胡永恒

摘要：隨著人類生活質(zhì)量的不斷提高，對飲用水質(zhì)安全要求也在不斷提升?，F(xiàn)有已被發(fā)現(xiàn)的致癌物數(shù)量已達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新技術(shù)，根據(jù)生物體受到環(huán)境變化的時生活行為發(fā)生變換，從而對水質(zhì)變化進行實時監(jiān)測，該方法克服了傳統(tǒng)連續(xù)取樣的繁瑣性，并且可以簡化實驗過程，快速獲取水質(zhì)毒性資料，達到早起預(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：TP212.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-864X（2016）09-0300-01

引用

水質(zhì)生物傳感器，作為新技術(shù)，當其生活環(huán)境受溫度、光照等條件影響時，其行為會發(fā)生變化，可根據(jù)其變化實現(xiàn)對水質(zhì)污染狀況進行預(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。因此研發(fā)這種寬頻帶、快速、低成本、簡便式的基于活細胞傳感器的持續(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

系統(tǒng)主要集成包括：微控制器STM32模塊、聲音報警模塊、步進電機和移動滑臺模塊、PMT模塊、溫度控制模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊[1]和GSM模塊。其中微處理器負責數(shù)據(jù)處理，并完成和各個子模塊數(shù)據(jù)交換，PMT模塊附在移動化臺上，在一個暗箱里面通過采集不同區(qū)域微生物發(fā)光信號，然后將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過AD模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在微控制器進行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)做與標準數(shù)據(jù)做對比、判斷，如果此時數(shù)據(jù)不正常將會報警，及時采取應(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模塊返回給個人，讓人們實時知道飲用水質(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胞，多種生物標志物在培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)，當水樣中有害物質(zhì)進入活細胞培養(yǎng)基中，短時間內(nèi)細胞的快速繁殖會將有害物質(zhì)導(dǎo)致的基因缺陷無限放大，并會出現(xiàn)大面積死亡。細胞死亡后，其標志物發(fā)光強度會大大減弱，通過OPD光電探測器將光強信號轉(zhuǎn)化為電信號。細胞發(fā)光強度的大大減弱也會大幅度削弱電信號。當信號強度低于預(yù)警值，報警信號會通過無線或者短信方式發(fā)送至用。進水口可與自來水網(wǎng)絡(luò)相連，當取樣的自來水進入生物傳感器系統(tǒng)以后，首先通過進樣模塊，這兩個模塊只對水里面大的雜質(zhì)進行過濾，并不對進行其他的嚴格處理，以免影響水樣，然后進水管的水就會流入含有活細胞的培養(yǎng)基中，隨后通過檢測模塊，進行檢測和預(yù)警?；罴毎┙o模塊方便拆卸，可以根據(jù)需要添加活細胞類型，實現(xiàn)多樣檢測。

（二）硬件系統(tǒng)設(shè)計。

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功能強大，種類齊全，結(jié)合了高性能、實時、低功耗、低電壓特性，同時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軓姶蟮那度胧较到y(tǒng)，片上系統(tǒng)或者通用的可升級方案中。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，轉(zhuǎn)換頻率帶寬[3]可以從DC到200KHz，微控制器和PMT采集信號以及處理后發(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，采用多種類型活細胞，多種生物標志物進行聯(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，集成的微流控芯片可以捕獲致病菌，不僅適用于化學污染物，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，實現(xiàn)多點并聯(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），價格經(jīng)濟，適合大規(guī)模生產(chǎn)。模塊化設(shè)計適應(yīng)性強。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。檢測模塊的工作時間可以有效延長而不必擔心零部件腐蝕問題。可拆卸式的檢測模塊，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，因為使用活體細胞作為傳感器必須考慮到活體細胞的生存條件，如果不能夠保證細胞的正常生活，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在于擴大該系統(tǒng)地適用范圍上。

參考文獻：

[1]Ward R C， Loftis JC， McBride G B. The “data-rich but information-poor” syndrome in water quality monitoring[J].Environmental management， 1986， 10（3）： 291-297.

[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.