专利名称：便携式生化需氧量光化学微生物传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微生物传感器，尤其是涉及一种可用于生化需氧量(BOD)现场快速测定的光化学微生物传感器。
背景技术：
生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand，BOD)，指水体中微生物分解有机物过程中消耗水中溶解氧的量，以mg/L表示，它是检测水体被有机污染状况最常用的指标之一。现有BOD测定的标准方法为五日生化需氧量标准稀释测定法，由于该方法不仅需要5天培养等许多复杂的程序，而且要求分析人员具备熟练的操作技巧，无法实现对环境的实时和在线监测，因此，近30年来BOD微生物传感器快速测定方法受到广泛关注。其中最有替代前景的方法被称为BOD微生物传感器，其原理基于微生物对有机物的耗氧代谢，测定BOD只涉及到初始氧化速率，因而可在10～15min内完成一个样品的测定，大大缩短了测定所需的时间。然而，BOD快速测定仪的研究主要还处于实验室研究阶段，现场仪器生产绝大多数处于研究阶段。如北京北美仪器生产的BIOX-1010型BOD测定仪，该仪器基于生物反应器的原理实现BOD快速测定，但是由于仪器体积庞大，不适合用于现场测定(http://www.bioscienceinc.com，2006-09-02)；而天津赛普环保BOD-220B型BOD快速测定仪是基于微生物电极的原理，需搅拌曝气，便携性不足，也主要用于实验室(http://www.sipohb.com/ci-alll.htm，2006-09-02)。专利号为ZL 200410045500.3的发明专利提供的光纤光化学生化需氧量微生物膜动力学响应传感器，由于仪器带有外挂的稳压电源、恒温仪、色谱工作站等部分，因此也只适用于实验室使用，仪器的便携性较差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的BOD测定设备所普遍存在的不适合用于现场测定等问题，提供一种可用于生化需氧量(BOD)现场快速测定的便携式生化需氧量光化学微生物传感器。
本发明设有检测池、发光二极管、光纤便携式生化需氧量光化学微生物传感器敏感膜(BOD敏感膜)、光电池、放大电路和A/D采集电路。BOD敏感膜和发光二极管置于检测池内，发光二极管的激发光直接照射在敏感膜的菌膜上，检测池上设有光窗，发射光透过光窗直接照射到光电池表面，光电池接放大电路的输出端，放大电路的输入端接A/D采集电路输出端，使用时，便携计算机由USB接口模块与传感器的A/D采集电路相连，计算机软件对接收到的信号进行处理，作图，并保存。计算机软件通过USB接口模块与单片机进行通讯，控制数据传送的开始与停止。
发光二极管采用蓝色发光二极管。
光纤便携式生化需氧量光化学微生物传感器敏感膜(BOD敏感膜)由透明片、氧敏感膜和菌膜组成，氧敏感膜设于透明片上，菌膜固定在氧敏感膜上。
在检测池上最好设有温度控制器，以便对检测池中的温度进行调节和控制。
本发明的测定原理为选用蓝色发光二极管作为激发光(波长λmax＝460nm)直接照射在检测池中的BOD敏感膜上，响应后产生的荧光信号直接照射到光电池表面，光电池产生的光电流信号由前端放大部分放大，输出0～1V电压信号，输出的信号由A/D采集电路采集，通过单片机控制，由USB接口模块传送到计算机，计算机软件对接收到的信号进行处理，作图，并保存。测量时，放置一片BOD敏感膜于检测池中，空气中静置至输出一恒定数字信号。此时，向检测池中加入一定体积样品溶液，在不搅拌、不通空气和测量槽密封的条件下，测定液中菌膜周围的溶解氧将被迅速地消耗，而溶液中溶解氧来不及扩散补充，导致菌膜周围呈现一种局部缺氧的状态，经氧敏感膜二次传感表现为氧膜的荧光强度值逐渐升高。这种荧光强度变化速率的大小，随检测池中有机物浓度的不同而变化，在一定BOD浓度范围内，两者之间存在着一定的线性关系。选用适当的控制软件，可以自动完成数据的实时记录，对信号进行积分，并自动代入工作曲线给出最终的测定结果。
由此可见，本发明的优点是(1)采用光电池实现光电转换，更加经济，并大大简化了仪器装置；(2)整机功耗小，全部模块的电源由计算机USB端口提供，不用额外连接电源；(3)通过合适的软件可以实现数据的采集、记录以及积分等计算，无需外加如色谱工作站的数据采集处理设备；(4)基于光化学BOD微生物传感原理，检测过程中无需搅拌，更适应于在线监测。
图1为本发明实施例的结构框图。
图2为本发明实施例的敏感膜BOD响应曲线。在图2中，横坐标为时间/分钟(t/min)，纵坐标为电压信号强度/毫伏(S/mV)。
图3为本发明实施例BOD响应曲线的一阶求导曲线。在图3中，横坐标为时间/分钟(t/min)，纵坐标为荧光强度变化速率(dS/dt)。
图4为本发明实施例的电源电路原理图。
图5为本发明实施例的放大电路、A/D采集电路和USB模块与单片机控制电路原理图。
具体实施例方式
参见图1，本发明设有温度控制器1、检测池2、蓝色发光二极管3、光纤便携式生化需氧量光化学微生物传感器敏感膜(BOD敏感膜)4、光电池5、放大电路6、A/D采集电路7和电源电路。BOD敏感膜4和发光二极管3置于检测池2内，发光二极管3的激发光直接照射在BOD敏感膜4的菌膜上，检测池2上设有光窗21，发射光透过光窗21直接照射到光电池5的表面，光电池5接放大电路6的输出端，放大电路6的输入端接A/D采集电路7的输出端。使用时，便携计算机8由USB接口模块与传感器的A/D采集电路7相连，计算机软件对接收到的信号进行处理，作图，并保存。计算机软件通过USB接口模块与单片机进行通讯，控制数据传送的开始与停止。
光纤便携式生化需氧量光化学微生物传感器敏感膜(BOD敏感膜)4由透明片、氧敏感膜和菌膜组成，氧敏感膜设于透明片上，菌膜固定在氧敏感膜上。
温度控制器可采用厦门宇光电子技术有限公司生产的AI-708T经济型智能温度控制器。
以下给出本发明的工作流程。
1)将本发明接入计算机USB口，启动计算机；2)计算机开始对本发明供电，完成初始化；3)打开本发明所需的控制软件；4)按联机键并打开LED，此时计算机开始数据采集，并在显示屏上显示；5)放入BOD敏感膜空白溶液，对本发明进行调零；6)放入样品溶液，本发明开始对样品进行响应，并实时显示信号变化；7)检测完毕后，计算机自动保存记录并自动进行计算。
以下给出本发明用于海水BOD值的测定方法。
1)将生化需氧量光化学微生物敏感膜装入检测池，在敞开体系中曝空气2min，然后往检测池中加入20mL的GGA溶液(准确称取分析纯的葡萄糖和谷氨酸各0.0750g，用以上磷酸缓冲溶液定容至100mL，配得的溶液称为BOD值为1000mg/L的GGA溶液)；2)发光二极管的光束直接照射在检测池中的菌膜上，响应后产生的荧光信号通过光纤传导进入光电倍增管；3)由光电倍增管输出的电流信号经微光测量仪转化为电压信号，再由色谱工作站转换为数字信号，由计算机记录、分析和处理。荧光速率变化最大值和GGA的浓度之间存在一定的线性关系。
4)配置不同浓度的GGA溶液，按上述方法进行实验，绘制标准工作曲线。
5)将海水样品过滤后按上述方法进行实验，通过标准工作曲线计算出海水的BOD值。
本发明实施例的敏感膜BOD响应曲线和BOD响应曲线的一阶求导曲线参见图1和2。
由此实现了水样的现场快速测定。
参见图4和5，供电电源采用集成电路U1(H7805型)。前端放大部分采用运算放大器U2(包括U2A和U2B)，放大电路的输入端接光电池D1。A/D采集电路采用集成电路U3(AD780型)和U4(AD7715型)，A/D采集电路的输入端接放大电路的输出端，A/D采集电路的输出端接单片机控制电路(采用单片机U5AT89C2051型)输入端。单片机控制电路通过USB接口模块J2与电脑连接。图4和5中的主要元器件的参考型号/参数见表1。
表1
权利要求
1.便携式生化需氧量光化学微生物传感器，其特征在于设有检测池、发光二极管、BOD敏感膜、光电池、放大电路和A/D采集电路；BOD敏感膜和发光二极管置于检测池内，发光二极管的激发光直接照射在敏感膜的菌膜上，检测池上设有光窗，发射光透过光窗直接照射到光电池表面，光电池接放大电路的输出端，放大电路的输入端接A/D采集电路输出端。
2.如权利要求1所述的便携式生化需氧量光化学微生物传感器，其特征在于发光二极管为蓝色发光二极管。
3.如权利要求1所述的便携式生化需氧量光化学微生物传感器，其特征在于BOD敏感膜由透明片、氧敏感膜和菌膜组成，氧敏感膜设于透明片上，菌膜固定在氧敏感膜上。
4.如权利要求1所述的便携式生化需氧量光化学微生物传感器，其特征在于在检测池上设有温度控制器。
全文摘要
便携式生化需氧量光化学微生物传感器，涉及一种微生物传感器。提供一种可用于生化需氧量现场快速测定的便携式生化需氧量光化学微生物传感器。设有检测池、LED、BOD敏感膜、光电池、放大电路和A/D采集电路。BOD敏感膜和LED置于检测池内，LED的激发光直接照射在敏感膜上，检测池上设光窗，发射光透过光窗直接照射到光电池表面，光电池接放大电路输出端，放大电路输入端接A/D采集电路输出端。采用光电池，既经济又简化结构；功耗小，电源由计算机USB端口提供，不用额外电源；通过合适的软件可实现数据的采集、记录和积分等计算，无需外加如色谱工作站的数据采集处理设备；检测过程无需搅拌，更适于在线监测。
文档编号G01N21/64GK101046447SQ200710008658
公开日2007年10月3日 申请日期2007年3月2日 优先权日2007年3月2日
发明者陈曦, 王旭东, 辛玲玲, 胡浩 申请人:厦门大学