CN109856121A - 一种水质生物毒性在线检测的装置 - Google Patents

Abstract

一种水质生物毒性在线检测的装置，包括制样单元(包括水样预处理单元)、机械手单元、取样检测单元及驱动分析单元，且制样单元和取样检测单元都采用平行双通道的技术方案，可以实现参比水样和待测水样的同时测定，消除了系统误差和测量偏差，本装置具有操作简单、维护方便、自动化程度高、可灵活配置等特定，特别适用于地表水、饮用水源水及各种污水的实时在线水质毒性检测。

Description

一种水质生物毒性在线检测的装置

技术领域

本发明涉及一种基于发光细菌毒性响应的水质毒性评价的在线测量装置及检测方法，其应用领域包括各种天然水体及各种污水的水质生物毒性实时在线监测，属于环境监测领域。

背景技术

当前水环境污染物的传统分析方法大都是化学分析，费时费力，且因各种化学物质相互可能发生拮抗或协同效应，不能直接判定样本毒性大小；另外，存在于自然环境中对人体有害的物质种类有数万种，而所有环境标准中规定的污染物都是有限的，不可能对每一种物质的浓度/含量都检测出来。

动物毒性实验以哺乳类、鱼类、水蚤等为受试对象，代价高、周期较长或操作繁琐，也不满足需要快速、灵敏的水环境急性毒性评价的要求；发光细菌急性毒性试验能直接、客观地反映出原水对生物的急性毒性。这一方法经研究被证实具有快速、简便的特点，同时有很好的灵敏度和可靠性。可以较好的满足上述要求。另外，发光细菌本身没有危害性。该方法是建立在生物传感器基础上的毒性检测系统，水样毒性的强弱，可以通过光线变弱的程度与无毒对照空白实验的比较来表示。对于因为事故或故意破坏及其他原因造成的污染，毒性测试可以在15分钟内快速展现水的毒性。发光细菌急性毒性试验非常适合检测化学污染毒性，保证监督机构对水质变化能够作出快速反应。发光细菌急性毒性试验也可以对饮用水中的慢性毒性物质进行监测，为全面保障供水安全与卫生提供一种快速、有效的方法。

近年来，国内外研究机构及公司研发了一系列基于发光细菌的在线分析设备，包括荷兰MicroLan公司研制的TOXControl在线毒性分析仪，比利时 AppliTek公司研制的AppliTox在线毒性分析仪，以及国内南京大学和深圳朗石合作研发的在线发光细菌毒性监测系统等。这些技术和产品在市场上取得一定的应用成果，但是没有考虑实际检测目标中含有的复杂基质及污染物浓度对检测结果的影响，造成了在实际应用中遇到很大障碍和问题，主要表现在下面3个方面：(1)实际待测对象中悬浮物及浊度的影响：由于基于发光细菌的在线测量设备的核心还是微弱光信号的检测，而水体中的悬浮物及浊度会折射光信号并影响有效光强度，造成检测结果偏差甚至错误；(2)仪器中水样检测单元通常是一个透明池体，会随着检测次数的增加造成池体污染，从而影响检测结果，造成测量结果漂移；(3)待测水体的污染程度影响仪器的测量范围，当前的仪器测量低污染水体的时候效果较好，但在污水及工业废水等高毒性水体的检测则表现不佳，无法在高毒性水体中进一步评价其相对的毒性级别。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术及产品存在的问题及缺陷，提供一种可以适合各种复杂水体在线监测的、可连续稳定运行的发光细菌生物毒性在线检测装置及检测方法。它主要通过平行双流路结合平行双光路的技术方案消除检测误差；通过水样预处理模块消除待测水样中干扰因素带来的影响；同时灵活的流路结合检测流程的配置可以实现水样的自动稀释，从而调整水质以保证仪器稳定可靠运行。

一种水质生物毒性在线检测的装置，包括制样单元、取样检测单元及驱动分析单元，其特征在于，所述制样单元包括盐液池、纯水池、水样池、菌液储存池、菌液复苏池和水样反应池、参比反应池，水样池通过蠕动泵和原水容器相连；取样检测单元包括机械手单元，机械手单元包括取样针，取样检测单元包括检测暗室和检测暗室内的注射器以及光电检测器，注射器通过取样盘管和取样针相连，取样针用于抽取盐液池、纯水池、水样池、菌液储存池、菌液复苏池和反应池内的液体，驱动分析单元包含驱动电路、信号处理电路及上位工控设备，光电检测器连接到信号处理电路，驱动电路、信号处理电路连接到上位工控设备上进行数据交互。

优选地，所述盐夜池通过第一蠕动泵和盐液瓶相连，所述纯水池通过第二蠕动泵和纯水瓶相连，所述水样池通过第三蠕动泵原水容器相连，原水容器内具有膜过滤器。

优选地，所述机械手单元包括X轴平移台、Y轴平移台，以及取样针固定台，取样针固定台固定在X轴平移台。

优选地，光电检测器的光敏面靠近且直对着注射器的下半部分

优选地，膜过滤器为中空纤维膜、平面微滤膜、或陶瓷膜构成，其中膜透过孔径在0.2μm～200μm之间。

附图说明

图1是本发明涉及的水质生物毒性在线检测装置的结构示意图。

图2是配合本发明的检测装置的检测方法示意图。

图3是本发明的发光细菌复苏后的光强检测图。

图4是本发明的装置测定除余氯后自来水的毒性检测图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1所示，本发明涉及的装置主要包括四个单元，分别是制样单元、机械手单元、取样检测单元及驱动分析单元。首先制样单元的第一蠕动泵108 将盐液瓶111中的盐液输送到盐液池105，第二蠕动泵109将纯水瓶112中的纯水输送到纯水池106，第三蠕动泵110将原水容器113中的待测水样通过膜过滤器114输送进水样池107；然后机械手单元带动2个取样针203按照一定的比例将纯水池106中的纯水、盐液池105中的盐液及菌液储存池101中的发光细菌混合进菌液复苏池102中进行细菌培养；然后机械手单元带动2个取样针203按照一定的比例将纯水池106种的纯水、盐液池105中的盐液、水样池107中的待测水样按照一定的比例混合进反应池103和104内；然后取样检测单元进行第一次的光强测定，将菌液复苏池102中的细菌抽入注射器进行光强测定，获取2个通道的发光光强，记录为I⁰ _r(参考通道初始光强) 和I⁰ _s(测量通道初始光强)；然后将菌液复苏池102中培养后的细菌转移入反应池103和104；反应一段时间后，取样检测单元进行第二次的光强测定，将反应池103和104中的混合液同步抽入注射器进行光强测定，获取2个通道的发光光强，记录为I¹ _r(参考通道终光强)和I¹ _s(测量通道终光强)；然后机械手单元带动2个取样针将纯水输送进菌液培养池102，以及反应池103和104，对池子进行充分的清洗，然后作为废液排出；最后对测定的数据进行计算，获取当次测定的水质毒性值并进行输出。所有的机械动作及数据指令都由驱动分析单元发出，且数据分析也由此单已完成。

所述的机械手单元包括X轴平移台201、Y轴平移台202，以及取样针固定台203。

所述的取样检测单元由取样针301(2个)、取样盘管302(2根)、注射器 303(2个)、步进电机304、检测暗室305，以及光电检测器306(2个)组成。

所述的驱动分析单元包含驱动电路401、信号处理电路402及上位工控设备403。

所述的菌液储存池101包含磁力搅拌及温度控制，其中温度控制在3～6℃；所述；所述的菌液复苏池102包含磁力搅拌及温度控制，其中温度控制在15～18℃；所述的反应池103和104包含温度控制，其中温度控制在15～18℃。

所述的光电检测器306为光电倍增管或光电二极管构成。

所述的检测暗室305是一个密闭空间，所有零件结合的部位都用黑色密封圈连接，以保证环境光无法进行此密闭空间。

所述的膜过滤器为中空纤维膜、平面微滤膜、或陶瓷膜构成，其中膜透过孔径在0.2μm～200μm之间。

实施例1：发光细菌的保存及复苏

水质生物毒性在线检测装置的关键技术之一就是发光细菌如何在仪器内长期稳定的保存，以及需要使用时细菌性能的快速复苏，这样才能保证仪器连续监测的稳定性和可靠性。为了发光细菌的保存，所述装置中包含一个含有温控及磁力搅拌的菌液储存池101，此储存池的温度由驱动电路401进行控制，驱动电路401内的单片机采用PID算法将菌液储存池101的温度调整稳定到5±0.5℃，在此温度下，细菌代谢缓慢，可以保存超过10天，此外菌液储存池101中设置了磁力搅拌器，按照200转/s的速度对菌液进行充氧，以保证发光细菌生存需要的氧气浓度；当需要使用发光细菌进行样品测定时，需要将菌液储存池101中的发光细菌进行快速性能复苏，为此，所述装置中包含一个含有温控及磁力搅拌的菌液复苏池102，此复苏池的温度由驱动电路 401进行控制，驱动电路401内的单片机采用PID算法将菌液复苏池102的温度调整稳定到17±0.5℃，在此温度下，去100μL发光细菌菌液与1000μL 2％的氯化钠(NaCl)溶液混合，在5min后细菌性能够恢复，然后测定其发光光强值，此外菌液复苏池102中设置了磁力搅拌器，按照400转/s的速度对菌液进行强化充氧，进一步有效的提升菌液活性。如图3所示为2周时间周期内，装置内所述菌液储存池101内保存的发光细菌在进行活性复苏后光强变化，其中每天测定2次，图中可见，在所述的测试条件下，发光细菌经过复苏5min 后发光光强稳定在11万/s～15万/s之间，说明在2周的时间内，发光细菌的活性保持较好，能够满足装置运行的需要。

实施例2：水样的连续测定

采用本专利涉及的水质生物毒性在线检测装置，对实际水样进行连续测定的典型流程主要包括下面几个步骤：①初始化——将盐液、纯水、水样泵入相对应的盐液池105、纯水池106及水样池107内；②发光细菌复苏培养——将3000μL纯水、300μL盐液、100μL菌液混合进菌液复苏池102；③待测水样及参比水样的准备——将各3100μL的水样和纯水与300μL的盐液混合进反应池103和104；④将菌液复苏池102内的液体抽入注射器内测定2 个通道的发光亮度；⑤将菌液复苏池102内的液体转移到反应池103和104 内进行接触反应；⑥将反应池103和104内的液体同步抽入注射器内测定2 个通道的发光亮度；⑦采用纯水池106内的纯水清洗菌液复苏池102，反应池103和104；⑧测定结果计算及结果输出。单个测定周期约为15min～45min 左右，具体的时间取决于接触反应的时间(此时间可手动调节)。如附图4所示为实验水样——除掉余氯后的自来水——的连续测定数据，其中每天测定2 次，从图中可见，在2周的时间段内，去除余氯的自来水毒性值在±3％之间，装置运行稳定，没有出现明显的系统误差和测量偏差。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种水质生物毒性在线检测的装置，包括制样单元、取样检测单元及驱动分析单元，其特征在于，制样单元包含菌液储存池(101)、菌液复苏池(102)、水样反应池(103)、参比反应池(104)、盐夜池(105)、纯水池(106)，以及水样池(107)，取样检测单元由取样针(301)、取样盘管(302)、注射器(303)、步进电机(304)、检测暗室(305)，以及光电检测器(306)组成，取样盘管(302)用于连接取样针(301)和注射器(303)，而光电检测器(306)的光敏面靠近且直对着注射器(303)的下半部分，检测暗室(305)将注射器(303)隔离且光密封，取样针(301)用于吸取制样单元中的液体，所述的驱动分析单元包含驱动电路(401)、信号处理电路(402)及上位工控设备(403)，装置内所述的所有可电控的器件都连接到驱动电路(401)，以实现特定的动作，而光电检测器(306)连接到信号处理电路(402)，两个电路都连接到上位工控设备(403)上进行数据交互。

2.根据权利要求1所述的在线检测的装置，其特征在于，所述盐夜池(105)通过第一蠕动泵(108)和盐液瓶(111)相连，所述纯水池(106)通过第二蠕动泵(109)和纯水瓶(112)相连，所述水样池(107)通过第三蠕动泵(110)原水容器(113)相连，原水容器(113)内具有膜过滤器(114)。

3.根据权利要求1所述的在线检测的装置，其特征在于，所述机械手单元包括X轴平移台(201)、Y轴平移台(202)，以及取样针固定台(203)，取样针固定台(203)固定在X轴平移台(201)。

4.根据权利要求1所述的在线检测的装置，其特征在于，光电检测器(306)的光敏面靠近且直对着注射器(303)的下半部分。

5.根据权利要求2所述的在线检测的装置，其特征在于，膜过滤器为中空纤维膜、平面微滤膜、或陶瓷膜构成，其中膜透过孔径在0.2μm～200μm之间。

6.权利要求1所述的在线检测的装置的使用方法，其特征在于，首先制样单元的第一蠕动泵(108)将盐液瓶(111)中的盐液输送到盐液池(105)，第二蠕动泵(109)将纯水瓶(112)中的纯水输送到纯水池(106)，第三蠕动泵(110)将原水容器(113)中的待测水样通过膜过滤器(114)输送进水样池(107)；然后机械手单元带动取样针(203)按照一定的比例将纯水池(106)中的纯水、盐液池(105)中的盐液及菌液储存池(101)中的发光细菌混合进菌液复苏池(102)中进行细菌培养；然后机械手单元带动取样针(203)按照一定的比例将纯水池(106)种的纯水、盐液池(105)中的盐液、水样池(107)中的待测水样按照一定的比例混合进水样反应池(103)、参比反应池(104)内；然后取样检测单元进行第一次的光强测定，将菌液复苏池(102)中的细菌抽入注射器进行光强测定，获取2个通道的发光光强，记录为参考通道初始光强I0r和测量通道初始光强I0s；然后将菌液复苏池(102)中培养后的细菌转移入水样反应池(103)、参比反应池(104)；反应一段时间后，取样检测单元进行第二次的光强测定，将水样反应池(103)、参比反应池(104)中的混合液同步抽入注射器进行光强测定，获取2个通道的发光光强，记录为参考通道终光强I1r和I1s；然后机械手单元带动取样针将纯水输送进菌液培养池(102)，以及水样反应池(103)、参比反应池(104)，对池子进行充分的清洗，然后作为废液排出；最后对测定的数据进行计算，获取当次测定的水质毒性值并进行输出。