模擬高壓靜電對Q67發光影響的實驗系統

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發光影響的實驗系統

魏勝非

(東北師范大學物理學院,吉林長春130024)

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

高壓靜電;Q67;比較放大器;實驗系統

1 引 言

飲用水取水水源地的急性毒物檢測是保證城區居民飲用水安全的第一道關口.傳統的急性毒性(acute toxicity)概念是指人或實驗動物1次或24 h內多次接觸受試物后引起的中毒反應,甚至死亡.結果多以半數致死濃度(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有效濃度(EC50)或半數抑制濃度(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境監測部門和衛生監督部門的難題.利用發光微生物可以有效地解決這一難題,但是由于發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光微生物可以有效地促使發光微生物復蘇,從而利用其進行急性毒物的檢測.因為發光微生物凍干粉價格較高,對成批生產基于發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光特性將降低造價且方便調試,本實驗系統正是為了解決這一問題而設計.發光微生物有許多種,但是淡水發光微生物僅有青海湖菌,因而選擇青海湖菌Q67作為檢測發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 實驗裝置的總體結構

本實驗裝置由高壓靜電處理裝置、光電倍增管、可控二級管發光裝置、比較放大器、單片機等部分組成.總體結構圖如圖1所示.發光二極管發出模擬生物光,二級管發出的光經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,此信號用來調整單片機的輸出且該輸出經過模數(D/A)轉換用以驅動發光二極管.按程序單片機輸出控制高壓電源產生高壓,高壓電極極板間放置發光微生物,發光微生物所產生的光被光電倍增管接收(兩光電倍增管經過標定,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,單片機根據差分放大器送來的信號調整送往D/A轉換器的輸出以達到使差分放大器輸出趨于零的結果.單片機儲存送往D/A轉換器的輸出,從而確定模擬生物發光數據.

圖1 實驗裝置的總體結構框圖

3 微生物發光機理與實驗器材

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

從而產生生物發光,它直接與細胞的活性及代謝狀況相關[2].毒性物質將改變細胞的狀態,包括細胞壁、細胞膜、電子的轉移系統、酶及細胞質的結構,這些變化最終將導致生物發光的減弱.通過生物發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型水質毒性快速檢測儀.

4 實驗數據分析

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

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

表1 實驗數據對比表

5 結束語

經過實驗表明模擬高壓靜電對Q67發光影響的實驗系統可以替代實際的高壓靜電對Q67發光影響的實驗.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進行,因而有利于將Q67發光影響的實驗置于室外環境[5].

[1] 方戰強,陳中豪,胡勇,等.發光細菌法在水質監測中的應用[J].重慶環境科學,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研究[J].發光學報,1993,14(3):292.

[3] 國家環境保護總局.GB/T 1544121995水質急性毒性的測定:發光細菌法[S].

[4] 楊仕廣,刁維寧,李彬.采用光電計數的激光微位移測量實驗系統[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

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