基本信息
- 項目名稱：
- 水質(zhì)安全新衛(wèi)士:一種用于水質(zhì)毒性檢測的多通道微生物傳感器
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 突發(fā)性水質(zhì)污染事件已經(jīng)成為我國用水安全和水環(huán)境質(zhì)量的一個潛在威脅。本作品針對當前我國面臨嚴峻水環(huán)境污染危機的應急監(jiān)測能力不足問題，研究開發(fā)一種靈敏、便攜和經(jīng)濟的新型多通道微生物傳感器，用于水體污染的常規(guī)急性毒性分析和應急性環(huán)境監(jiān)測，為我國的水環(huán)境安全提供有力的技術(shù)保障。
- 詳細介紹：
- 近年來，我國有毒污染物引起的水質(zhì)安全與生態(tài)安全問題突出，化學品引起的環(huán)境污染事故頻發(fā)，不僅造成巨大的經(jīng)濟損失，而且導致社會的不安定和生態(tài)環(huán)境的嚴重破壞。突發(fā)性水質(zhì)污染事件已經(jīng)成為我國用水安全和水環(huán)境質(zhì)量的一個潛在威脅，為預防突發(fā)性水質(zhì)污染事件的發(fā)生和對已發(fā)生的污染事件迅速處置，建立水質(zhì)污染預警系統(tǒng)顯得尤為必要和迫切。 本研究小組針對現(xiàn)有生物傳感器毒性分析技術(shù)存在的不足，研究開發(fā)了一種具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的多通道電流型微生物傳感器，它通過選擇固定不同的毒性敏感菌株，對污染物的毒性做出快速評價，可實現(xiàn)對常見毒性物質(zhì)測定的標準偏差≤8%；微生物電極保存有效期3月（4℃條件下）；絲網(wǎng)印刷電極可重復使用≥50次；毒性分析靈敏度：重金屬（以Hg2+計）0.05ppm，毒性有機物（以苯酚計）0.1ppm。 應用研究表明，該微生物傳感器與基于發(fā)光細菌的毒性檢測儀和呼吸儀等相比，具有毒性檢測污染物范圍寬、操作簡單、不受樣品色度和濁度干擾、毒性檢測結(jié)果更具客觀真實性等優(yōu)勢，可很好適用于常規(guī)水質(zhì)急性毒性分析和應急性環(huán)境監(jiān)測。其推廣應用對提升我國的環(huán)境監(jiān)測能力和保障水環(huán)境生態(tài)安全具有重要實際意義，具有一定的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 發(fā)明目的：針對當前我國面臨嚴峻水環(huán)境污染危機的應急監(jiān)測能力不足的問題，自主研究開發(fā)一種靈敏、便攜和經(jīng)濟的新型微生物傳感器，用于水體污染的常規(guī)急性毒性分析和應急性環(huán)境監(jiān)測。 基本思路：將篩選出的毒性敏感菌株固定在碳工作電極表面作為敏感材料，利用其氧化還原代謝反應產(chǎn)生電流的變化實現(xiàn)對待測物質(zhì)毒性的定量測定：當毒性污染物存在時，微生物細胞呼吸作用因受到毒性抑制作用表現(xiàn)出電流強度的變化，根據(jù)待測污染物對微生物電流影響的程度來判斷其毒性的強弱。 創(chuàng)新點：（1）研究開發(fā)的微生物傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格和分析費用低廉、便攜、毒性分析性能好等特點；（2）設計開發(fā)的操作軟件人機交互界面友好；（3）其基于電流檢測的原理使毒性分析不受樣品色度和濁度的干擾，樣品無需預處理，操作簡單。 技術(shù)關(guān)鍵：（1）基于嵌入式微處理器的生物傳感換能器電路系統(tǒng)的開發(fā)；（2）基于C++語言的人機界面友好的微生物傳感器軟件系統(tǒng)的開發(fā)；（3）生物傳感器微電極的制備技術(shù)；（4）毒性敏感菌株的固定化技術(shù)。 主要技術(shù)指標：檢測時間：5~30min；重量：6.5kg；工作環(huán)境溫度：10~40 ℃；電源：220V交流電源，野外15V電池；對常見毒性物質(zhì)測定的標準偏差≤8%；微生物電極保存有效期3月（4℃條件下）；可篩選固定不同的毒性敏感菌株，構(gòu)建新型的微生物傳感器毒性分析系統(tǒng)；絲網(wǎng)印刷電極可重復使用≥50次；毒性分析靈敏度：重金屬（以Hg2+計）0.05ppm，毒性有機物（以苯酚計）0.1ppm。
科學性、先進性
- （1）在生物傳感器的硬件和軟件上：本作品采用低功耗CPU控制系統(tǒng)，在實現(xiàn)測試精度要求的同時，有效推進了生物傳感器的小型化和低成本；低失調(diào)電流的放大電路設計提高了儀器的精度。人機界面友好的操作軟件系統(tǒng)的開發(fā)，有利于該儀器的推廣應用。 （2）在生物傳感器的分析性能上：目前，國內(nèi)外已研究開發(fā)的水質(zhì)毒性分析用生物傳感器，多是基于微生物的發(fā)光、細胞生長、呼吸和酶活性變化等生理指標為指征。但是實際應用表明，上述毒性分析技術(shù)存在一定的局限性，如基于發(fā)光菌的毒性分析存在：菌株單一、難以長期保存、分析費用偏高和分析受樣品色度、濁度干擾等不足；而基于耗氧速率的測試方法中，易受周圍環(huán)境的影響，造成毒性分析的靈敏度不夠，誤差較大。本作品發(fā)明的水質(zhì)毒性檢測用微生物傳感器與基于常見的發(fā)光細菌和呼吸儀等毒性檢測儀相比，具有毒性檢測污染物范圍寬、操作簡單、分析費用低廉、不受樣品色度和濁度干擾、毒性檢測結(jié)果更具客觀真實性等優(yōu)勢。本作品具有獨立的自主知識產(chǎn)權(quán)，獲得了實用新型專利一項，軟件著作權(quán)一項。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- （1）被列入大學生物科委科技行動計劃項目（2010年） （2）被列入大學生創(chuàng)新實踐訓練計劃（SITP）項目（2010年）。 （3）上海市第十二屆上海市大學生課外學術(shù)科技作品競賽暨第十二屆“挑戰(zhàn)杯”上海市選拔賽決賽一等獎。
作品所處階段
- 生產(chǎn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 獨家許可
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術(shù)特點和優(yōu)勢：（1）毒性分析時間短（5-30min）；（2）毒性分析靈敏度高，不受樣品濁度和色度的影響；（3）儀器價格和分析費用低廉，操作簡便；（4）測試所需樣品少（約5mL），無需預處理；（5）可篩選固定不同的毒性敏感菌株，構(gòu)建新型微生物傳感器水質(zhì)毒性分析系統(tǒng)，用于污染物的綜合毒性分析。（6）操作軟件菜單設計邏輯性強，數(shù)據(jù)以圖表顯示，且可實現(xiàn)自動報警提示，人機交互界面友好。 作品的適用范圍：其潛在用戶主要集中在水質(zhì)檢測部門及環(huán)保科研院所，例如各級環(huán)境監(jiān)測部門、自來水廠和污水處理廠以及高等院校等，可應用于突發(fā)性環(huán)境污染事件的污染物現(xiàn)場快速應急檢測，以及工廠、飲用水水源地和飲用水水質(zhì)的常規(guī)檢測。 推廣前景：當前我國的水體不僅面臨著由傳統(tǒng)污染物引起的污染，而且還面臨著水環(huán)境毒物污染的嚴峻挑戰(zhàn)。本發(fā)明的水質(zhì)毒性檢測用多通道微生物傳感器可很好適用于水質(zhì)的常規(guī)急性毒性分析和應急性環(huán)境監(jiān)測，有著廣闊的推廣應用前景，其推廣應用必將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。
同類課題研究水平概述
- 1. 水質(zhì)毒性檢測方法的研究現(xiàn)狀：廢水毒性的測定主要有化學方法和生物學方法，傳統(tǒng)的化學分析方法雖然能定量分析廢水中主要污染物的成分及含量，但不能直接和全面地反映毒性物質(zhì)對環(huán)境的綜合影響，使其在水體污染的風險評價中受到很大限制。 2. 水質(zhì)毒性檢測用生物傳感器的研究現(xiàn)狀：二十一世紀是生命科學和信息科學的世紀，以現(xiàn)代生命科學與信息科學為基礎的生物傳感器技術(shù)成為環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。目前，國內(nèi)外已研究開發(fā)了多種生物傳感器毒性分析技術(shù)，它們多是基于微生物的發(fā)光、細胞生長、呼吸等生理指標為指征。在國內(nèi)外已研究開發(fā)的毒性分析技術(shù)中，基于發(fā)光細菌發(fā)光性能變化原理的毒性分析儀得到了較為廣泛的應用。然而，上世紀80年代末，科學家發(fā)現(xiàn)，如常用的發(fā)光細菌V. fischeri和P. phospohreum均屬于海洋生物，在毒性分析中，為了滿足海洋發(fā)光細菌的生理需要，必須在淡水樣品中添加食鹽達到3％，但如此高濃度的鈉或氯離子，會影響某些有毒物質(zhì)的生物學毒性表現(xiàn)，尤其是對重金屬污染物的生物可利用性。另外，如常用的明亮發(fā)光桿菌P.phosphoreum的 pH 適應范圍窄，測定時必須將樣品 pH 調(diào)至 7.3~7.5，因此根據(jù)細菌的發(fā)光情況來判斷水質(zhì)就會產(chǎn)生偏差，這是海洋發(fā)光細菌的一個主要不足之處。為了克服上述不足，我國科研人員研究發(fā)現(xiàn)了一種淡水發(fā)光細菌—青?；【?，可以在淡水環(huán)境中實現(xiàn)對樣品的毒性檢測，但該類細菌在重復培養(yǎng)過程中，活性容易發(fā)生變異，導致毒性分析的靈敏度下降。另一方面，現(xiàn)有的微生物傳感器毒性分析技術(shù)多是以為數(shù)不多的單一純菌株為受試體，從環(huán)境污染生態(tài)學觀點考慮，由于單一細菌對不同污染物的毒性敏感性不同，實際檢測污染物范圍相對較窄，分析結(jié)果往往難以反映污染物毒性的真實情況。同時，在發(fā)光菌法毒性分析中，由于它是基于細菌發(fā)光強度的變化為指標，其在使用中不可避免地受水體的色度和濁度的影響，導致毒性分析的重復性較差。而其它如基于微生物呼吸耗氧速率變化的毒性測試方法中，容易受周圍環(huán)境的影響，造成毒性分析的靈敏度不夠，誤差較大。 總體而言，我國的生物傳感器技術(shù)起步較晚，雖有一些如基于發(fā)光菌毒性檢測儀器的開發(fā)，但其分析性能與國外進口儀器相比仍存在一定的差距，且缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)。本作品發(fā)明的多通道微生物傳感器具有獨立的自主知識產(chǎn)權(quán)和良好的創(chuàng)新性。
