专利名称：一种水质安全在线预警系统中的生物行为传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种环境监测中应用的传感器，具体地说是涉及用于水质安全在线 预警系统的生物行为传感器。
背景技术：
对水环境质量实时监测，实现水质的早期安全预警，对于预防突发性化学品环境污 染，保证人类饮用水的安全具有非常重要的意义。发光菌在水质监测中发挥了光照强度 受环境内污染物影响的特点，通过光学传感器(Optical biosensor)监测发光菌的发光强 度变化，反应水质状况，但是，发光菌光强度受本身新陈代谢的影响，也不能实现水体 的在线监测，只能依靠间隔抽样监测，很难反应水质的本身的实时变化情况；在线摄像 技术(On-line image analysis)可以通过摄像记录受试生物的运动行为变化，并根据生 物的行为变化对水质进行在线评价。但这种技术存在的误差会因为水体的透明度、水流 速度、光照等因素的影响而加大，并且因为此技术只实现了对生物的二维监测，不能对 生物在立体空间内的行为变化进行综合评价、分析；多物种淡水生物监测系统 (MultispeciesFreshwaterBiomonitor，MFB)可以克服外界环境因子对受试生物的影响， 最大程度的实时监测环境内受试生物的行为学变化。但是，MFB不能结合合理的生物 运动行为变化规律对受试生物的行为学变化进行分析、评估。水质在线安全预警系统应 用生物在一定环境压力下表现出的运动规律变化以及本身具有的对环境压力的回避本 能，克服了以往水质在线生物监测技术的缺陷，通过对受试生物在立体空间内的行为变 化综合评价、分析，对水质的突发性变化实现预警。
在进行水质突发性污染预警过程中，鉴于受试生物运动行为的规律性以及其本身具 有的对外界环境压力的回避本能，需要有合适的生物行为传感器(Biological Behavior Biosensor,生物行为传感器)与其规律性的运动行为相适应。
发明内容
本实用新型的目的在于，克服现有的单一生物行为传感器不能在动态的水中使用，不能满足水质安全在线预警系统的需求的缺陷，从而提供一种用于水质安全在线预瞥系 统的生物行为传感器，该生物行为传感器监测受试生物的运动行为变化，结合生物运动 行为的规律性，以及其本身具有的对外界环境压力的回避本能，对受试生物的行为变化 进行分析、评价，并以此对水质进行在线评估。
本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的
本实用新型提供的一种用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器(参考图3)， 包括至少一个腔体，所述的腔体为一透明圆柱管，并在所述的腔体上安装至少一组电极; 其特征在于，所述的第一透明圆柱管l内壁上安装4组电极，每组电极由相对设置的两 对电极组成，所述的两对电极的结构一致，其中一对为信号发射电极7，另一对为信号 接收电极8;两对电极分别与水质在线安全预警系统连接，第一透明圆柱管l两端通过 与受试生物大小相适应的尼龙网封口固定，在第一透明圆柱管1壁上安装与外部水管相
接的水管接头9。
本实用新型提供的一种用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器(参考图1)，
包括至少一个腔体，所述的腔体为一透明圆柱管，并在所述的腔体上安装至少一组电极; 其特征在于，还包括两个圆盖5;所述的一组电极由相对设置的两对电极组成，其中一 对为信号发射电极7，另一对为信号接收电极8，所述的两对电极分别与水质在线安全 预警系统连接；所述的圆盖5中心插装一根水管接头9，其余地方挖空并用与受试生物 相适应的尼龙网12封住，在圆盖5内侧壁上带有内螺纹，通过内螺纹将圆盖5分别固
定在第一透明圆柱管1两端口上。
本实用新型提供的用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器(参考图2),包 括至少一个腔体，所述的腔体为一透明圆柱管，并在所述的腔体上安装至少一组电极； 其特征在于，还包括两个圆盖5、和一根联通管ll;所述的腔体为2个，即为第一透明 圆柱管1和第二透明圆柱管10，并在所述的2个腔体内壁上安装至少1组电极，每组
电极由相对设置的两对电极组成，所述的两对电极电极的结构一致，其中一对为信号发
射电极7，另一对为信号接收电极8，所述的两对电极分别与水质在线安全预瞀系统连 接；在所述的第一透明圆柱管1和所述的第二透明圆柱管IO之间通过所述的联通管11 相连通，且第一透明圆柱管1和第二透明圆柱管10彼此平行；所述的圆盖5中心插装 一根水管接头9,其余地方挖空并用与受试生物相适应的尼龙网12封住，在圆盖5内 侧壁上带有内螺纹，通过内螺纹将圆盖5分别固定在第一透明圆柱管1和第二透明圆柱 管10两端口上。
该生物行为传感器安装在水质安全预警系统中，除生物行为传感器两端的封口接头 以外，整个管体为密闭系统。
在上述的技术方案中，所述的水管接头9与外部水管连接，所述的外部水管的进水 管上安装有流量计；以便通过流量计控制进水和出水。
在上述的技术方案中，所述的第一透明圆柱管和第二透明圆柱管的管材，可以根据 被监测水体的性质进行选择，例如可以为玻璃材料、PVC材料或ABS材料等。
在上述的技术方案中，所述的电极为不锈钢材料制成，其大小根据受试生物个体大 小进行选择。
上述的三种生物行为传感器的发射信号电极通过与水质在线安全预警系统连接，在 生物行为传感器内形成一个正旋低压交流电场，当受试生物在传感器的运动导致低压电 场发生变化以后，接受信号电极能够感应电场的变化，然后通过接受信号电极接收传感 器内由发射信号电极形成的电信号变化，并经水质在线安全预警系统处理以后，对受试 生物的运动行为变化进行分析，并依据生物行为分析结果，对水质变化进行在线评估。
所述的三种生物行为传感器可以根据受试生物个体大小进行选择。保持生物行为传 感器内受试生物的数量为5 10只。
在每个生物行为传感器内装入的受试生物为出生后24 72小时(优选48小时)的 被监测水源原生种的水生生物幼体，在实验室内使用常规的标准水培养进化至少三代以 上，作为受试生物使用；或是出生后24 72小时(优选48小时)的被监测水源标准模 式生物的水生生物幼体，直接作为受试生物使用；
所述的被监测水源原生种包括水生无脊椎动物和脊椎动物，其中无脊椎动物主要选
择节肢动物，如虾、蚤类等，脊椎动物主要选择成体体长为4厘米左右的鱼类；
所述的被监测水源标准模式生物包括无脊椎动物的日本沼虾、大型蚤以及脊椎动物 的曰本青鏘、稀有齣鲫和斑马鱼
本实用新型提供的用于监测水生生物行为变化的生物行为传感器，是预选具有运动 行为多样性的水生生物为指示物种，通过一点或多点监测，受试生物在一种或几种水体 内不同位置的运动行为变化，经由水质在线安全预警系统分析、评估以后，形成对水质 状况的综合评价。
本实用新型提供的用于水质安全在线预警系统的生物行为传感器，该生物行为传感 器适于水质安全在线预警系统中，对动态的流水中进行测量，克服现有传感器只能静态 使用的缺陷。通过以多点监测获得的电信号方式显示受试生物的行为变化信号，并经过
对电信号的分析评估，实现了原位(Insitu)、在线(Online)和实时(Realtime)的在
线生物监测，并且可以对水体的未知污染物进行预警，对于研究环境污染，尤其是突发 性、剧烈的事故性变化具有非常重要的指示作用。此外，本实用新型进行水质预警的投 入很少，不需要专业人员进行操作，占用有限的人力、物力，水质预警期间的维护费用 极低。
图1是本实用新型一种的生物行为传感器实施例结构示意图； 图2是本实用新型的生物行为传感器另一实施例结构示意图； 图3是本实用新型的生物行为传感器又一实施例结构示意图； 图4a是通过实施例1的生物行为传感器监测日本鲭鏘(48小时左右开始监测)在
正常水体内的行为周期性(4天)变化一生物钟(Biological Clock)现象；图中横坐标
为暴露时间，纵坐标为日本鲭鏘的行为强度变化；
图4b是通过实施例1的生物行为传感器监测日本大型蚤(48小时左右开始监测)
在正常水体内的行为周期性(4天)变化一生物钟(Biological Clock)现象；图中横坐
标为暴露时间，纵坐标为日本鲭鏘的行为强度变化；
图5是生物行为的环境压力阈模型；图中横坐标为暴露时间，纵坐标为受试生物的
行为强度变化；
图6a是通过实施例2的生物行为传感器，以正常水体大型蚤行为变化为对照(a)， 实施例2的生物行为传感器中大型蚤(48小时左右开始监测)的运动行为变化图；图 中横坐标为暴露时间，纵坐标为大型蚤的行为强度变化；
图6b是通过实施例2的生物行为传感器，在1.25ppm的有机磷农药对硫磷胁迫下 (b)，实施例2的生物行为传感器中大型蚤(48小时左右开始监测)的运动行为变化 图；图中横坐标为暴露时间，纵坐标为大型蚤的行为强度变化；
图7a、图b、图c、图d是以正常水体大型蚤行为变化为对照，在L25ppm的有机 磷农药对硫磷胁迫下，实施例3生物行为传感器中大型蚤(48小时左右开始监测)的 运动行为变化图；图中横坐标为暴露时间，纵坐标为大型蚤的行为强度变化。
图面说明
1-第一透明圆柱管 2-第一组电极 3-第二组电极 4-第三组电极 5"第四组电极 6^不锈钢螺丝 7-信号发射电极 8-信号接收电
极
9-水管接头 10-第二透明圆柱管 11-连通管
12-尼龙网具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步详述说明本实用新型的生物行为传感器的结构，并利 用该结构对有机磷污染水源进行在线生物安全预警的过程，以及预警的效果进行详细说 明。
实施例1:
参考图l，制作一用于水质安全预警系统的生物行为传感器，该生物行为传感器由 有机玻璃制作的第一透明圆柱管l，该第一透明圆柱管l的内径为(p2CmX外径3Cm(对 大型蚤)，对日本鲭鏘进行监测时，第一透明圆柱管l的内径为cp4CmX外径5Cm。在 一透明圆柱管l内壁上安装由2对不锈钢片制作的电极，其电极的大小由受试体决定， 对大型蚤电极选择为1.2X3Cm的，对日本鲭鏘进行监测时，电极选择为2.4X5 Cm的， 其中一对为信号发射电极7，另一对为信号接收电极8，两对电极通过不锈钢螺丝6与 水质在线安全预警系统连接；第一透明圆柱管1两端固定一圆盖5，该圆盖5中心插装 一根水管接头9，其余地方挖空并用与受试生物相适应的尼龙网12封住，该尼龙网12 的网眼由受试生物大小决定。在圆盖5内侧壁上带有内螺纹，通过内螺纹将圆盖5分别 固定在第一透明圆柱管1和第二透明圆柱管IO两端的端口上。
利用本实施例制作的生物行为传感器，进行监测日本鲭鏘和大型蚤(48小时左右 开始监测)在正常水体内的行为周期性变化，具体监测试验如下
试验进行的温度控制在20士2'C，光照周期为16H: 8D。流水暴露试验维持4天。 在试验过程中，流水速率控制在1升/小时，食物通过流水系统投喂。利用生物行为传 感器一l监测日本鲭鏘和大型蚤(48小时左右开始监测)在正常水体内的行为周期性变 化图如图4所示。在4天流水试验过程中，日本鲭鏘的行为学变化表现出明显的昼夜变 化。在光照条件下，不同频率的运动行为变化基本处于从上到下的过程(低频的行为， 强度高)，而在黑暗条件下，不同频率的行为变化出现明显的不同有些频率的行为突 然增大(1.5Hz和2,0Hz)，有些频率的行为降低(0.5Hz和1.0Hz)。日本鲭鏘的这种变 化表现出明显的昼夜交替现象，为日本鲭鏘的行为变化生物钟(Biological Clock)现象。 大型蚤在4天流水试验过程中，不同频率的行为在昼夜交替过程也出现明显的变化，在
光照条件下，不同频率的运动行为变化基本处于从上到下的过程(低频的行为，强度高)， 而在黑暗条件下，不同频率的行为变化出现明显的不同，表现出行为变化生物钟(Biological Clock)现象。
通过该生物行为传感器连接水质在线安全预警系统对受试生物的运动行为变化，可 以针对生物的一般运动行为变化规律对生物的行为状况进行分析、评价。这其中主要包 括生物行为的周期性变化一生物钟(Biological Clock)现象(图4)，生物行为的环境压 力阈模型(Stepwise Stress Model, SSM)(图5)等行为变化规律。
通过生物行为传感器一2和生物行为传感器一3与水质在线安全预警系统连接，对 受试生物的运动行为变化进行在线监测，主要针对生物的回避行为(Avoidance Behavior)规律进行的。受试生物的回避行为是指水生生物，特别是游泳能力强的水生 生物，能够通过感觉器官的感知，主动避开受污染的水域，游向未受污染的清洁水区的 行为。
实施例2:
参考图2，制作一用于水质安全预警系统的生物行为传感器，该生物行为传感器由 玻璃制作的第一透明圆柱管l，和第二透明圆柱管IO，两个管子可以一样大，也可以不 一样大；并且第一透明圆柱管1和第二透明圆柱管10彼此平行设置， 一根玻璃的连通 管11的两端分别密封固定在它们之间的管壁上，将第一透明圆柱管1和第二透明圆柱 管IO连通；在第一透明圆柱管1和第二透明圆柱管10内壁上分别安装一组电极，相对 设置的两对电极组成。两对电极通过不锈钢螺丝6与水质在线安全预警系统连接，其中 一对为信号发射电极7，另一对为信号接收电极8;第一透明圆柱管1和第二透明圆柱 管10的两端通过一圆盖5，与受试生物相适应的尼龙网12，该圆盖中心插装一根水管 接头9，其余地方挖空并用与受试生物相适应的尼龙网12封住，在圆盖5内侧壁上带 有内螺纹，通过内螺纹将圆盖分别固定在第一透明圆柱管1和第二透明圆柱管2两端的 端口上。水管接头9与外部水管相接，外部水管的进水管上安装有流量计；以便通过流 量计控制进水和出水。该生物行为传感器安装在水质安全预警系统中，除生物行为传感 器两端的封口接头以外，整个管体为密闭系统。
本实施例的生物行为传感器监测受试生物回避行为是基于传统的"U型"回避行为 试验装置设计的。通过该生物行为传感器监测生物回避行为是基于对污染有或无的判 断，在对水质突发性污染进行安全预警非常有效。在两组类似于生物行为传感器一l的 平行传感器内，受试生物受污染水体的影响，会通过中间的连接管主动避开受污染的水 域，游向未受污染的清洁水区(图6)。
通过该生物行为传感器与水质在线安全预警系统连接，对受试生物的运动行为变化 进行在线监测，可以针对生物的一般运动行为变化规律对生物的行为状况进行分析、评 价。这其中主要包括生物行为的周期性变化一生物钟(Biological Clock)现象，生物行 为的环境压力阈模型(Stepwise Stress Model, SSM)等行为变化规律以及生物的回避行 为(Avoidance Behavior)规律。受试生物的回避行为是指水生生物，特别是游泳能力 强的水生生物，能够通过感觉器官的感知，主动避开受污染的水域，游向未受污染的清 洁水区的行为。
实施例3:
参考图3，制作一用于水质安全预警系统的生物行为传感器，该生物行为传感器的 第一透明圆柱管l由工程塑料作成。在第一透明圆柱管l内壁上安装第一組电极2、第 二组电极3、第三组电极4和第四组电极(第四组电极在图中分别标出组成第四组电极 的两对电极， 一对为信号发射电极7，另一对为信号接收电极8)，每组电极由相对设置 的两对电极组成，每组两对电极的结构一致，两对电极通过不锈钢螺丝6与水质在线安 全预警系统连接，其中一对为信号发射电极7，另一对为信号接收电极8;第一透明圆 柱管1两端通过与受试生物大小相适应的尼龙网封口固定；在第一透明圆柱管1壁上安
装与外部水管相接的水管接头9;保持除生物行为传感器两端的封口接头以外管体为密 闭系统；水管接头9与外部水管相接，外部水管的进水管上安装有流量计；以便通过流
量计控制进水和出水。该生物行为传感器安装在水质安全预警系统中，除生物行为传感 器两端的封口接头以外，整个管体为密闭系统。
权利要求1.一种水质安全在线预警系统中的生物行为传感器，包括至少一个腔体，所述的腔体为一透明圆柱管，并在所述的腔体上安装至少一组电极；其特征在于，所述的第一透明圆柱管(1)，和在第一透明圆柱管(1)内壁上安装4组电极，每组电极由相对设置的两对电极组成；所述的两对电极的结构一致，其中一对为信号发射电极(7)，另一对为信号接收电极(8)，所述的两对电极分别与水质在线安全预警系统连接；所述的第一透明圆柱管(1)两端通过与受试生物大小相适应的尼龙网(12)封口固定，在第一透明圆柱管(1)壁上安装与外部水管相接的水管接头(9)。
2. 按权利要求l所述的水质安全在线预警系统中的生物行为传感器，其特征在于，所 述的水管接头(9)与外部水管连接，所述的外部水管的进水管上安装有流量计。
3. 按权利要求l所述的水质安全在线预警系统中的生物行为传感器，其特征在于，所 述的第一透明圆柱管(1)的管材为玻璃、PVC材料或工程塑料。
4. 按权利要求l所述的水质安全在线预警系统中的生物行为传感器，其特征在于，所 述的电极为不锈钢材料制成，其大小根据受试生物个体大小进行选择。
5. —种水质安全在线预警系统中的生物行为传感器，包括至少一个腔体，所述的腔体 为一透明圆柱管，并在所述的腔体上安装至少一组电极；其特征在于，还包括两个圆盖(5); 所述的一组电极由相对设置的两对电极组成，所述的两对电极的结构一致，其中一对为信 号发射电极(7)，另一对为信号接收电极(8)，所述的两对电极分别与水质在线安全预警 系统连接；每个所述的圆盖(5)中心插装一根水管接头(9)，其余地方挖空并用与受试生 物相适应的尼龙网(12)封住，在圆盖(5)内侧壁上带有内螺纹，通过内螺纹将圆盖(5) 分别固定在第一透明圆柱管(1)两端口上。
6. 按权利要求5所述的水质安全在线预警系统中的生物行为传感器，其特征在于，所 述的水管接头(9)与外部水管连接，所述的外部水管的进水管上安装有流量计。
7. 按权利要求5所述的水质安全在线预警系统中的生物行为传感器，其特征在于，所 述的第一透明圆柱管(1)的管材为玻璃、PVC材料或工程塑料。
8. 按权利要求5所述的水质安全在线预警系统中的生物行为传感器，其特征在于，所 述的电极为不锈钢材料制成，其大小根据受试生物个体大小进行选择。
9. 一种水质安全在线预警系统中的生物行为传感器，包括至少一个腔体，所述的腔体 为一透明圆柱管，并在所述的腔体上安装至少一组电极；其特征在于，还包括两个圆盖(5) 和一根联通管(11);所述的腔体为2个，并在所述的2个腔体内壁上安装至少4组电极， 每组电极由相对设置的两对电极组成，所述的两对电极电极的结构一致，其中一对为信号 发射电极(7)，另一对为信号接收电极(8)，所述的两对电极分别与水质在线安全预警系 统连接；在所述的第一透明圆柱管(1)和所述的第二透明圆柱管(10)之间通过所述的联通管(11)相连通，且第一透明圆柱管(1)和第二透明圆柱管(10)彼此平行；所述的圆盖(5)中心插装一根水管接头(9)，其余地方挖空并用与受试生物相适应的尼龙网(12) 封住，在圆盖(5)内侧壁上带有内螺纹，通过内螺纹将圆盖(5)分别固定在第一透明圆 柱管(1)和第二透明圆柱管(10)两端口上。
10. 按权利要求9所述的水质安全在线预警系统中的生物行为传感器，其特征在于， 所述的水管接头(9)与外部水管连接，所述的外部水管的进水管上安装有流量计。
11. 按权利要求9所述的水质安全在线预警系统中的生物行为传感器，其特征在于， 所述的第一透明圆柱管(1)和第二透明圆柱管(10)的管材为玻璃、PVC材料或工程塑料。
12. 按权利要求9所述的水质安全在线预警系统中的生物行为传感器，其特征在于， 所述的电极为不锈钢材料制成，其大小根据受试生物个体大小进行选择。
专利摘要本实用新型涉及水质安全在线预警系统中的生物行为传感器，包括至少一个腔体和在其内壁上安装至少1组电极，每组电极由相对设置的两对电极组成，其中一对为信号发射电极，另一对为信号接收电极；两对电极分别与水质在线安全预警系统连接，第一透明圆柱管两端通过尼龙网封口固定，在第一透明圆柱管壁上安装与外部水管相接的水管接头。该生物行为传感器使用时，在传感器内形成正旋低压交流电场，当受试生物在传感器的运动导致低压电场发生变化以后，接受信号电极能够感应电场的变化，接收传感器内由发射信号电极形成的电信号变化，并经水质在线安全预警系统处理以后，对受试生物的运动行为变化进行分析，对水质变化进行在线评估。
文档编号G01N33/18GK201060188SQ20072010425
公开日2008年5月14日 申请日期2007年4月13日 优先权日2007年4月13日
发明者任宗明, 王子健 申请人:中国科学院生态环境研究中心