基于生物傳感器的飲用水有毒物質檢測

胡永恒

摘要：隨著人類生活質量的不斷提高，對飲用水質安全要求也在不斷提升。現有已被發現的致癌物數量已達500多種，常規的在線水質監測儀雖能快速反應水體污染，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。水質生物傳感器作為一個新技術，根據生物體受到環境變化的時生活行為發生變換，從而對水質變化進行實時監測，該方法克服了傳統連續取樣的繁瑣性，并且可以簡化實驗過程，快速獲取水質毒性資料，達到早起預警目的。

關鍵詞：致癌物；水質監測；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

水質生物傳感器，作為新技術，當其生活環境受溫度、光照等條件影響時，其行為會發生變化，可根據其變化實現對水質污染狀況進行預測。克服了其他水質監測儀成本高、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測儀大多都只能監測一種有毒物質的不足，監測頻帶具有一定的局限性的缺點。因此研發這種寬頻帶、快速、低成本、簡便式的基于活細胞傳感器的持續式生化水質監測系統是有重要意義的。

一、生物傳感設計

系統主要集成包括：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、電平轉換模塊[1]和GSM模塊。其中微處理器負責數據處理，并完成和各個子模塊數據交換，PMT模塊附在移動化臺上，在一個暗箱里面通過采集不同區域微生物發光信號，然后將光信號轉換成電信號，再經過AD模塊將模擬信號轉換成數字信號，在微控制器進行數據處理，處理后的數據做與標準數據做對比、判斷，如果此時數據不正常將會報警，及時采取應急措施，如控制溫度模塊，改變微生物的生存環境，把最終的數據處理后通過GSM模塊返回給個人，讓人們實時知道飲用水質量情況。系統框圖如圖1：

（一）系統物理模型。

系統的尺寸很小，可以通過簡單的旁路應用于管網，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基中進行培養，當水樣中有害物質進入活細胞培養基中，短時間內細胞的快速繁殖會將有害物質導致的基因缺陷無限放大，并會出現大面積死亡。細胞死亡后，其標志物發光強度會大大減弱，通過OPD光電探測器將光強信號轉化為電信號。細胞發光強度的大大減弱也會大幅度削弱電信號。當信號強度低于預警值，報警信號會通過無線或者短信方式發送至用。進水口可與自來水網絡相連，當取樣的自來水進入生物傳感器系統以后，首先通過進樣模塊，這兩個模塊只對水里面大的雜質進行過濾，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基中，隨后通過檢測模塊，進行檢測和預警。活細胞供給模塊方便拆卸，可以根據需要添加活細胞類型，實現多樣檢測。

（二）硬件系統設計。

STM32系列微控制器[2]是意法半導體（ST）公司于2017年6月推出的基于ARM公司的Cortex-M3內核的32位RISC MCU，該系列MCU功能強大，種類齊全，結合了高性能、實時、低功耗、低電壓特性，同時保持了高集成度和易于開發的優勢。可以用于一些需要低功耗和功能強大的嵌入式系統，片上系統或者通用的可升級方案中。光電傳感器使用的是H10723系列的，是由日本生產的一款高壓源、低功率產品。該產品抗噪聲干擾能力強，轉換頻率帶寬[3]可以從DC到200KHz，微控制器和PMT采集信號以及處理后發送。

二、總結

將生物傳感器技術和微系統技術結合起來，采用多種類型活細胞，多種生物標志物進行聯合預警，可以監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，同樣可以監測水生病原體。設備尺寸很小，可以通過簡單的旁路應用于管網，可安裝于家庭、水廠及輸水管路等，實現多點并聯在線式監測水質安全。系統使用的光電探測器使用單片集成的微生物反應器（OPD/OLED），價格經濟，適合大規模生產。模塊化設計適應性強。用戶可根據自己的需求組裝檢測設備，可適應多變的環境和地區，應用范圍廣。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繼續工作。但是該系統還存在一定的缺點，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致測試結果失真，所以下一步研究重點在于擴大該系統地適用范圍上。

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.