基于生物傳感器的飲用水有毒物質(zhì)檢測

胡永恒

摘要：隨著人類生活質(zhì)量的不斷提高，對(duì)飲用水質(zhì)安全要求也在不斷提升。現(xiàn)有已被發(fā)現(xiàn)的致癌物數(shù)量已達(dá)500多種，常規(guī)的在線水質(zhì)監(jiān)測儀雖能快速反應(yīng)水體污染，但是對(duì)于潛在的污染物，尤其是致癌物，并不能寬頻帶范圍檢測其污染狀況。水質(zhì)生物傳感器作為一個(gè)新技術(shù)，根據(jù)生物體受到環(huán)境變化的時(shí)生活行為發(fā)生變換，從而對(duì)水質(zhì)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，該方法克服了傳統(tǒng)連續(xù)取樣的繁瑣性，并且可以簡化實(shí)驗(yàn)過程，快速獲取水質(zhì)毒性資料，達(dá)到早起預(yù)警目的。

關(guān)鍵詞：致癌物；水質(zhì)監(jiān)測；污染物；生物傳感器

中圖分類號(hào)：TP212.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-864X（2016）09-0300-01

引用

水質(zhì)生物傳感器，作為新技術(shù)，當(dāng)其生活環(huán)境受溫度、光照等條件影響時(shí)，其行為會(huì)發(fā)生變化，可根據(jù)其變化實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)污染狀況進(jìn)行預(yù)測?？朔似渌|(zhì)監(jiān)測儀成本高、體積大、取樣周期短和測試周期長的問題，并且能夠彌補(bǔ)市場上流行的監(jiān)測儀大多都只能監(jiān)測一種有毒物質(zhì)的不足，監(jiān)測頻帶具有一定的局限性的缺點(diǎn)。因此研發(fā)這種寬頻帶、快速、低成本、簡便式的基于活細(xì)胞傳感器的持續(xù)式生化水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是有重要意義的。

一、生物傳感設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要集成包括：微控制器STM32模塊、聲音報(bào)警模塊、步進(jìn)電機(jī)和移動(dòng)滑臺(tái)模塊、PMT模塊、溫度控制模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊[1]和GSM模塊。其中微處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，并完成和各個(gè)子模塊數(shù)據(jù)交換，PMT模塊附在移動(dòng)化臺(tái)上，在一個(gè)暗箱里面通過采集不同區(qū)域微生物發(fā)光信號(hào)，然后將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過AD模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)做與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)做對(duì)比、判斷，如果此時(shí)數(shù)據(jù)不正常將會(huì)報(bào)警，及時(shí)采取應(yīng)急措施，如控制溫度模塊，改變微生物的生存環(huán)境，把最終的數(shù)據(jù)處理后通過GSM模塊返回給個(gè)人，讓人們實(shí)時(shí)知道飲用水質(zhì)量情況。系統(tǒng)框圖如圖1：

（一）系統(tǒng)物理模型。

系統(tǒng)的尺寸很小，可以通過簡單的旁路應(yīng)用于管網(wǎng)，可安裝于家庭、水廠及輸水管路等，通過采用采用多種類型活細(xì)胞，多種生物標(biāo)志物在培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)，當(dāng)水樣中有害物質(zhì)進(jìn)入活細(xì)胞培養(yǎng)基中，短時(shí)間內(nèi)細(xì)胞的快速繁殖會(huì)將有害物質(zhì)導(dǎo)致的基因缺陷無限放大，并會(huì)出現(xiàn)大面積死亡。細(xì)胞死亡后，其標(biāo)志物發(fā)光強(qiáng)度會(huì)大大減弱，通過OPD光電探測器將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。細(xì)胞發(fā)光強(qiáng)度的大大減弱也會(huì)大幅度削弱電信號(hào)。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度低于預(yù)警值，報(bào)警信號(hào)會(huì)通過無線或者短信方式發(fā)送至用。進(jìn)水口可與自來水網(wǎng)絡(luò)相連，當(dāng)取樣的自來水進(jìn)入生物傳感器系統(tǒng)以后，首先通過進(jìn)樣模塊，這兩個(gè)模塊只對(duì)水里面大的雜質(zhì)進(jìn)行過濾，并不對(duì)進(jìn)行其他的嚴(yán)格處理，以免影響水樣，然后進(jìn)水管的水就會(huì)流入含有活細(xì)胞的培養(yǎng)基中，隨后通過檢測模塊，進(jìn)行檢測和預(yù)警?；罴?xì)胞供給模塊方便拆卸，可以根據(jù)需要添加活細(xì)胞類型，實(shí)現(xiàn)多樣檢測。

（二）硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

STM32系列微控制器[2]是意法半導(dǎo)體（ST）公司于2017年6月推出的基于ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核的32位RISC MCU，該系列MCU功能強(qiáng)大，種類齊全，結(jié)合了高性能、實(shí)時(shí)、低功耗、低電壓特性，同時(shí)保持了高集成度和易于開發(fā)的優(yōu)勢?？梢杂糜谝恍┬枰凸暮凸δ軓?qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)，片上系統(tǒng)或者通用的可升級(jí)方案中。光電傳感器使用的是H10723系列的，是由日本生產(chǎn)的一款高壓源、低功率產(chǎn)品。該產(chǎn)品抗噪聲干擾能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換頻率帶寬[3]可以從DC到200KHz，微控制器和PMT采集信號(hào)以及處理后發(fā)送。

二、總結(jié)

將生物傳感器技術(shù)和微系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起來，采用多種類型活細(xì)胞，多種生物標(biāo)志物進(jìn)行聯(lián)合預(yù)警，可以監(jiān)測范圍廣泛的急性毒性和致癌物，同時(shí)，集成的微流控芯片可以捕獲致病菌，不僅適用于化學(xué)污染物，同樣可以監(jiān)測水生病原體。設(shè)備尺寸很小，可以通過簡單的旁路應(yīng)用于管網(wǎng)，可安裝于家庭、水廠及輸水管路等，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)并聯(lián)在線式監(jiān)測水質(zhì)安全。系統(tǒng)使用的光電探測器使用單片集成的微生物反應(yīng)器（OPD/OLED），價(jià)格經(jīng)濟(jì)，適合大規(guī)模生產(chǎn)。模塊化設(shè)計(jì)適應(yīng)性強(qiáng)。用戶可根據(jù)自己的需求組裝檢測設(shè)備，可適應(yīng)多變的環(huán)境和地區(qū)，應(yīng)用范圍廣。檢測模塊的工作時(shí)間可以有效延長而不必?fù)?dān)心零部件腐蝕問題?？刹鹦妒降臋z測模塊，方便快捷，操作簡單，用戶只需更換新的檢測模塊即可使檢測系統(tǒng)繼續(xù)工作。但是該系統(tǒng)還存在一定的缺點(diǎn)，因?yàn)槭褂没铙w細(xì)胞作為傳感器必須考慮到活體細(xì)胞的生存條件，如果不能夠保證細(xì)胞的正常生活，外界條件的變化可能導(dǎo)致測試結(jié)果失真，所以下一步研究重點(diǎn)在于擴(kuò)大該系統(tǒng)地適用范圍上。

參考文獻(xiàn)：

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[2]Veal D A， Deere D， Ferrari B， et al. Fluorescence staining and flow cytometry for monitoring microbial cells[J]. Journal of immunological methods， 2000， 243（1）： 191-210.

[3]Marrakchi M， Martelet C， Dzyadevych S V， et al. An enzyme biosensor based on gold interdigitated thin film electrodes for water quality control[J]. Analytical letters， 2007， 40（7）： 1307-1316.