基于生物传感器的饮用水有毒物质检测

胡永恒

摘要：随着人类生活质量的不断提高，对饮用水质安全要求也在不断提升。现有已被发现的致癌物数量已达500多种，常规的在线水质监测仪虽能快速反应水体污染，但是对于潜在的污染物，尤其是致癌物，并不能宽频带范围检测其污染状况。水质生物传感器作为一个新技术，根据生物体受到环境变化的时生活行为发生变换，从而对水质变化进行实时监测，该方法克服了传统连续取样的繁琐性，并且可以简化实验过程，快速获取水质毒性资料，达到早起预警目的。

关键词：致癌物；水质监测；污染物；生物传感器

中图分类号：TP212.3 文献标识码：A 文章编号：1671-864X（2016）09-0300-01

引用

水质生物传感器，作为新技术，当其生活环境受温度、光照等条件影响时，其行为会发生变化，可根据其变化实现对水质污染状况进行预测。克服了其他水质监测仪成本高、体积大、取样周期短和测试周期长的问题，并且能够弥补市场上流行的监测仪大多都只能监测一种有毒物质的不足，监测频带具有一定的局限性的缺点。因此研发这种宽频带、快速、低成本、简便式的基于活细胞传感器的持续式生化水质监测系统是有重要意义的。

一、生物传感设计

系统主要集成包括：微控制器STM32模块、声音报警模块、步进电机和移动滑台模块、PMT模块、温度控制模块、电平转换模块[1]和GSM模块。其中微处理器负责数据处理，并完成和各个子模块数据交换，PMT模块附在移动化台上，在一个暗箱里面通过采集不同区域微生物发光信号，然后将光信号转换成电信号，再经过AD模块将模拟信号转换成数字信号，在微控制器进行数据处理，处理后的数据做与标准数据做对比、判断，如果此时数据不正常将会报警，及时采取应急措施，如控制温度模块，改变微生物的生存环境，把最终的数据处理后通过GSM模块返回给个人，让人们实时知道饮用水质量情况。系统框图如图1：

（一）系统物理模型。

系统的尺寸很小，可以通过简单的旁路应用于管网，可安装于家庭、水厂及输水管路等，通过采用采用多种类型活细胞，多种生物标志物在培养基中进行培养，当水样中有害物质进入活细胞培养基中，短时间内细胞的快速繁殖会将有害物质导致的基因缺陷无限放大，并会出现大面积死亡。细胞死亡后，其标志物发光强度会大大减弱，通过OPD光电探测器将光强信号转化为电信号。细胞发光强度的大大减弱也会大幅度削弱电信号。当信号强度低于预警值，报警信号会通过无线或者短信方式发送至用。进水口可与自来水网络相连，当取样的自来水进入生物传感器系统以后，首先通过进样模块，这两个模块只对水里面大的杂质进行过滤，并不对进行其他的严格处理，以免影响水样，然后进水管的水就会流入含有活细胞的培养基中，随后通过检测模块，进行检测和预警。活细胞供给模块方便拆卸，可以根据需要添加活细胞类型，实现多样检测。

（二）硬件系统设计。

STM32系列微控制器[2]是意法半导体（ST）公司于2017年6月推出的基于ARM公司的Cortex-M3内核的32位RISC MCU，该系列MCU功能强大，种类齐全，结合了高性能、实时、低功耗、低电压特性，同时保持了高集成度和易于开发的优势。可以用于一些需要低功耗和功能强大的嵌入式系统，片上系统或者通用的可升级方案中。光电传感器使用的是H10723系列的，是由日本生产的一款高压源、低功率产品。该产品抗噪声干扰能力强，转换频率带宽[3]可以从DC到200KHz，微控制器和PMT采集信号以及处理后发送。

二、总结

将生物传感器技术和微系统技术结合起来，采用多种类型活细胞，多种生物标志物进行联合预警，可以监测范围广泛的急性毒性和致癌物，同时，集成的微流控芯片可以捕获致病菌，不仅适用于化学污染物，同样可以监测水生病原体。设备尺寸很小，可以通过简单的旁路应用于管网，可安装于家庭、水厂及输水管路等，实现多点并联在线式监测水质安全。系统使用的光电探测器使用单片集成的微生物反应器（OPD/OLED），价格经济，适合大规模生产。模块化设计适应性强。用户可根据自己的需求组装检测设备，可适应多变的环境和地区，应用范围广。检测模块的工作时间可以有效延长而不必担心零部件腐蚀问题。可拆卸式的检测模块，方便快捷，操作简单，用户只需更换新的检测模块即可使检测系统继续工作。但是该系统还存在一定的缺点，因为使用活体细胞作为传感器必须考虑到活体细胞的生存条件，如果不能够保证细胞的正常生活，外界条件的变化可能导致测试结果失真，所以下一步研究重点在于扩大该系统地适用范围上。

参考文献：

[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.