CN112505279A - 一种利用纳米管膜压差检测生化尾水中内毒素浓度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境污染监测领域，特别是涉及了一种通过纳米管膜跨膜压差来测量生化尾水中内毒素的方法。本发明包括如下步骤，制备具有规整排列的铂纳米管阵列，经剥离、洗涤、纯化、衬底后，制备成微型膜组件；将生化尾水经HLB柱净化处理后，经超滤膜滤后，将其与LAL试剂混合连续注入纳米管膜组件，测量指定时间段的稳定膜压差，将其转化为电信号，建立标准曲线，即可计算内毒素浓度。本发明以跨膜压力转化为电信号对内毒素和鲎试剂形成的纳米颗粒进行测量，减少了人工目测的误差；此外，该方法对鲎试剂的量可减少20倍以上，显著降低单次检验成本和检测时间。
Description
技术领域
本发明涉及环境污染监测技术领域，特别涉及了一种通过纳米管膜跨膜压差来测量生化尾水中内毒素的方法。
背景技术
近年来再生水用量的逐年扩大，再生水中普遍存在的内毒素问题，引起了环境界和医学界的广泛关注。内毒素是指位于革兰氏阴性菌，如大肠杆菌细胞壁中的脂多糖(LPS)成分，在细胞分裂或死亡过程中会从细胞释放到环境中。由于污水处理中涉及的生化过程即是一种微生物大量增殖的过程，其不可避免地导致微生物细胞破裂释放出内毒素。
城市再生水绝大部分来自污水处理厂的二级及三级生化出水，其中均存在大量内毒素，最高检出浓度可达30000EU/mL。城市再生水中的内毒素可以通过摄入、吸入、皮肤接触等直接途径，或水源水、地下水和饮用水等间接途径与人类接触。内毒素是一种炎症因子与热原物质，进入人体后，与机体靶细胞作用可诱发严重的病理生理反应。由于多级生化处理技术在污水再生过程中的主导地位短期内难以改变，内毒素的健康风险问题将成为扩大再生水利用中的关键制约之一。
再生水中内毒素检测可以分为定性检测和定量检测两类。常规的检测方法为家兔法，将供试品静脉注入家兔体内，在规定的时间内观察体温的变化情况。该方法干扰因素多，灵敏度差，对返热作用的药物可能还会出现假阴性；凝胶法试验是一种简单易用且能够呈现阳性阴性结果(定性结果)的试验，中国药典2000年附录中对于细菌内毒素检查法的规定，但需要实验者目测是否出现凝胶来判定阴、阳性结果，实验本身工作量较大，且易出现人为误差；动态浊度法LAL试验是一种定量动态检测方法，采用分光光度法监测340nm波长处的浑浊现象。产生浑浊所需的时间与内毒素含量成反比。可根据标准曲线计算出未知样品中的内毒素浓度，但该方法受水质影响较大，其灵敏度不高；终点显色法LAL试验是一种定量终点检测法，若样品中含有内毒素，则内毒素可激活一种酶使显色底物分解，显现出黄色在405～410nm波长范围内测定出样品的光吸收，此方法对标准曲线的重复性好，对操作手法要求较高；重组因子C(rFC)终点荧光法试验是一种通过单步终点试验测定酶分解荧光底物的定量检测法。该反应的采用波长为380/440nm测试，可根据标准曲线计算出未知试样中的内毒素浓度。该试验的灵敏度范围为0.005-5EU/ml，具有内毒素特异性，可与其他定量LAL试验相媲美。但目前重组C因子试剂盒的成本较高，需要酶标仪配合，也不便于实际环境中大规模开展应用。
另外，也有一些专一性的方法被开发出来，如CN 102692494 B涉及的一种纳米粒径分析仪用于内毒素检测的方法，依据内毒素在水溶液中可团聚成纳米胶粒的特征，利用待测样品中的内毒素粒径计算出样品的内毒素含量。该方法检测速度快，不消耗检测试剂，但需要依赖设备昂贵，体积极大的激光粒度仪，而且对水中多种干扰因素没有屏蔽能力，在实际应用过程中存在诸多问题。另有些方法的探索性研究较多，还未能形成应用，或者不能克服需添加试剂或使用昂贵仪器等缺点，无法实现对样品的直接检测。
基于上述方法中存在的问题，本发明提供了一种通过纳米管膜跨膜压差来测量生化尾水中内毒素的方法。利用该方法，每个样品的检测周期仅需0.5～2分钟，大大缩短了内毒素检测的时间，检测速度快；消耗鲎试剂量极少，可大幅降低内毒素的检测成本、检测方法简便，检测结果较为准确，可靠性高，对生化尾水中内毒素含量具有高度的识别能力和检测精度。
发明内容
本发明是鉴于现有技术中存在的上述问题而做出的，本发明的目的在于提供一种利用纳米管膜压差检测生化尾水中内毒素浓度的方法。
为了实现上述目的，本发明技术方案，一种利用纳米管膜压差检测生化尾水中内毒素浓度的方法包括如下步骤：
步骤1，铂纳米管膜的制备，将聚碳酸酯多孔膜固定于物理气相沉积真空系统中镀银，再以氯铂酸钾对聚碳酸酯多孔膜以化学法施镀，然后以二氯甲烷对聚碳酸酯多孔膜脱模，获得完成的铂纳米管膜用于后续的膜池组装；
步骤2，膜池的组装，将铂纳米管膜用双面支撑层夹持固定于平板纳滤膜池内，平板纳滤膜池内设置有上板进水通道、上板流道和上板出水通道，其中上板进水通道内设置有微压传感器，可以实时记录跨膜压差的动态变化；
步骤3，生化尾水的预处理，首先将生化尾水以HLB净化柱脱除水中的干扰性热源和大颗粒物，再以除热原处理过的超滤膜对生化尾水进行浓缩5～20倍，截留分子量为1～5kd的浓缩液，得到处理过待测的生化尾水水样；
步骤4，标准曲线的建立，将内毒素标准溶液与鲎试剂混合反应后立即以蠕动泵以0.1mL/mind的流速注入膜池中，对检测所得的传感器压力数据与相应内毒素标准溶液的浓度作回归分析，建立标准曲线ln(d)＝kc+b，式中：d为跨膜压差，c为内毒素浓度，k为校正系数，b为矫正系数；
步骤5，实际样品的测量，在相同条件下检测待测样品溶液中的内毒素浓度，以跨膜压力值和标准曲线计算出生化尾水待测样品中的内毒素含量。
根据上述技术方案，进一步限定步骤1中所述的聚碳酸酯多孔膜的膜上具有均匀分布的纳米孔道，孔径为5nm；步骤2中所述的微压传感器为半导体压电阻型，具有温度补偿功能，压力检测精度为0.01psi，检测范围为0～100psi；步骤3中所述的HLB净化柱中具有疏水性的二乙烯基苯结构保留非极性化合物，亲水性的N-乙烯基吡咯烷酮结构保留极性化合物，可以对大部分非热源性污染物起到净化作用。
上述的技术方案，以铂纳米管膜作为测量跨膜压力的关键组件，利用了铂纳米管膜孔径均一，生物相容性好等特点，同时铂纳米管膜的孔直径刚好能与内毒素和鲎试剂之间形成的纳米颗粒穿透纳米管膜时形成的跨膜阻力有相关性，因此可以建立传感器压力数据与相应内毒素标准溶液的浓度的标准曲线。
上述技术方案的实施过程中，不需要对含内毒素尾水和鲎试剂反应做精确的控制，如精确控温和剂量控制，因内毒素和鲎试剂反应所形成的初始阶段的纳米颗粒形态、浓度均与上述条件无关，因此可以免去大量控温定量仪器的使用，便于野外开展测试实验。
此外，上述技术方案需要检测的关键参数仅为跨膜压差，该值与水中颗粒物浓度、水中干扰物等无关，因此消除了LAL及其相关方法对测定管尺寸、反应体系等初始状态的影响。另外，该参数可以容易地通过很多市售的微压传感器技术手段测量实现，减少了人工目测判断凝胶与否的误差，提高了结果的准确性：可望替代常规凝胶法等技术手段用于生化尾水中内毒素的浓度检测等。
附图说明
为更清楚地说明本发明的具体实施方式，下面对具体实施方式部分的描述中使用到的附图作简单说明。
图1为以物理沉积法及电沉积法制备得到的铂纳米管膜的扫描电子显微镜图；
图2为夹持铂纳米管膜的膜池刨面结构；
图3为夹持铂纳米管膜的膜池的正视图结构；
图2和图3中的附图标记如下：
1-进水管；2-进水孔；3-出水孔；4-出水孔；5-夹板；6-槽体；7-蛇形管道；8-铂纳米管膜；9-支撑膜；10-垫片。
图4为不同水样内跨膜压力和对应的内毒素浓度。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面，结合附图对本发明的具体的实施方式进行详细描述。
实施例1
一种利用纳米管膜压差检测生化尾水中内毒素浓度的方法，包括如下步骤：
首先制备铂纳米管膜，先将膜上具有均匀分布的纳米孔道，孔径为5nm的聚碳酸酯多孔膜固定于物理气相沉积真空系统中镀银，再以氯铂酸钾对聚碳酸酯多孔膜以化学法施镀，然后以二氯甲烷对聚碳酸酯多孔膜脱模，获得完成的铂纳米管膜用于后续的膜池组装，然后，将铂纳米管膜用双面支撑层夹持固定于平板纳滤膜池内，平板纳滤膜池内设置有上板进水通道、上板流道和上板出水通道，其中上板进水通道内设置有微压传感器，该微压传感器为半导体压电阻型，具有温度补偿功能，压力检测精度为0.01psi，检测范围为0～100psi，可以实时记录跨膜压差的动态变化；
同时对生化尾水进行预处理，首先将生化尾水以HLB净化柱脱除水中的干扰性热源和大颗粒物，该HLB净化柱中具有疏水性的二乙烯基苯结构保留非极性化合物，亲水性的N-乙烯基吡咯烷酮结构保留极性化合物，可以对大部分非热源性污染物起到净化作用，再以除热原处理过的超滤膜对生化尾水进行浓缩5～20倍，截留分子量为1～5kd的浓缩液，得到处理过待测的生化尾水水样；
在处理之前，建立内毒素浓度的标准曲线，将内毒素标准溶液与鲎试剂混合反应后立即以蠕动泵以0.1mL/min的流速注入膜池中，对检测所得的传感器压力数据与相应内毒素标准溶液的浓度作回归分析，建立标准曲线ln(d)＝kc+b，式中：d为跨膜压差，c为内毒素浓度，k为校正系数，b为矫正系数；
最后对生化尾水的实际样品中内毒素的浓度进行测量，在相同条件下检测待测样品溶液中的内毒素浓度，以跨膜压力值和标准曲线计算出生化尾水待测样品中的内毒素含量。
实施例2
以实施例1中的方法对北京某污水处理厂二级生化出水中的内毒素进行测量，因该水样中含有较多的悬浮颗粒物，故在该水样采集后，在4℃条件下储存24h，待颗粒物完全沉淀后进行处理，以HLB柱对水样进行净化，脱除热源干扰物后，以蠕动泵在以0.1mL/min的流速注入膜池中，将测得的跨膜压差与LAL法测的内毒素浓度进行对照，结果如下(见图4)：
实施例3
以实施例1中的方法对北京某污水处理厂二级生化出水中的内毒素进行测量，其他操作方法与实施例2类似，不再赘述，将测得的跨膜压差与LAL法测的内毒素浓度进行对照，结果如下(见图4)：
实施例4
以实施例1中的方法对邢台某污水处理厂二级生化出水中的内毒素进行测量，其他操作方法与实施例2类似，不再赘述，将测得的跨膜压差与LAL法测的的内毒素浓度进行对照，结果如下(见图4)：
实施例5
以实施例1中的方法对邯郸某污水处理厂二级生化出水中的内毒素进行测量，其他操作方法与实施例2类似，不再赘述，将测得的跨膜压差与LAL法测的内毒素浓度进行对照，结果如下(见图4)：
| LAL法第一次 | 本方法第一次 | LAL法第二次 | 本方法第二次 | |
| 内毒素浓度(EU/mL) | 8500±1200 | 8800±50 | 12500±400 | 8000±100 |
以上所述的具体实施方式仅用于具体说明本发明的精神，本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过变更、置换或变型的方式轻易做出其它的实施方式，这些其它的实施方式都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种利用纳米管膜压差检测生化尾水中内毒素浓度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1，铂纳米管膜的制备，将聚碳酸酯多孔膜固定于物理气相沉积真空系统中镀银，再以氯铂酸钾对聚碳酸酯多孔膜以化学法施镀，然后以二氯甲烷对聚碳酸酯多孔膜脱模，获得完成的铂纳米管膜用于后续的膜池组装；
步骤2，膜池的组装，将铂纳米管膜用双面支撑层夹持固定于平板纳滤膜池内，平板纳滤膜池内设置有上板进水通道、上板流道和上板出水通道，其中上板进水通道内设置有微压传感器，可以实时记录跨膜压差的动态变化；
步骤3，生化尾水的预处理，首先将生化尾水以HLB净化柱脱除水中的干扰性热源和大颗粒物，再以除热原处理过的超滤膜对生化尾水进行浓缩5～20倍，截留分子量为1～5kd的浓缩液，得到处理过待测的生化尾水水样；
步骤4，标准曲线的建立，将内毒素标准溶液与鲎试剂混合反应后立即以蠕动泵以0.1mL/min的流速注入膜池中，对检测所得的传感器压力数据与相应内毒素标准溶液的浓度作回归分析，建立标准曲线ln(d)＝kc+b，式中：d为跨膜压差，c为内毒素浓度，k为校正系数，b为矫正系数；
步骤5，实际样品的测量，在相同条件下检测待测样品溶液中的内毒素浓度，以跨膜压力值和标准曲线计算出生化尾水待测样品中的内毒素含量。
2.如权利要求所述，一种利用纳米管膜压差检测生化尾水中内毒素浓度的方法，其特征在于，步骤1中所述的聚碳酸酯多孔膜的膜上具有均匀分布的纳米孔道，孔径为5nm。
3.如权利要求所述，一种利用纳米管膜压差检测生化尾水中内毒素浓度的方法，其特征在于，步骤2中所述的微压传感器为半导体压电阻型，具有温度补偿功能，压力检测精度为0.01psi，检测范围为0～100psi。
4.如权利要求所述，一种利用纳米管膜压差检测生化尾水中内毒素浓度的方法，其特征在于，步骤3中所述的HLB净化柱中具有疏水性的二乙烯基苯结构保留非极性化合物，亲水性的N-乙烯基吡咯烷酮结构保留极性化合物，可以对大部分非热源性干扰物起到净化作用。
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