专利名称：水质综合生物毒性在线自动分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种水资源保护以及水质环保监测领域，特别是一种水质综合生物 毒性在线自动分析仪。
背景技术：
为了适应环境监测的需要，解决生物毒性监测存在的繁琐、费时、费用高及重复性 和灵敏度等方面的问题。国外一直在不断研究改进生物毒性的测试方法，使其快速、灵 敏、经济易行。从六十年代中期开始研究用发光细菌监测环境污染，到七十年代发展成 为比较成熟的测试技术。以美国、英国、苏联、日本、澳大利亚等国家的学者研究应用 较多，有的项目已经申请了专利，八十年代以来美国的贝克曼仪器公司在这方面的研究 取得了突破性的进展。他们研制了专门的测试仪器和发光细菌试验配套，在应用发光细 菌法测定有毒物质的生物毒性方面作了许多成功的研究。使得此法得到很快发展的推广。 近年来，我国学者对发光细菌的研究和应用做了大量工作，研制生产了专门的测试仪器， 建立了发光细菌法生物毒性测试系统(LB系统)，为发光菌毒性监测在我国的推广应用 打下了基础。
但是上述以往利用发光细菌制作的测试仪器存在以下一些问题如贝克曼公司生产 的专门的测试仪器和发光细菌试验配套，但属于实验室内使用，价格高昂且对环境的要 求过于苛刻。北美仪器生产的在线自动分析采用的是COD和BOD方法，也只停留在实验 室使用的底层上。国内华东师范大学生物系和南京晶体管厂曾生产出利用发光细菌制作 的测试仪器，但它是属于手动取样，人工读取数据、断续性测试方式，非在线式的只能 在实验室连同冷冻设备组合工作。哈尔滨医科大学公共卫生学院卫生毒理学教研室曾报 道生产急性毒性发光细菌传感器和急性毒性快速测试仪，设计一种用明亮发光杆菌与硅 光二极管组成的急性毒性细菌发光传感器和流通式微机化快速测定环境污染物急性毒性 测定仪，只能实现定性测试的目的，不能实现在线测试功能和对比浓度分析试验判断污 水的毒性等级。沈阳七彩科技工程公司研制生产的CTOZF-I型城市污水生物毒性在线自 动分析仪(专利号为2004100213555)具有现场在线测试和对抗恶劣环境等优点，特别适 用于城市污水生物综合毒性的检测，但它存在如下的不足和缺点
1、 CWDZF-I型在线分析仪由于没有在线活化装置，因此每一次检测所需要的发光菌 都是事先活化好后，再注入到仪器中，因为菌的寿命是有限的，最长寿命是117小时，所以连续测试不需要人为干预的时间最长就是5天，根据发光菌生命曲线探测结果表明， 发光菌最好的发光时间是活化开始20小时到36小时这段时间，CWDZF- I型分析仪没有 解决最佳生命周期和尽可能延长连续检测的问题。
2、 CWDZF-I型在线分析仪管路使用医用导管和医用容器瓶，利用吊盐水的原理实现 发光菌的注入，会出现在管道内部出现其他细菌而与发光菌争资源的问题。从而影响检 测结果的准确性。
3、 CWDZF-I型在线分析仪原来只具有一个温区，不能很好保证发光菌的活性处于最 佳状态，所以测试过程中的发光菌的发光强度不足，影响检测质量。
4、 CWDZF-I型在线分析仪原来测试单元采用上下移动光电倍增管的电机等结构，使 得测试单元转动与光电倍增管上下移动共同存在，测试时间长，每个测试试管被测到的 数据少。
5、 CWDZF-I型在线分析仪的测试单元转动后，向试管内注入液体不易准确，特别是 当光电倍增管的头与试管不直接对应，由于光电倍增管电机的上下移动，会损害光电倍 增管。影响检测的可靠性。
实用新型内容
本实用新型的目的旨在解决上述的问题，提供一种水质综合生物毒性在线自动分析 仪器，实现测试用发光杆菌在仪器内的冷冻保存和在线活化，保证发光菌的活性处于最 佳状态，不需要人为干预可自动检测毒性延长到20天，测试时间短，数据采集多，检测 的可靠性高，结构简单、成本低。
本实用新型提供的在线自动分析仪器它包括仪器壳体、连接电控装置的操作面板、 连接流量控制管路的缓冲液储存罐、带流量控制阀的清洗管、连接流量控制管路的待测 液缸、以及设置有旋转长轴、暗箱和试管的精密测试装置，其特征是壳体内腔设置0 'C 4'C温区和20'C 25'C温区，0'C 4-C温区内装有冷凝管，外接气体压縮机，20°C 25'C温区内装有电热件，在两个温区内设置温度采集元件，温度采集元件连接电控装置 的单片机CPU;在0'C 4'C温区内设置缓冲液槽、两套冻干粉储存定量控制装置、营养 液储存器；20'C 25'C温区内设置两个发光菌活化反应釜、活化发光菌储存罐、缓冲液 储存罐、待测液缸和精密测试装置；其中，缓冲液槽通过流量控制管路连接缓冲液储存 罐，缓冲液储存罐通过流量控制输出管连接两个发光菌活化反应釜，两套冻干粉储存定 量控制装置分别通过管路连接对应的发光菌活化反应釜，两个发光菌活化反应釜通过流 量控制管路共接活化发光菌储存罐，营养液储存器通过流量控制管路连接发光菌活化反 应釜；精密测试装置的暗箱内组装旋转长轴，旋转长轴连接定位电机，与旋转长轴固接的圆盘上组装数个试管，各试管下端分别连接带电磁阀的排放管；各流量控制管道穿过 暗箱盖分别连接发光菌活化储存罐、缓冲液储存罐、待测液缸和清水管；在暗箱壁与试 管组定位圆环上分别设置光电霍尔开关和配套磁铁，在试管的旁侧设置光电倍增管。
上述冻千粉储存、定量控制装置设置带漏孔的定盘，定盘的上面组装由定位电机带 动的转盘，转盘设置多个冻干粉储存孔洞。
在仪器壳体内腔上部组装紫光灯。 本实用新型和现有技术相比具有如下优点
1、 实现了发光菌在线活化，从而解决了掌握发光菌最佳生命周期和尽可能延长连续 检测的问题。提高了检测结果的准确性。
2、 本实用新型在更换冻干粉前杀菌，并在活化流程管路加正压，实现杀除其他细菌 的目的，保证发光杆菌顺利活化并保持较好生存状态。
3、 设置两个温区的设计既解决了长久保存、在线活化，也可以保证发光菌的活性处 于最佳状态，不需要人为干预可自动检测毒性延长到20天。
4、 本实用新型设计光电倍增管固定，只是转动试管组，测试时间短、数据采集多， 减少主要器件出现故障的可能性。
5、 本实用新型设置定位装置，可以保证检测速度较高情况下仍可以实现测试单元各 试管与缓冲液、发光菌、待测水、清水管接头的一一对应，与光电倍增管的位置也是一 一对应，保证检测的可靠性。
6、 能实现水质综合生物毒性在线检测，操作简单，维护方面，自动化程度高，连续 性好、所以能够得到合理的性能价格比。
7、 能适用于较恶劣环境的在线自动监测，利用它可以作为单机使用，也可以充当监 测网络系统的前端产品。适用于水资源保护、水环境监测、生物、环保、石油化工等场 所用带计量的在线监测或分析仪器。
图1是本实用新型的仪器总体结构示意图。 图2是冻干粉储存、定量控制装置结构示意图。 图3是精密测试装置的结构示意图。 图4是图3的A—A的剖视图。 图5是本实用新型的仪器正面面板示意图。
具体实施方式
见图1—4，本实用新型提供的在线自动分析仪器具体结构如下在仪器壳体28内腔设置隔断的0。C 4。C温区和的20。C 25。C温区，0'C 4。C温区 应用冰箱原理在内壁上装有冷凝管32，外接气体压縮机。20'C 25'C温区内装有电热 管18，实现加热功能。在两个温区内分别设置温度采集元件，即在0'C 4'C温区内装有 温度采集板22，在2(TC 25。C温区内装有温度采集板11。温度采集元件连接电控装置的 单片机CPU;通过单片机CPU检测两个温区的温度，与控制温度比较，需要升温就通电电 热管，需要降温就启动压缩机。釆集这两处温度的目的是为控制这两处温度处于某个定 值做准备，这样可以使仪器中的温度环境适合发光菌生存。
在O'C 4'C温区内的设置在仪器壳体内腔的上部安装有缓冲液槽27和紫外灯26; 缓冲液槽27通过带电磁阀的流量控制管路29连接缓冲液储存罐25，缓冲液槽27存储缓 冲液可供系统使用10天左右，缓冲液储存罐25通过缓冲液流量控制管路9将缓冲液滴 进测试部分的试管内。在仪器壳体内的上部设置两套冻干粉储存、定量控制装置，见图2， 每套储存、定量控制装置设置有带漏孔的定盘34，定盘34上有一个与冻干粉管路19(36) 连通的漏孔，冻干粉管路19 (36)另一端连至发光菌活化反应釜15 (37)。定盘34的上 面组装由定位电机21带动的转盘33，转动定位电机21可以控制转盘33的定位。转盘 33上有8个存储冻干粉的孔洞23。在转盘33上面通过连接件固定密封盖31。初始状态 时转盘33上的存储孔洞23和定盘33上的漏孔错开，每次在线活化时定位电机21会顺 时针转动一定角度使转盘33上的下一个存储孔洞对准定盘34上的漏孔，使一份冻干粉 通过冻干粉管路19 (36)滑落到发光菌活化反应釜15 (37)中。在该温区内还设置营养 液储存器30，营养液储存器30通过带电磁阀的流量控制管路20连接20'C 25'C温区内 的两个发光菌活化反应釜15、 37。每次活化前控制系统会打开流量控制电磁阀向活化釜 15 (37)中添加定量的营养液。缓冲液储存罐25通过带电磁阀的流量控制管路17连接 两个发光菌活化反应釜15和37，每次活化前控制系统打开流量控制电磁阀向活化反应釜 15 (37)添加定量的缓冲液。
2(TC 25'C温区内的设置在仪器壳体内的中部安装两个发光菌活化反应釜15和 37，发光菌活化反应釜15和37内分别组装由电机35带动的搅拌器16。搅拌活化反应釜 中的菌液使其混合均匀。两个发光菌活化反应釜15和37的下端分别通过带电磁阀的流 量控制管路13、 14连接一个发光菌储存罐12。当菌液活化好后，系统会打开活化釜15 (37)下侧流量电磁阀把活化好的菌液释放到活化后发光菌存储罐12中用于测试。该温 区还设置待测液缸40，待测液缸40设置带电磁阀的待测液管45，通过待测液管45将待 测液滴进测试部分的试管中。同时还设置带电磁阀的清水管44。在仪器壳体内的下部安 装精密测试装置，精密测试装置结构见图l、图3、图4,暗箱51内组装旋转长轴46，旋转长轴46连接定位电机42，旋转长轴46固接圆盘49，圆盘49上沿圆周均布组装六 个试管，各试管下端分别连接带电磁阀4的排放管2，各试管下端的电磁阀4和排放管2 固定连接在圆环3上。各流量控制管路穿过暗箱盖43分别连接发光菌活化储存罐12、缓 冲液储存器25、待测液缸40和清水管44;在暗箱壁与试管组定位圆环上分别设置光电 霍尔开关52和配套磁铁5,在试管的旁侧设置光电倍增管50。
在系统中设置压縮空气输入管39，向缓冲液储存罐25、营养液储存器30、两个发光 菌活化反应釜15和37、发光菌存储罐12和与其连接的流量传输控制管道内施加1 2Kg 的压力，以提供防止活化过程中外界细菌的侵入。
活化部分主要包括冻干粉储存、定量控制装置、发光菌活化反应釜15和37、营养 液储存器30、缓冲液储存罐25、活化后发光菌存储罐12、温度采集部件和相应的管路及 电磁阀。
测试部分主要包括、旋转长轴46、测试用试管组、光电倍增管50、待测液缸40和光 电霍尔开关。
见图5，本实用新型仪器正面面板设置电源开关58、紫外线灯开关59、液晶显示屏60、 按键61、以及待测液溢流管出口55、待测液输入管接口56、压缩空气输入管接口57、清 水输入管接口62。
本实用新型提供的在线自动分析仪器的使用方法如下-系统的在线活化过程如下
1、 紫外灯26在每次活化前开启半小时左右用于对活化部分容器、设备和壳体上侧空 间进行杀菌处理，以利于发光菌的生长。
2、 在线活化开始前打开流量控制电磁阀向缓冲液罐25中添加一定量的缓冲液。测试 时通过流量控制电磁阀向试管中添加定量的缓冲液。缓冲液主要是补充容器内液体体积， 以达到不同浓度的目的，缓冲液对发光杆菌的发光强度没有影响。
3、 启动控制装置，将储存活性发光菌冻干粉的温区控制在(TC 4'C，将仪器内另一 温区保持在20。C 25。C。
4、 通过冻干粉定量控制装置控制将冻干粉以一定量值，通过冻干粉管路19注入到第 一个发光菌活化反应釜15中，同时将一定量值的营养液和一定量值的缓冲液注入到该发 光菌活化反应釜中，控制搅拌电机定时转动，在适宜的温度20'C 25'C下，开始活化反 应釜中的菌液活化。
5、 16小时后通过冻干粉定量控制装置控制将冻干粉以一定量值，通过冻干粉管路19 注入到第二个活化反应釜37中，同时将一定量值的营养液和一定量值的缓冲液注入到该发光菌活化反应釜中，控制搅拌电机定时转动，在适宜的温度20'C 25'C下，开始活化 反应釜中的菌液活化。
6、 再经过4小时，当第一个活化反应釜15中菌液活化20小时后，将其释放到活化后 发光菌存储罐12中以备测试使用。
7、 再经过12小时后向第一个活化反应釜15中添加原料重复作菌液活化。
8、 再过4小时当第二个活化反应釜37中菌液活化20小时后，将其中菌液释放到活化 后发光菌存储罐12中。
9、 再过12小时向第二个活化釜37添加定量的冻干粉、缓冲液和营养液等原料重复作 活化反应釜37中的菌液活化。
两个活化反应釜交替重复上述活化程序，以32小时为周期交替对两个活化釜做添加 原料和释放菌液的操作即可。
系统测试原理如下系统通过控制电机42的转动来改变试管的位置。当试管圆盘49 处于初始位置时光电霍尔开关52输出一个低电平的信号，否则输出的为高电平信号。每 次测试开始前和测试完时，系统都会对光电霍尔开关52的输出信号做检测。如果信号为 高电平则采用合理的定位算法转动电机42来为试管盘定位，使其回到初始位置。光电霍 尔开关52和步进电机结合使用能很好地定位试管圆盘49从而实现试管的定位。光电倍增 管50位于4号试管48的一侧，它能采集发光菌发出的光信号，并将光信号转换为微弱的电 信号供控制系统釆集处理。在试管圆盘49处于初始位置时，l号试管6对准添加菌液管8， 2号试管7对准缓冲液管9， 3号试管47对准清水管43， 4号试管48对准待测液管45，同时4 号试管还对准了光电倍增管50。添加菌液管8与活化后发光菌存储罐12相连，系统通过开 闭添加菌液流量控制电磁阀来向试管中添加定量的菌液。缓冲液管9和缓冲液存储罐25相 连，通过控制流量电磁阀向试管中添加定量的缓冲液。清水管44与水泵管或者自来水管 相连随时供水，系统通过开关流量控制电磁阀来向试管添加清水，用于冲洗试管。待测 液管45与待测液缸40相连，系统可以通过流量控制电磁阀的开闭来向试管中添加定量的 待测液。待测液缸与水泵相连，水泵会一直向待测液缸中送待测液以保持待测液缸中的 待测液为最新的。待测液缸40的上侧有溢流口与溢流管41相连，待测液可以通过溢流管 41流到其它地方以防止待测液缸的待测液外溢。排放管2下边有废水槽1，测试完试管中 的废液和清洗试管的液体都将被排到废水槽l中。
系统的测试过程如下
1、先向第一支试管添加一定量的菌液、缓冲液和待测液。电机42顺时针转60度，向 第二支试管添加定量的三种液体。电机先后转动60度5次，相应的向对应的试管中添加对应量的三种液体5次。从而使6支试管中都添加好对应量的三种液体。液体添加好后电机 逆时针转动300度。
2、 重新定位使试管圆盘49回到初始位置。先通过光电倍增管50采集试管中的发光菌 发光强度，然后顺时针转动定位电机60度5次。每转动一次采集对应试管的发光菌发光强 度。6支试管中的光强都采集完后，电机逆时针转动300度。重新定位试管圆盘49使其回 到初始位置，然后按照上面的方式再次采集各试管中的光强。重复执行采集流程10次。
3、 放掉试管中的废液，向试管中添加清水清洗试管2次。
水质毒性的污染等级由专用软件包计算后显示以及存储在相应的数据库中。测量数 据在工作现场LED显示和存储在单片机的程序内，并且通过485/232转换电路实现串口 通讯，把现场数据传送到远程控制室，既可实现单机操作，也可实现联网操作。
发光杆菌发光强度参数与被测物质毒理指标的对应关系，是通过试验建立相关的毒 理分析数据库，并采用美国BULICH. A. A提出的发光细菌毒性试验百分位数法等级划分原 则进行毒性等级划分。毒性强度的度量指标如下
(1) 相对光强度相对光强度=样品光强度/对照光强度乂100%
(2) 相对抑光率相对抑光率=对照光强度_样品光强度/对照光强度乂100%
(3) EC50:EC50为使发光强度减少5(^的毒物浓度或污水的稀释浓度(或稀释倍数)。 发光细菌试验百分位数法等级划分
EC50或LC50(百分 浓度)毒性级别等级
<25%强毒I
25-75%毒II
75-100%微毒m
> 100%或求不出无毒IV
EC50
权利要求1、一种水质综合生物毒性在线自动分析仪，它包括仪器壳体、连接电控装置的操作面板、连接流量控制管路的缓冲液罐、带流量控制阀的清洗管、连接流量控制管路的待测液缸、以及设置有旋转长轴、暗箱和试管的精密测试装置，其特征是壳体内腔设置0℃～4℃温区和20℃～25℃温区，0℃～4℃温区内装有冷凝管，外接气体压缩机，20℃～25℃温区内装有电热件，在两个温区内设置温度采集元件，温度采集元件连接电控装置的单片机CPU；在0℃～4℃温区内设置缓冲液槽、两套冻干粉储存定量控制装置、营养液储存器；20℃～25℃温区内设置两个发光菌活化反应釜、活化发光菌储存罐、缓冲液储存罐、待测液缸和精密测试装置；其中，缓冲液槽通过流量控制管路连接缓冲液储存罐，缓冲液储存罐通过流量控制输出管连接两个发光菌活化反应釜，两套冻干粉储存定量控制装置分别通过管路连接对应的发光菌活化反应釜，两个发光菌活化反应釜通过流量控制管路共接活化发光菌储存罐，营养液储存器通过流量控制管路连接发光菌活化反应釜；精密测试装置的暗箱内组装旋转长轴，旋转长轴连接定位电机，与旋转长轴固接的圆盘上组装数个试管，各试管下端分别连接带电磁阀的排放管；在暗箱盖上分别通过流量控制管道连接发光菌活化储存罐、缓冲液储存罐、待测水调控装置和分析仪外接清洗管；在暗箱壁与试管组定位圆盘上分别设置光电霍尔开关和配套磁铁，在试管的旁侧设置光电倍增管。
2、 根据权利要求l所述的水质综合生物毒性在线自动分析仪，其特征是冻干 粉储存定量控制装置设置带漏孔的定盘，定盘的上面组装由定位电机带动的转盘，转 盘设置多个冻干粉储存孔洞。
3、 根据权利要求l所述的水质综合生物毒性在线自动分析仪，其特征是在仪 器壳体内腔上部组装紫外线杀菌灯。
专利摘要一种水质综合生物毒性在线自动分析仪，其特征是仪器内部设有两个温度控制区，0℃～4℃的温区主要包括冻干粉储存装置、杀菌装置、冻干粉定量控制装置、营养液储存装置，20℃～25℃的温区主要包括发光菌活化反应储存釜、缓冲液储存装置、待测水调控装置、清水流量传输控制管道、精密测试装置，暗箱内的旋转长轴固接圆板，圆板上组装试管，在暗箱盖上通过流量传输控制管道连接发光菌活化反应储存釜、缓冲液储存装置、待测水调控装置和分析仪外接清洗管；在暗箱的内部设置有光电探测器。本实用新型具有的优点是能实现水质综合生物毒性在线检测，操作简单，维护方面，自动化程度高，所以能够得到合理的性能价格比、能适用于较恶劣环境的在线自动监测，利用它可以作为单机使用，也可以充当监测网络系统的前端产品。
文档编号C12R1/01GK201344934SQ2009200101
公开日2009年11月11日 申请日期2009年1月13日 优先权日2009年1月13日
发明者洪伟荣, 赵大明, 静 黄 申请人:浙江理工大学