CN1824790A - 生化需氧量微生物传感器敏感膜活化方法及自动活化装置 - Google Patents

Abstract

生化需氧量微生物传感器敏感膜活化方法及自动活化装置，涉及一种微生物传感器，提供一种用于BOD微生物传感器敏感膜的手动活化方法和自动活化方法及自动活化装置，用手动方法时，用GGA溶液浸泡敏感膜至荧光信号稳定，排干GGA溶液，敏感膜曝气至荧光信号恒定；加入新GGA溶液浸泡敏感膜，至动态平衡，重复浸泡－曝气步骤经多次活化。自动活化装置设有水槽、泵、控制电路、活化槽、液位电极和电磁阀。用自动方法时，往水槽加GGA溶液，把泵浸入GGA溶液中；控制敏感膜的浸泡和曝气时间，将敏感膜放入活化槽卡槽中；再把水槽中的GGA溶液抽入活化槽中，敏感膜浸泡在GGA溶液中，再曝气后，重复浸泡和曝气步骤。

Description

生化需氧量微生物传感器敏感膜活化方法及自动活化装置

技术领域

本发明涉及一种微生物传感器，尤其是涉及一种可用于生化需氧量(BOD)微生物传感器敏感膜的活化方法及其自动活化装置。

背景技术

生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand，BOD)是水质评价过程中最常用、最重要的指标之一。目前广为采用的5日生化需氧量标准稀释测定法是由美国公共卫生协会于1936年制定的标准方法。但是，传统的测量方法不仅需要5天培养等耗时和复杂的操作步骤，而且测定的准确度与操作者的熟练程度及经验有很大关系，无法实现对环境水样的实时和在线监测。因此能够满足在线检测需要的BOD微生物传感器及相关仪器的研究受到人们的关注。BOD微生物传感器的原理是基于微生物对有机物的耗氧代谢，测定BOD只涉及到初始氧化速率，因而可在10～15min内完成一个样品的测定，大大缩短了测定所需的时间。已有的BOD微生物传感器根据其二次传感原理的不同可以分为两种：微生物膜氧电极法和微生物光化学传感法。前者已被规定为我国水质生化需氧量(BOD)测定的行业标准(HJ/T86-2002)。

微生物菌膜是生化需氧量微生物传感器的核心部件，通过将特定的微生物菌种在保持其生理机能的状态下封入膜中制成。制成的微生物菌膜可在室温干燥条件保存，当天检测任务完成后也要用该方法保存微生物菌膜。用上述方法保存的菌膜，其微生物处于休眠状态，活性较低，在下次使用之前必须对微生物菌膜进行活化。行业标准中规定微生物菌膜的活化方法为：将微生物菌膜放入0.005mol/L磷酸盐缓冲溶液(PBS)中浸泡48h以上才能将其安装在微生物传感器上使用(HJ/T86-2002)。如果间断测量时间超过7h，则应重新更换新的菌膜，新菌膜需活化48h后使用(国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会，水和废水监测分析方法，国家环境科学出版社，2002，232～233)。中科院长春应用化学研究所董绍俊等(董绍俊等，生化需氧量微生物传感器的研究进展，分析化学，2005，5：609～613)指出，生物膜在使用之前需在30℃恒温条件下活化24～36h后，继续在电极表面活化24h，使其信号值达到稳定。新膜的活化周期短于久置菌膜的活化周期，若活化菌膜的缓冲液含有一定浓度的有机物有利于缩短活化周期。文章中还提到将4℃下保存14个月的生物膜浸泡于PBS中活化50d后进行实验，其活性约为原来的70％。由上述内容可见，微生物菌膜的活化是微生物传感器快速测定法中不可缺少的一个步骤，同时与现有行业标准类似的微生物菌膜的保存和活化方法存在以下不足：(1)耗时长，需要48h甚至几天的时间。(2)菌膜在PBS活化后，需继续安装到电极表面活化，观察信号稳定后才能使用，影响传感装置的使用和样品的连续测定。(3)菌膜若数小时间断使用，需换新膜并重新活化，影响测定的连续性及测定结果的重现性和稳定性。

关于BOD的微生物光化学传感法，也有文献报道使用葡萄糖-谷氨酸标准溶液(GGA)溶液来保存菌膜的方法。如Isao Karube(Isao Kambe et al.Biosensors & Bioelectronics，2000，15：371～376)在文章中提到新制的菌膜需用pH＝7的1mg/L GGA溶液浸泡预处理。Kwok-Yin Wong和Xi Chen(Kwok-Yin Wong et al.Sensors & Actuators：B.2005，2：289～298；Xi Chen et al.Intern.J.Environ.Anal.Chem.2004，8：607～617)主张把菌膜在4℃下，用100mg/L GGA溶液浸泡保存，以保持菌膜的活性。用GGA溶液浸泡保存菌膜的方法可以在一定程度上保存菌膜的活性，但并非使其活性保持在最佳状态，固菌膜取出后还必须反复浸泡和曝气来进行活化。对于新制的膜，大概需要2～3d的时间进行活化，对于已使用过的膜需要约12h进行活化。这些工作都需在传感器上手动完成，耗时、繁琐，而且占用传感装置，影响检测的连续性和及时性。至今还未有专门用于生化需氧量(BOD)微生物传感器的微生物传感膜的自动活化装置。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有的微生物传感器敏感膜的活化方法存在的不足，提供一种用于生化需氧量(BOD)微生物传感器敏感膜的活化方法，包括手动活化方法和自动活化方法及其自动活化装置，以保证生化需氧量微生物传感器对水样的快速、实时和在线测定。

本发明所说的生化需氧量(BOD)微生物传感器为一种光纤光化学BOD微生物传感器。

本发明所说的光纤光化学BOD微生物传感器敏感膜由透明片、氧传感膜和菌膜组成，氧传感膜设于透明片上，菌膜固定在氧传感膜上。所说的菌膜最好为混菌膜。透明片选用光学玻璃片。

所说的葡萄糖-谷氨酸标准溶液(GGA溶液)为准确称取分析纯的葡萄糖和谷氨酸各0.0750g，用以上磷酸盐缓冲溶液定容至100mL，配得的溶液称为BOD值为1000mg/L的GGA溶液(国标方法)。

本发明所说的用于生化需氧量微生物传感器敏感膜的手动活化方法其步骤为：

1)用BOD值为50～200mg/L的葡萄糖-谷氨酸(GGA)溶液浸泡敏感膜，浸泡时间为5～60min，荧光信号逐渐增强，当荧光信号趋于稳定时，表明溶解氧的消耗与扩散达到动态平衡，此时可以进入下一步骤；

2)排干GGA溶液，让敏感膜曝露空气中，曝气时间为1～5min，至荧光信号恒定；

3)加入新的BOD值为50～200mg/L的葡萄糖-谷氨酸(GGA)溶液浸泡敏感膜，至达到新的动态平衡，动态平衡的标准同步骤1；

4)重复进行浸泡-曝气的步骤；

5)经过5～30次活化后，敏感膜周化同一浓度GGA溶液的速度趋于稳定，表明该敏感膜已达到最佳响应活性平台，可以用于实际水样的检测。

在步骤1)中，用葡萄糖-谷氨酸(GGA)溶液浸泡敏感膜，固定在敏感膜上的微生物同化GGA溶液中的有机物，同时消耗溶液中的溶解养，溶解氧来不及扩散到敏感膜周围，造成敏感膜周围局部缺氧，表现为荧光信号值逐渐增强，随着荧光信号逐渐增强，当荧光信号趋于稳定时，表明溶解氧的消耗与扩散达到动态平衡，此时可以进入下一步骤。

在步骤3)中，加入新的葡萄糖-谷氨酸(GGA)溶液浸泡敏感膜，至达到新的动态平衡，动态平衡的标准同步骤1。

在步骤4)中，重复进行浸泡-曝气的步骤，敏感膜同化同一浓度GGA溶液中的有机物，达到新的动态平衡所需的时间逐渐变短。

本发明所说的用于生化需氧量微生物传感器敏感膜的自动活化装置设有：水槽、泵、控制电路、活化槽、3根液位电极和电磁阀。泵置于水槽中，并通过管道与活化槽相连，活化槽设于水槽的上方，3根液位电极为基准电极、低液位电极和高液位电极，3根液位电极分别固定在活化槽的低、中和高液位上，用于控制液面高度，控制电路与泵、3根液位电极和电磁阀电联接，用于控制泵的转停、活化槽液面的高度及电磁阀的开闭，在活化槽侧面设有溢流管，溢流管的另一端与水槽直接相连，在活化槽底部设导管，导管先通过电磁阀后再插入水槽，当电磁阀接通时，可将活化槽中的溶液排出。3根长短不均的液位电极用来控制溶液液面高度，其中最长的电极为基准电极，次长的电极为低液位电极，最短的电极为高液位电极；活化槽内部侧面刻有宽度合适的凹道，用于固定敏感膜。

本发明所说的用于生化需氧量微生物传感器敏感膜的自动活化方法其步骤为：

1)往水槽中加入浓度为50～200mg/L的GGA溶液，并把泵浸入GGA溶液中；

2)通过控制电路上的拨码开关设定敏感膜的浸泡时间和曝气时间，浸泡时间为5～60min，曝气时间为1～5min；

3)从冰箱中取出敏感膜，放入活化槽的卡槽中；

4)接通活化装置电源；

5)电磁阀处于闭合状态，泵开始转动，把水槽中的GGA溶液抽入活化槽中；

6)液面开始上升，逐渐淹没敏感膜，当液面上升到高液位电极处时，泵停止工作，敏感膜浸泡在GGA溶液中；

7)当浸泡时间达到预先设定值后，电磁阀打开，GGA溶液回流到水槽中，液面开始下降，当液面与低液位电极底部相平时，电磁阀自动关闭，敏感膜曝露在空气中，进行曝气；

8)当曝气时间达到预先设定值后，泵又启动，重复进行步骤5)～7)；

9)新制的敏感膜在6～8h内可完成活化步骤，已用过的敏感膜活化需耗时2～4h，把活化好的敏感膜浸泡在50～200mg/L GGA溶液中，当天使用。

与现有的微生物传感器敏感膜的活化方法和设备相比，本发明的突出优点和积极效果在于：(1)使敏感膜的活化操作实现自动化，大大节省了人力和时间；(2)自动活化装置的使用，与人工相比，大大提高了工作效率，在相同时间内可以进行更多次数的活化，从而缩短了活化所需的总时间，与行业标准规定的活化方法相比具有明显的优势；(3)活化装置和传感设备分体，活化操作不影响样品的测定过程；(4)一次性可以进行多片膜的活化，使多片膜都处于最佳活性，方便于膜片的更换；(5)活化过程中敏感膜的浸泡时间、曝空时间及溶液进样量都可调并可精确控制，保证了实验的重现性和稳定性。

另外，生化需氧量(BOD)微生物传感器微生物传感膜的自动活化装置的使用，可以使生化需氧量微生物传感器所用的敏感膜处于活性良好的状态，保证了生化需氧量微生物传感器对水样的快速、实时、在线测定，充分发挥出了生化需氧量微生物传感器的特点。

附图说明

图1为本发明的敏感膜正面图。

图2为本发明的敏感膜侧面图。

图3为本发明敏感膜的典型活化曲线，横坐标为时间(t/min)，纵坐标为荧光信号值(I/mV)。

图4为本发明敏感膜从休眠到最佳响应活性平台的活化过程。

图5为本发明实施例的自动活化装置结构示意图。

图6为本发明实施例的自动活化装置控制电路组成框图。

图7为本发明实施例的自动活化装置控制电路原理图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

参见图1和2，本发明所说的生化需氧量(BOD)微生物传感器为一种光纤光化学BOD微生物传感器。光纤光化学BOD微生物传感器敏感膜由透明光学玻璃片1、氧传感膜2和菌膜3组成，氧传感膜2设于透明光学玻璃片1的上表面中间，菌膜3固定在氧传感膜2上。菌膜3采用混菌膜。透明光学玻璃片1的尺寸为长6.5～7.0cm，宽2.0～3.0cm，氧传感膜2和菌膜3的长宽均为2.0～3.0cm。

所说的葡萄糖-谷氨酸标准溶液(GGA溶液)为准确称取分析纯的葡萄糖和谷氨酸各0.0750g，用以上磷酸盐缓冲溶液定容至100mL，配得的溶液称为BOD值为1000mg/L的GGA溶液。

如图3所示，本发明所说的用于生化需氧量微生物传感器敏感膜的手动活化方法的基本原理和具体步骤为：

1)用BOD值为50～200mg/L的葡萄糖-谷氨酸(GGA)溶液浸泡敏感膜一段时间，固定在敏感膜上的微生物会同化GGA溶液中的有机物，同时微生物的呼吸活性增强并消耗溶解氧，直至一段时间后达到新的动态平衡，微生物的呼吸活性趋于恒定(如图3中a所示)。

2)排干GGA溶液，让敏感膜曝露空气中一段时间，约1～5min(如图3中b所示)。

3)加入新的GGA溶液浸泡敏感膜，微生物在溶液中开始新的呼吸作用直至达到动态平衡(如图3中c所示)。

4)反复进行浸泡-曝气的步骤，微生物会逐渐从休眠状态中复苏，从而使敏感膜的活性增强，表现为敏感膜同化同一浓度GGA溶液中的有机物，达到新的动态平衡所需的时间逐渐变短。

5)过数次活化后，敏感膜同化同一浓度GGA溶液的速度趋于稳定，表明该敏感膜已达到最佳响应活性平台，可以用于实际水样的检测。

图4所示为一片新制的BOD敏感膜的活化过程，对同一浓度GGA的响应，最初需要约20min，且响应曲线不平滑；经过约20次活化后，响应时间缩短到约2.5min，曲线平滑，响应速率基本稳定，达到了最佳响应活性平台。此过程均由手动完成，耗费时间约12h。若换成已使用过的敏感膜，耗时会稍短，一般为4～6h。由此可见，与行业标准中规定的活化方法相比，此方法已经在很大程度上节省了时间。

实施例2

本发明所说的用于生化需氧量微生物传感器敏感膜的自动活化方法其步骤为：

往水槽中加入浓度为50～200mg/L的GGA溶液，并把泵浸入GGA溶液中；通过控制电路上的拨码开关设定敏感膜的浸泡时间和曝气时间，浸泡时间为5～60min，曝气时间为1～5min；从冰箱中取出3～9片敏感膜，放入活化槽的卡槽中，接通活化装置电源，电磁阀处于闭合状态，泵开始转动，把水槽中的GGA溶液抽入活化槽中；液面开始上升，逐渐淹没敏感膜，当液面上升到高液位电极处时，泵停止工作，敏感膜浸泡在GGA溶液中；浸泡时间达到预先设定值后，电磁阀打开，GGA溶液回流到水槽中，液面开始下降，当液面与低液位电极底部相平时，电磁阀自动关闭，敏感膜曝露在空气中，进行曝气；当曝气时间达到预先设定值后，泵又启动，重复用GGA溶液浸泡敏感膜和曝气步骤；新制的敏感膜在6～8h内可完成活化步骤，已用过的敏感膜活化需耗时2～4h，把活化好的敏感膜浸泡在50～200mg/L GGA溶液中，当天使用。

参见图5，本发明所说的用于生化需氧量微生物传感器敏感膜的自动活化装置设有：水槽1、泵2、控制电路3、活化槽4，3根液位电极5～7和电磁阀8。泵2置于水槽1中，并通过橡皮管10与活化槽4的左端相连，活化槽4设于水槽1的上方。3根液位电极为基准电极5、低液位电极6和高液位电极7，3根液位电极5～7分别固定在活化槽4的低、中和高液位上，用于控制液面高度。控制电路3与泵2、3根液位电极5～7和电磁阀8电联接，用于控制泵2的转停、活化槽4液面的高度及电磁阀8的开闭。在活化槽4的右侧面设有溢流管11，溢流管11的另一端与水槽1直接相连，在活化槽4底部设导管12，导管12先通过电磁阀8后再插入水槽1。当电磁阀8接通时，可将活化槽4中的溶液排出。3根长短不均的液位电极5～7用来控制溶液液面高度，其中最长的电极为基准电极5，次长的电极为低液位电极6，最短的电极为高液位电极7；活化槽4内部侧面刻有宽度合适的凹道，用于固定敏感膜9。

如图6所示，本发明所说的自动活化装置的电路原理为：液位检测器U1检测从液位传感器WATER发出的液位信号；然后送入控制定时器U2，控制定时器中有浸泡时间预置器S1和曝空(即曝气)时间预置器S2，分别用来预置敏感膜的浸泡时间和曝气时间；控制定时器与泵驱动继电器SSR1和阀驱动继电器SSR2分别用来控制泵PUMP的转停和阀VALVE的开闭；整个装置通过一个供电电路来提供电源。

参见图7所给出的一个电路实例，该例中利用晶振电路提供系统时钟，并通过两个拨码开关S1、S2来实现对浸泡和曝气时间的预置。该电路的信号流程为：接通电源后系统初始化，关闭电磁阀VALVE启动泵PUMP开始加液；当液位传感器WATER检测到高液位时，继电器SSR1打开，关闭泵，并读取拨码开关S1设定的浸泡时间，计时开始；浸泡时间结束后，继电器SSR2合上，打开电磁阀，开始排液；当检测到低液位时，继电器SSR2打开，关闭电磁阀，并读取拨码开关S1设定的爆气时间，计时开始；爆气时间结束后，继电器SSR1合上，启动泵开始加液；反复进行以上步骤，实现自动活化过程。

在图7中，各主要器件的型号和组成元件的参数如下：

芯片U1：LM358型，U2：AT89C2051型，U3：7805型；

整流桥D1：100V/2A型；

固态继电器SSR1，SSR2：GTJ3/C型；

拨码开关S1，S2：5P/DIP型；

无源晶振Y1：6MHz；

电阻R1-R3，R6-R8：500K，R9，R10：200，R13：8.2K；

电位器R4，R5：200K；

排阻RS1，RS2：10K；

电容C1，C2，C6，C8-C10：0.1μ，C3：47μ，C4，C5：30P，E1：2200μ，E2：220μ。

活化装置的使用方法参见上述的活化工艺。

Claims (6)

1、用于生化需氧量微生物传感器敏感膜的手动活化方法，所说的生化需氧量微生物传感器为一种光纤光化学BOD微生物传感器，光纤光化学BOD微生物传感器敏感膜由透明片、氧传感膜和菌膜组成，氧传感膜设于透明片上，菌膜固定在氧传感膜上，其特征在于其步骤为：

1)用BOD值为50～200mg/L的葡萄糖-谷氨酸溶液浸泡敏感膜，浸泡时间为5～60min，荧光信号逐渐增强，当荧光信号趋于稳定时，表明溶解氧的消耗与扩散达到动态平衡，此时可以进入下一步骤；

2)排干葡萄糖-谷氨酸溶液，让敏感膜曝露空气中，曝气时间为1～5min，至荧光信号恒定；

3)加入新的BOD值为50～200mg/L的葡萄糖-谷氨酸溶液浸泡敏感膜，至达到新的动态平衡，动态平衡的标准同步骤1；

4)重复进行浸泡-曝气的步骤；

5)经过5～30次活化后，敏感膜同化同一浓度葡萄糖-谷氨酸溶液的速度趋于稳定，表明该敏感膜已达到最佳响应活性平台，可以用于实际水样的检测。

2、用于生化需氧量微生物传感器敏感膜的自动活化装置，其特征在于设有水槽、泵、控制电路、活化槽、3根液位电极和电磁阀；泵置于水槽中，并通过管道与活化槽相连，活化槽设于水槽的上方；3根液位电极为基准电极、低液位电极和高液位电极，3根液位电极分别固定在活化槽的低、中和高液位上，用于控制液面高度，控制电路与泵、3根液位电极和电磁阀电联接，用于控制泵的转停、活化槽液面的高度及电磁阀的开闭；在活化槽侧面设有溢流管，溢流管的另一端与水槽直接相连，在活化槽底部设导管，导管先通过电磁阀后再插入水槽，当电磁阀接通时，可将活化槽中的溶液排出。

3、如权利要求2所述的用于生化需氧量微生物传感器敏感膜的自动活化装置，其特征在于3根长短不均的液位电极用来控制溶液液面高度，其中最长的电极为基准电极，次长的电极为低液位电极，最短的电极为高液位电极。

4、如权利要求2所述的用于生化需氧量微生物传感器敏感膜的自动活化装置，其特征在于活化槽内部侧面刻有宽度合适的凹道，用于固定敏感膜。

5、用于生化需氧量微生物传感器敏感膜的自动活化方法，其特征在于其步骤为：

1)往用于生化需氧量微生物传感器敏感膜的自动活化装置的水槽中加入浓度为50～200mg/L的葡萄糖-谷氨酸溶液，并把泵浸入葡萄糖-谷氨酸溶液中；

2)通过控制电路上的拨码开关设定敏感膜的浸泡时间和曝气时间，浸泡时间为5～60min，曝气时间为1～5min；

3)从冰箱中取出敏感膜，放入活化槽的卡槽中；

4)接通活化装置电源，电磁阀处于闭合状态，泵开始转动，把水槽中的葡萄糖-谷氨酸溶液抽入活化槽中；

5)液面开始上升，逐渐淹没敏感膜，当液面上升到高液位电极处时，泵停止工作，敏感膜浸泡在葡萄糖-谷氨酸溶液中；

6)当浸泡时间达到预先设定值后，电磁阀打开，葡萄糖-谷氨酸溶液回流到水槽中，液面开始下降，当液面与低液位电极底部相平时，电磁阀自动关闭，敏感膜曝露在空气中，进行曝气；

7)当曝气时间达到预先设定值后，泵又启动，重复进行步骤5)～7)；

8)新制的敏感膜在6～8h内可完成活化步骤，已用过的敏感膜活化需耗时2～4h，把活化好的敏感膜浸泡在50～200mg/L葡萄糖-谷氨酸溶液中，当天使用。

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