该装置包括发光菌储液池(1)、待测水样储液池(2)、缓冲液储液池(21)、发光菌液驱动器(3)、待测水样驱动器(4)、缓冲液驱动器(41)、混合器(7)、微型流通测定池(8)、废液池(9)、双芯光纤(10)、光敏传感器(11)、电缆(12)和采样器(13)；
其中发光菌储液池(1)出口与第一三通换向阀(5-1)的第一入口连通，发光菌液驱动器(3)出口与第一三通换向阀(5-1)的第二入口连通，第一三通换向阀(5-1)出口与三通(6)的第一入口连通；
缓冲液储液池(21)的出口与第二三通换向阀(5-2)的第一入口连通，缓冲液驱动器(41)的出口与第二三通换向阀(5-2)的第二入口连通，第二三通换向阀(5-2)的出口与第三三通换向阀(5-3)的第一入口连通；待测水样储液池(2)的出口与第四三通换向阀(5-4)的第一入口连通，待测水样驱动器(4)的出口与第四三通换向阀(5-4)的第二入口连通，第四三通换向阀(5-4)的出口与第三三通换向阀(5-3)的第二入口连通；第三三通换向阀(5-3)的出口与三通(6)的第二入口连通；
三通(6)的出口与混合器(7)的入口连通；混合器(7)的出口连通微型流通测定池(8)的入口，微型流通测定池(8)的出口连通废液池(9)入口；
微型流通测定池(8)内部设有微流体通道，微流体通道两侧各设一个光学检测窗口，分别与双芯光纤(10)的两个分支端子连接，双芯光纤(10)的主干与光敏传感器(11)输入口连接，光敏传感器(11)的输出口通过电缆(12)与采样器(13)连接。
2.根据权利要求1所述的一种微流控型水质毒性分析检测装置，其特征在于微型流通测定池(8)的光学检测窗口为透明材质，其余部分为不透明材质。
3.根据权利要求1所述的一种微流控型水质毒性分析检测装置，其特征在于设置发光菌制冷器(14)包覆发光菌储液池(1)。
4.根据权利要求1所述的一种微流控型水质毒性分析检测装置，其特征在于微型流通测定池(8)内部为密闭环境。
5.如权利要求1所述的一种微流控型水质毒性分析检测装置的检测分析方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：
步骤a、将第三三通换向阀(5-3)切换至缓冲液储液池(21)，缓冲液驱动器(41)从缓冲液储液池(21)抽取缓冲液，发光菌液驱动器(3)从发光菌储液池(1)抽取发光菌，通过三通(6)和混合器(7)注入微型流通测定池(8)，利用采样器(13)记录稳定信号，得到空白对照值；
步骤b、将第三三通换向阀(5-3)继续切换至缓冲液储液池(21)，缓冲液驱动器(41)从缓冲液储液池(21)抽取缓冲液，将缓冲液通过三通(6)和混合器(7)注入微型流通测定池(8)，将微型流通测定池(8)内的残液推入废液池(9)，直至采样器(13)记录信号与无发光菌时测得信号一致；
步骤c、将第三三通换向阀(5-3)切换至待测水样储液池(2)，待测水样驱动器(4)从待测水样储液池(2)抽取待测水样，发光菌液驱动器(3)从发光菌储液池(1)抽取发光菌，通过三通(6)和混合器(7)注入微型流通测定池(8)，利用采样器(13)记录稳定信号，得到水样测定值；
水样测定值与步骤a得到的空白对照值的比值为相对发光强度，相对发光强度的一半为EC50，即为引起发光菌50％相对发光强度的待测水样的浓度或毒性；
步骤d、将第三三通换向阀(5-3)切换至缓冲液储液池(21)，缓冲液驱动器(41)从缓冲液储液池(21)抽取缓冲液，将缓冲液通过三通(6)和混合器(7)注入微型流通测定池(8)，将微型流通测定池(8)内的残液推入废液池(9)，直至采样器(13)记录信号与无发光菌时测得信号一致；完成所述检测分析方法。
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