專利名稱：用微生物燃料電池檢測(cè)水中有毒物質(zhì)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用一種生物方式來檢測(cè)有毒物質(zhì)的方法及其裝置。具體而言，本發(fā)明涉及用微生物燃料電池對(duì)有毒物質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)的方法及其自動(dòng)警報(bào)裝置。
背景技術(shù)：
迄今為止，許多研究者已經(jīng)開發(fā)出早期的用于有毒物質(zhì)進(jìn)入水中的檢測(cè)和警報(bào)裝置。在這些傳統(tǒng)的用于測(cè)定水中有毒物質(zhì)的裝置中，有化學(xué)和生物的檢測(cè)裝置。對(duì)于化學(xué)檢測(cè)裝置來說，由于其對(duì)水中存在的許多物質(zhì)中的少數(shù)物質(zhì)可以量化地測(cè)定，因此其應(yīng)用范圍受到限制。它的缺點(diǎn)還在于需要昂貴的設(shè)備和高度熟練的工程師以進(jìn)行檢測(cè)。為了彌補(bǔ)這一缺陷，人們開發(fā)了各種用于檢測(cè)水中有毒物質(zhì)的生物裝置。
具有代表性的傳統(tǒng)的用于水中有毒物質(zhì)的生物檢測(cè)裝置包括一些監(jiān)控方法，這些監(jiān)控方法中采用了魚、水瘙和熒光微生物。用魚來進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)控的裝置利用了魚逆水游動(dòng)的性質(zhì)，即它把逆流現(xiàn)象用于檢測(cè)。安裝一個(gè)防漏網(wǎng)后，當(dāng)有毒物質(zhì)從入水口進(jìn)入時(shí)，魚受到影響，其游動(dòng)就會(huì)減慢。由于水流的緣故魚被推回，出于本能魚猛烈地?cái)[動(dòng)尾鰭以向前游動(dòng)，在這個(gè)過程中尾鰭就會(huì)觸動(dòng)感應(yīng)器。這個(gè)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成電子信號(hào)并記錄下來。用水質(zhì)監(jiān)控裝置來檢測(cè)電子信號(hào)的值，并用于給出警報(bào)或由連接的控制器來控制水的流速。這一信息通過顯示器或鍵盤輸出/輸入。用于此目的的魚通常屬于鯉科魚的一種金魚。用魚來檢測(cè)有毒物質(zhì)的不足在于檢測(cè)毒性的物體太大，當(dāng)8ppm的苯酚流入水中時(shí)它需要8小時(shí)來測(cè)定毒性。利用魚來進(jìn)行生物毒性警報(bào)系統(tǒng)的方法靈敏度低，而且檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、誤差范圍大。魚的選擇和生長(zhǎng)環(huán)境降低了警報(bào)系統(tǒng)的可重復(fù)性和同一性。用水瘙來檢測(cè)有毒物質(zhì)的裝置應(yīng)用紅外感應(yīng)器來感應(yīng)水瘙在水中的活動(dòng)。它以水瘙的游動(dòng)為基礎(chǔ)，把20只水瘙放入玻璃或丙烯酸樹脂試驗(yàn)皿中，被檢測(cè)的水引入到該試驗(yàn)皿中并從該試驗(yàn)皿排放。當(dāng)注入水時(shí)，水瘙會(huì)有反應(yīng)。當(dāng)水中沒有有毒物質(zhì)時(shí)，它們表現(xiàn)正常的活動(dòng)；當(dāng)水中含有有毒物質(zhì)時(shí)，它們的運(yùn)動(dòng)就變的沒有規(guī)律而且激烈起來。它們表現(xiàn)的活動(dòng)越激烈則它們觸動(dòng)紅外感應(yīng)器就越頻繁，使電子信號(hào)的值增加。溫度感應(yīng)器一直測(cè)定溫度，電子控制器控制紅外感應(yīng)器并通過一個(gè)輸出裝置顯示電子信號(hào)的值。檢測(cè)水由水出口流出。早期的用水瘙的警報(bào)裝置比用魚的靈敏度高，這是由于使用的物體較小，但是裝置的維護(hù)比較困難。當(dāng)換水瘙時(shí)，用來進(jìn)水或出水的試驗(yàn)皿和各種試管都要清洗或更換。由于生長(zhǎng)用水需要一周換2到3次，因此對(duì)水瘙的生長(zhǎng)需要特別小心和留意，需要仔細(xì)地將懷孕的和母體水瘙分離出來。必須在一個(gè)特殊的生長(zhǎng)室中培養(yǎng)水瘙，該生長(zhǎng)室的內(nèi)部需要消毒，要除去各種有礙生長(zhǎng)的設(shè)備。在生長(zhǎng)室中必須提供新鮮空氣。
用于自動(dòng)檢測(cè)水的毒性的裝置利用固定的熒光微生物來測(cè)定與毒性成對(duì)照的熒光性。它需要各種光檢測(cè)裝置，這使得它昂貴而且需要人員和專家來維護(hù)。
這些傳統(tǒng)的用于水毒性的自動(dòng)檢測(cè)裝置的問題最終來源于感應(yīng)器部分，本發(fā)明正是基于這一事實(shí)而提出的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決傳統(tǒng)的用于水的毒性檢測(cè)的自動(dòng)檢測(cè)裝置中存在的技術(shù)問題，并提供低價(jià)、易維護(hù)的、快速準(zhǔn)確的毒性測(cè)定方法。
本發(fā)明的目的由一種方法而實(shí)現(xiàn)，所述方法用電化學(xué)活性微生物來檢測(cè)樣品中的有毒物質(zhì)。
具體而言，本發(fā)明的目的由一種用于測(cè)定水中有毒物質(zhì)的方法而實(shí)現(xiàn)，其特征在于該方法包括下述步驟測(cè)定由微生物燃料電池產(chǎn)生的電化學(xué)信號(hào)；把樣品加入到上述的微生物燃料電池中；以及測(cè)定由上述微生物燃料電池產(chǎn)生的電化學(xué)信號(hào)的變化程度。另外，用于檢測(cè)水中有毒物質(zhì)的方法進(jìn)一步包括下述步驟在把樣品加入上述的微生物燃料電池中之前將樣品中的懸浮物和不需要的物質(zhì)篩選出來。
用于檢測(cè)上述有毒物質(zhì)的裝置包括樣品供料泵；用于處理樣品的預(yù)處理罐；微生物燃料電池，其感應(yīng)由于引入有毒物質(zhì)而引起的電流變化；以及計(jì)算機(jī)和控制部分，其控制信號(hào)值并自動(dòng)測(cè)定毒性。
下面結(jié)合附圖來描述本發(fā)明。本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書來限定，而不受這些附圖的局限，其中

圖1是用于有毒物質(zhì)的自動(dòng)測(cè)定裝置的一個(gè)圖解說明，所述裝置包括樣品供料泵(1)；用于處理樣品的預(yù)處理罐(2)；微生物燃料電池(6)，其感應(yīng)由于引入有毒物質(zhì)而引起的電流變化；以及計(jì)算機(jī)和控制部分(11)，其控制信號(hào)值并自動(dòng)測(cè)定毒性。另外，所述裝置還包括一個(gè)電磁閥(5)，當(dāng)感應(yīng)到有毒物質(zhì)的進(jìn)入時(shí)該電磁閥可以改變樣品的流量；以及樣品收集器(4)，該樣品收集器在信號(hào)識(shí)別點(diǎn)收集并儲(chǔ)存樣品。
以下對(duì)具有上述結(jié)構(gòu)的用微生物燃料電池來測(cè)定有毒物質(zhì)的裝置的工作原理進(jìn)行說明。樣品通過第一和第二預(yù)處理罐(2，3)后進(jìn)入陽(yáng)極部分。陽(yáng)極部分由碳棒和鉑(Pt)絲組成，而其內(nèi)部通常填充有能利用有機(jī)原料產(chǎn)生電化學(xué)能的微生物催化劑。陰極部分由普通水填充。也就是說，含有有機(jī)物質(zhì)的樣品進(jìn)入陽(yáng)極，空氣飽和水進(jìn)入陰極。此時(shí)，燃料電池陽(yáng)極部分的微生物分解有機(jī)物質(zhì)，產(chǎn)生電流。電流順著鉑絲流動(dòng)并由電壓表測(cè)量。一般情況下，電流不表現(xiàn)任何變化，然而，一旦有毒物質(zhì)進(jìn)入陽(yáng)極，電化學(xué)活性微生物的代謝就會(huì)減慢，導(dǎo)致電壓的驟減。計(jì)算機(jī)和控制部分處理這樣的電流驟減而使警報(bào)在音頻或視頻顯示器上激活。
附圖簡(jiǎn)要說明通過下面的詳細(xì)說明并結(jié)合附圖，可以更清楚地理解本發(fā)明的上面的及其他的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。
圖1是用于探測(cè)有毒物質(zhì)的裝置的示意圖。
圖2是表示第1實(shí)施例的結(jié)果的曲線圖。
圖3是表示第2實(shí)施例的結(jié)果的曲線圖。
圖4是表示第4實(shí)施例的結(jié)果的曲線圖。
圖5是表示第5實(shí)施例的結(jié)果的曲線圖。
**圖中所列零部件的名稱**(1)樣品進(jìn)料泵(2)第一樣品預(yù)處理罐(3)第二樣品預(yù)處理罐 (4)樣品收集器(5)電磁閥(6)微生物燃料電池(7)樣品出口 (8)自來水箱(9)自來水出口(10)電壓表(11)計(jì)算機(jī)，控制部分具體實(shí)施方案第1優(yōu)選實(shí)施例將活性污泥加入陽(yáng)極部分以使得污泥中的活性菌附著到電極上并得到密集的培養(yǎng)。陰極部分中加入空氣飽和水來保持一個(gè)確定的電勢(shì)差，從而在微生物燃料電池中發(fā)生有效的生物電化學(xué)反應(yīng)。在微生物燃料電池中加入葡萄糖和谷氨酸(CODcr 200ppm，這表示由于重鉻酸鉀引起的化學(xué)需氧量)作為燃料，每隔60秒鐘用電壓表(2000萬(wàn)用表，美國(guó)Keithley儀器公司)測(cè)定產(chǎn)生的電流，同時(shí)向所使用的燃料電池中相繼加入濃度分別為0.01ppm，0.02ppm，0.03ppm，0.04ppm，0.05ppm的Cr6+標(biāo)準(zhǔn)溶液。結(jié)果表明電流值一般情況下為恒定值，在Cr6+為0.04ppm時(shí)電流值驟減。(圖2)第2優(yōu)選實(shí)施例在第2實(shí)施例中使用與第1實(shí)施例相同的燃料電池和燃料。加入燃料后，每隔60秒鐘用電壓表(2000萬(wàn)用表，美國(guó)Keithley儀器公司)測(cè)定產(chǎn)生的電流，同時(shí)向所使用的燃料電池中相繼加入濃度分別為0.01ppm，0.02ppm，0.03ppm，0.04ppm，0.05ppm的汞(Hg)標(biāo)準(zhǔn)溶液。如第1實(shí)施例一樣，結(jié)果表明電流值一般情況下為恒定值，在Hg為0.03ppm時(shí)電流值驟減。(圖3)第3優(yōu)選實(shí)施例在第3實(shí)施例中使用與第1實(shí)施例相同的燃料電池和燃料。加入燃料后，每隔60秒鐘用電壓表(2000萬(wàn)用表，美國(guó)Keithley儀器公司)測(cè)定產(chǎn)生的電流，同時(shí)向所使用的燃料電池中相繼加入濃度分別為0.01ppm，0.02ppm，0.03ppm，0.04ppm，0.05ppm的鉛(Pb)標(biāo)準(zhǔn)溶液。如第1實(shí)施例一樣，結(jié)果表明電流值一般情況下為恒定值，在Pb為0.04ppm時(shí)電流值驟減。(圖4)第4優(yōu)選實(shí)施例在第4實(shí)施例中使用與第1實(shí)施例相同的燃料電池和燃料。加入燃料后，每隔60秒鐘用電壓表(2000萬(wàn)用表，美國(guó)Keithley儀器公司)測(cè)定產(chǎn)生的電流，同時(shí)向所使用的燃料電池中相繼加入濃度分別為0.01ppm，0.02ppm，0.03ppm，0.04ppm，0.05ppm的苯酚標(biāo)準(zhǔn)溶液。如第1實(shí)施例一樣，結(jié)果表明電流值一般情況下為恒定值，在苯酚為0.04ppm時(shí)電流值驟減。(圖5)
工業(yè)實(shí)用性因此依據(jù)本發(fā)明，當(dāng)有毒物質(zhì)加入待測(cè)樣品中時(shí)，微生物燃料電池中的電化學(xué)活性菌產(chǎn)生的電流會(huì)有一個(gè)驟減，使得對(duì)有毒物質(zhì)檢測(cè)的靈敏度最大化。在檢測(cè)有毒物質(zhì)時(shí)，與傳統(tǒng)的警報(bào)裝置相比，微生物燃料電池的運(yùn)用使感應(yīng)器部分的管理和維護(hù)費(fèi)用和人員最少化，同時(shí)顯著增強(qiáng)可重復(fù)性及準(zhǔn)確度。一旦檢測(cè)裝置感應(yīng)到有毒物質(zhì)的進(jìn)入信號(hào)，即從現(xiàn)場(chǎng)采取含有有毒物質(zhì)的樣品并置于密封的器皿中。隨后定量和定性分析樣品來追溯有毒物質(zhì)進(jìn)入的原因并為預(yù)測(cè)由此導(dǎo)致的損害提供數(shù)據(jù)。
本發(fā)明通過在早期階段檢測(cè)有毒物質(zhì)的流入而使損失最小化。這些優(yōu)異的檢測(cè)有毒物質(zhì)的裝置的開發(fā)有助于國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因?yàn)橄嚓P(guān)裝置一旦實(shí)現(xiàn)本地生產(chǎn)則能出口創(chuàng)匯或取代進(jìn)口。
依據(jù)本發(fā)明，利用微生物燃料電池的有毒物質(zhì)檢測(cè)裝置可以控制污水的生物毒性的程度，也可用于快速檢測(cè)飲用水源的污染。當(dāng)在水源的保護(hù)區(qū)域安裝此裝置時(shí)，可以有效地預(yù)防工廠和企事業(yè)單位非法排放污染物。
權(quán)利要求
1.使用電化學(xué)活性微生物來檢測(cè)水中有毒物質(zhì)的方法。
2.檢測(cè)水中有毒物質(zhì)的方法，包括如下步驟a.測(cè)定由微生物燃料電池產(chǎn)生的電化學(xué)信號(hào)；b.把樣品加入到上述的微生物燃料電池中；c.測(cè)定由上述微生物燃料電池產(chǎn)生的電化學(xué)信號(hào)的變化程度。
3.如權(quán)利要求2所述的檢測(cè)水中有毒物質(zhì)的方法，進(jìn)一步包括如下步驟在把樣品加入上述微生物燃料電池之前將樣品中的懸浮物和不需要的物質(zhì)篩選出來。
4.用于檢測(cè)水中有毒物質(zhì)的裝置，其包括a.樣品供料泵(1)；b.用于處理樣品的第一預(yù)處理罐(2)；c.微生物燃料電池(6)，其感應(yīng)由于引入有毒物質(zhì)而引起的電流變化；d.計(jì)算機(jī)和控制部分(11)，其控制信號(hào)值并自動(dòng)測(cè)定毒性。
5.如權(quán)利要求4所述的檢測(cè)水中有毒物質(zhì)的裝置，進(jìn)一步包括一個(gè)電磁閥(5)，當(dāng)感應(yīng)到有毒物質(zhì)的進(jìn)入時(shí)該電磁閥可以改變樣品的流量；以及樣品收集器(4)，當(dāng)感應(yīng)到有有毒物質(zhì)進(jìn)入時(shí)，該樣品收集器吸收并儲(chǔ)存樣品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于使用電化學(xué)活性微生物檢測(cè)水中有毒物質(zhì)的方法和裝置。具體而言，本發(fā)明提供了一種用于檢測(cè)水中有毒物質(zhì)的方法，包括如下步驟測(cè)定由微生物燃料電池產(chǎn)生的電信號(hào)；把樣品加入到上述的燃料電池中；測(cè)定由上述微生物燃料電池產(chǎn)生的電化學(xué)信號(hào)的變化程度。因此依據(jù)本發(fā)明，當(dāng)待測(cè)樣品中有有毒物質(zhì)存在時(shí)，由微生物燃料電池中的電活性菌產(chǎn)生的電流會(huì)顯著減少，而使有毒物質(zhì)測(cè)定的靈敏度最大化。微生物燃料電池的應(yīng)用使管理和維護(hù)監(jiān)測(cè)器部分的花費(fèi)和人員最小化。
文檔編號(hào)C12M1/34GK1646696SQ03807769
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2003年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月27日
發(fā)明者金亨周, 崔大元, 玄文湜, 南盛鉉 申請(qǐng)人:韓國(guó)生物工程系統(tǒng)公司