魏勝非

(東北師范大學物理學院,吉林長春130024)

模擬高壓靜電對Q67發(fā)光影響的實驗系統(tǒng)

魏勝非

(東北師范大學物理學院,吉林長春130024)

用發(fā)光二級管和光學衰減片模擬Q67的發(fā)光光譜.實驗中發(fā)現(xiàn)高壓靜電較低時發(fā)光微生物發(fā)光強度高于無靜電作用時,但隨高壓靜電的增加,發(fā)光強度逐漸減弱.實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可以模擬高壓靜電對Q67發(fā)光的影響,使實驗可在室外環(huán)境中進行,方便水環(huán)境的監(jiān)測.

高壓靜電;Q67;比較放大器;實驗系統(tǒng)

1 引 言

飲用水取水水源地的急性毒物檢測是保證城區(qū)居民飲用水安全的第一道關(guān)口.傳統(tǒng)的急性毒性(acute toxicity)概念是指人或?qū)嶒瀯游?次或24 h內(nèi)多次接觸受試物后引起的中毒反應,甚至死亡.結(jié)果多以半數(shù)致死濃度(LC50)表示.以微生物為檢測手段時多稱為生物毒性,常選擇微生物的某一項或幾項生理指標作為指征(如細胞生長、呼吸、酶活性等),根據(jù)待測物影響這些指征的程度來判斷毒性的強度.采用的評價指標為半數(shù)有效濃度(EC50)或半數(shù)抑制濃度(IC50)值,即計算影響獲抑制生物某種正常生理指標值50%所需的待測物濃度.一般可認為EC50或IC50可與哺乳動物試驗的LC50進行類比[1].如何快速地對急性毒物進行定性檢測一直是困擾環(huán)境監(jiān)測部門和衛(wèi)生監(jiān)督部門的難題.利用發(fā)光微生物可以有效地解決這一難題,但是由于發(fā)光微生物一般以凍干粉形式保存,復蘇所需時間較長,利用高壓靜電激活發(fā)光微生物可以有效地促使發(fā)光微生物復蘇,從而利用其進行急性毒物的檢測.因為發(fā)光微生物凍干粉價格較高,對成批生產(chǎn)基于發(fā)光微生物檢測的急性毒物檢測儀器時進行標定造價高且不方便,如果能夠模擬高壓靜電激活微生物發(fā)光特性將降低造價且方便調(diào)試,本實驗系統(tǒng)正是為了解決這一問題而設(shè)計.發(fā)光微生物有許多種,但是淡水發(fā)光微生物僅有青海湖菌,因而選擇青海湖菌Q67作為檢測發(fā)光微生物并以其作為受高壓靜電處理的激活微生物.由于青海湖菌Q67為淡水微生物因而它特別適用于飲用水水源地的急性毒物檢測.

2 實驗裝置的總體結(jié)構(gòu)

本實驗裝置由高壓靜電處理裝置、光電倍增管、可控二級管發(fā)光裝置、比較放大器、單片機等部分組成.總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.發(fā)光二極管發(fā)出模擬生物光,二級管發(fā)出的光經(jīng)光衰減片后被光電倍增管采集.光電倍增管將采集到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號送往差分放大器.差分放大器的輸出送往單片機,此信號用來調(diào)整單片機的輸出且該輸出經(jīng)過模數(shù)(D/A)轉(zhuǎn)換用以驅(qū)動發(fā)光二極管.按程序單片機輸出控制高壓電源產(chǎn)生高壓,高壓電極極板間放置發(fā)光微生物,發(fā)光微生物所產(chǎn)生的光被光電倍增管接收(兩光電倍增管經(jīng)過標定,并通過軟件進行校正),輸出送往差分放大器.差分放大器的輸出送往單片機,單片機根據(jù)差分放大器送來的信號調(diào)整送往D/A轉(zhuǎn)換器的輸出以達到使差分放大器輸出趨于零的結(jié)果.單片機儲存送往D/A轉(zhuǎn)換器的輸出,從而確定模擬生物發(fā)光數(shù)據(jù).

圖1 實驗裝置的總體結(jié)構(gòu)框圖

3 微生物發(fā)光機理與實驗器材

發(fā)光作用是發(fā)光細菌正常生理狀態(tài)下所具有的性質(zhì),它是細胞呼吸作用的副產(chǎn)物,而呼吸作用則是細胞和生物代謝的基本過程,細菌的發(fā)光直接和其呼吸相關(guān).發(fā)光細菌是一類在正常的生理條件下能夠發(fā)射可見熒光的細菌,這種可見熒光波長在450～490 nm之間,在黑暗處肉眼可見.發(fā)光細菌體內(nèi)的熒光素酶催化熒光素的氧化作用,反應如下:

從而產(chǎn)生生物發(fā)光,它直接與細胞的活性及代謝狀況相關(guān)[2].毒性物質(zhì)將改變細胞的狀態(tài),包括細胞壁、細胞膜、電子的轉(zhuǎn)移系統(tǒng)、酶及細胞質(zhì)的結(jié)構(gòu),這些變化最終將導致生物發(fā)光的減弱.通過生物發(fā)光光強的測定即可計算得到樣品毒性的強弱[3].本實驗所用高壓電源為東北師范大學靜電所自制,所用發(fā)光微生物凍干粉購自華東師范大學.標定所用的光檢測儀為北京濱松光子股份有限公司的BHP9511型水質(zhì)毒性快速檢測儀.

4 實驗數(shù)據(jù)分析

將不同電壓靜電處理后的復蘇稀釋后的發(fā)光微生物等量分為2份,一份置于本實驗系統(tǒng)中,另一份放入BHP9511型水質(zhì)毒性快速檢測儀中進行光子計數(shù),每組實驗進行5次取平均值,所得的數(shù)據(jù)如表1所示.

通過表1數(shù)據(jù)可以看出,高壓靜電在較低時使得發(fā)光微生物發(fā)出的光高于無靜電作用時的強度,隨著高壓靜電值的增加,發(fā)光強度逐漸減弱.可以解釋為在適當?shù)撵o電場的作用下,發(fā)光微生物的細胞受到刺激,出現(xiàn)應急反應,因而發(fā)光強度增強.隨著高壓靜電場的增強,發(fā)光微生物細胞的生存環(huán)境遭到破壞,因而發(fā)光減弱.實驗系統(tǒng)顯示的數(shù)值同BHP9511標定顯示的數(shù)據(jù)相關(guān).相關(guān)系數(shù)P=0.99.這一結(jié)論表明本實驗系統(tǒng)可以用來模擬生物發(fā)光在高壓靜電影響下的發(fā)光情況.在研究高壓靜電對發(fā)光微生物發(fā)光特性影響以及批量標定弱光測量電路時,可以應用本系統(tǒng)代替,從而降低實驗成本且方便快捷[4].

表1 實驗數(shù)據(jù)對比表

5 結(jié)束語

經(jīng)過實驗表明模擬高壓靜電對Q67發(fā)光影響的實驗系統(tǒng)可以替代實際的高壓靜電對Q67發(fā)光影響的實驗.這一做法也可以應用在研究其他條件例如離子等對Q67發(fā)光影響的實驗,從而降低實驗成本,并且較原來的實際操作方便,且可以不在實驗室內(nèi)進行,因而有利于將Q67發(fā)光影響的實驗置于室外環(huán)境[5].

[1] 方戰(zhàn)強,陳中豪,胡勇,等.發(fā)光細菌法在水質(zhì)監(jiān)測中的應用[J].重慶環(huán)境科學,2003,25(2):56-58.

[2] 王安平,朱文杰,鄭幼霞.東方弧菌熒光酶的分離純化和性質(zhì)研究[J].發(fā)光學報,1993,14(3):292.

[3] 國家環(huán)境保護總局.GB/T 1544121995水質(zhì)急性毒性的測定:發(fā)光細菌法[S].

[4] 楊仕廣,刁維寧,李彬.采用光電計數(shù)的激光微位移測量實驗系統(tǒng)[J].物理實驗,2009,29(9):1-4.

[5] Ben-Yoava H,Elad T,Shlomovits O,et al.Optical modeling of bioluminescence in whole cell biosensors [J].Biosensors and Bioelectronics,2009,24(7): 1 969-1 973.

Simulation of the effect of static high voltage on the Q67 bioluminescence

WEI Sheng-fei
(School of Physics,Northeast Normal University,Changchun 130024,China)

Experimental system used to simulate the spectrum of Q67 bioluminescence is designed using LED and optical attenuator.When the static high voltage is lower,the intensity of Q67 bioluminescence is higher than that without static high voltage.The light intensity decreases with the increase of static high voltage.The effect of static high voltage on Q67 bioluminescence can be simulated under outdoor conditions to benefit the water environment monitor.

static of high voltage;Q67;comparator amplifier;experimental system

Q93-332;O521

A

1005-4642(2010)12-0034-02

[責任編輯:郭 偉]

2010-07-06;修改日期:2010-01-09

吉林省科技廳社發(fā)重點項目(No.20080426-1);長春市科技局社發(fā)項目(No.2007SF20)

魏勝非(1964-),男,吉林省吉林市人,東北師范大學物理學院副教授,博士研究生,從事傳感器、通信方面的研究.