基于無(wú)線傳輸?shù)乃|(zhì)監(jiān)測(cè)生物傳感器設(shè)計(jì)研究

顧萬(wàn)通 龔雪 楊世君 王繼華

哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150025

一、前言

環(huán)境問(wèn)題日益受到人們的重視，作為與人類(lèi)生存息息相關(guān)的水體環(huán)境更是人們關(guān)注的重點(diǎn)。近年來(lái)，為了提高水體環(huán)境污染的控制水平，我國(guó)加強(qiáng)了對(duì)水體環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，在一些主要的江河與湖泊建立了相關(guān)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)站等。但這些水質(zhì)監(jiān)測(cè)站普遍采用的是對(duì)水體進(jìn)行人工的化學(xué)檢測(cè)，這種方法不但繁瑣，而且不能對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的快速分析[1]。為了及時(shí)獲得準(zhǔn)確、穩(wěn)定的水體動(dòng)態(tài)變化信息，必須加強(qiáng)對(duì)水體環(huán)境的管理和監(jiān)測(cè)力度，對(duì)水體環(huán)境實(shí)現(xiàn)快速、在線監(jiān)測(cè)。生物傳感器應(yīng)時(shí)代需求而出現(xiàn)，滿(mǎn)足了這些需求。

生化需氧量（BOD）是環(huán)境監(jiān)測(cè)中一項(xiàng)重要指標(biāo)[2]。它是衡量水中有機(jī)污染物含量的綜合指標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用BOD5標(biāo)準(zhǔn)稀釋測(cè)定法，把水樣充滿(mǎn)在封閉的溶解氧瓶中，避光并在20℃的環(huán)境下培養(yǎng)5天，計(jì)算培養(yǎng)前后溶解氧的質(zhì)量濃度之差，從而得知每升樣品所消耗的溶解氧量，即BOD5[3]。該方法操作繁瑣，所需時(shí)間長(zhǎng)，干擾因素多，對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高且不能及時(shí)反映水質(zhì)狀況[4-5]。由于BOD生物傳感器具有操作簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)而成為研究熱點(diǎn)[6]。

本文設(shè)計(jì)的集成型水質(zhì)監(jiān)測(cè)生物傳感器以監(jiān)測(cè)水質(zhì)生化需氧量為監(jiān)測(cè)主體，集成溫度、酸堿度及溶解氧共計(jì)四項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，達(dá)到基本水質(zhì)監(jiān)測(cè)要求。后端數(shù)據(jù)傳輸配有無(wú)線通訊模塊，可實(shí)現(xiàn)通訊組網(wǎng)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，真正意義上的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。

二、多參數(shù)集成型水質(zhì)監(jiān)測(cè)生物傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)生物傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由恒溫箱、換能器（BOD探頭、pH探頭、T探頭、DO探頭）、反應(yīng)池、曝氣裝置、信號(hào)采集處理單元及無(wú)線傳輸模塊等組成。

溫度對(duì)微生物的活性具有較大影響，BOD探頭及反應(yīng)槽置于恒溫箱中以保證在測(cè)量過(guò)程中微生物敏感元件、待測(cè)液及緩沖液都處于恒定溫度條件下。進(jìn)樣主要由蠕動(dòng)泵完成，測(cè)量過(guò)程包括：清洗液、標(biāo)定液、緩沖液及待測(cè)液的進(jìn)樣工作。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行清洗、標(biāo)定工作后，蠕動(dòng)泵2運(yùn)行，將緩沖液注入反應(yīng)槽中，曝氣裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)在一定溫度下反應(yīng)槽中處于氧飽和狀態(tài)。信號(hào)采集處理器數(shù)值穩(wěn)定后，蠕動(dòng)泵1運(yùn)行，將待測(cè)液注入反應(yīng)槽中，經(jīng)與微生物敏感元件充分反應(yīng)后，信號(hào)采集處理單元得到BOD的快速測(cè)量值。BOD探頭、pH探頭、T探頭及DO探頭采集數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)處理單元后將數(shù)據(jù)信息傳至無(wú)線傳輸模塊，無(wú)線傳輸模塊最終將數(shù)據(jù)傳送至應(yīng)用終端。

1、BOD生物傳感器

（1）響應(yīng)原理

BOD微生物傳感器將固定化的微生物作為生物敏感元件，通過(guò)微生物在利用有機(jī)物時(shí)所消耗溶解氧的變化量來(lái)間接測(cè)定水體中有機(jī)物的濃度[7]。當(dāng)BOD生物傳感器的固定化微生物敏感元件處于氧飽和狀態(tài)的緩沖液中時(shí)，微生物的呼吸方式是內(nèi)源式呼吸，此時(shí)呼吸速率恒定。當(dāng)溶解氧散入氧電極時(shí)會(huì)逐步使輸出電流達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)加入待測(cè)樣品后，待測(cè)樣品中可被生化降解的物質(zhì)被微生物所利用，此時(shí)微生物的呼吸方式轉(zhuǎn)換為外源呼吸[8]，消耗了溶液中大量的溶解氧，使到達(dá)氧電極表面的溶解氧含量降低，從而導(dǎo)致輸出電流降低，該電流會(huì)在幾分鐘內(nèi)再次達(dá)到恒定。前后測(cè)量所得恒定電流的差值在一定范圍內(nèi)與被測(cè)樣品濃度呈線性相關(guān)，借此可以間接測(cè)定BOD[9]。

（2）微生物敏感元件

微生物敏感元件作為BOD生物傳感器的核心組件部分[10]，選用菌種種類(lèi)、數(shù)量、固定化方式均會(huì)對(duì)傳感器性能產(chǎn)生直接影響。該研究將取自城市河道底泥的桿菌作為微生物菌種材料，經(jīng)分離、純化、定向馴化后得到了一株活化時(shí)間短、對(duì)有機(jī)物具有廣譜降解作用的菌株，利用聚乙烯醇、海藻酸鈉、二氧化硅及氯化鈣對(duì)其進(jìn)行包埋處理后制備出微生物固定化小球[11]，作為BOD生物傳感器的生物敏感元件。

2、其它換能器

（1）溫度探頭

溫度探頭采用熱電阻式溫度探頭。金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體自身的電阻值會(huì)隨其溫度變化而產(chǎn)生相應(yīng)改變，熱電阻溫度探頭正是利用該特性來(lái)測(cè)量溫度。將細(xì)金屬絲均勻的纏繞在絕緣材料上形成熱電阻的感溫元件，或通過(guò)激光濺射工藝在基片上形成。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)有溫度梯度時(shí)，所測(cè)溫度則是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層的平均溫度，其特點(diǎn)是精度高且穩(wěn)定性好。

（2）酸堿度探頭

酸堿度探頭用來(lái)檢測(cè)液體中氫離子的濃度。感受電極采用球形的玻璃薄膜制成，該玻璃薄膜電極可對(duì)氫離子活度產(chǎn)生電勢(shì)響應(yīng)。玻璃薄膜電極與參比電極在溶液中組成了“化學(xué)電池”，通過(guò)電動(dòng)勢(shì)的變化來(lái)確定溶液的pH值[12]。

（3）溶解氧探頭

溶解氧探頭采用極譜式隔膜電極。具有選擇功能的薄膜圍成一個(gè)內(nèi)部充滿(mǎn)電解液的密閉空間，里面含有金質(zhì)的陰極和銀質(zhì)的陽(yáng)極，在兩電極中間充斥著氯化鉀電解液[13]。測(cè)量時(shí)電極間有一定的電壓，進(jìn)入選擇性薄膜所圍成空間的氧氣在陰極上被電離，從而形成電流，根據(jù)法拉第定律：在溫度不變的情況下，流過(guò)電極的電流和氧分壓成正比，也就是說(shuō)電流和氧濃度之間應(yīng)呈現(xiàn)線性關(guān)系。氧透過(guò)隔膜被工作電極還原，產(chǎn)生與氧濃度成正比的擴(kuò)散電流，因此水中溶解氧的濃度可以通過(guò)測(cè)量電流的數(shù)值所得到[14]。

3、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊

（1）無(wú)線傳輸接口

設(shè)計(jì)的BOD生物傳感器除了感知功能外還具有通信功能，還可以將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)和PC等各類(lèi)應(yīng)用終端。

通信模塊采用DTU-H7710，如圖2所示，采用USB2.0接口，總線速度可以達(dá)到480Mbps，在原來(lái)兩級(jí)（軟件保護(hù)+CPU內(nèi)置看門(mén)狗保護(hù)，外置硬件看門(mén)狗保護(hù)）系統(tǒng)保護(hù)的基礎(chǔ)上，增加一級(jí)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)保護(hù)SWP（System Watch Protect），保障傳輸效率。同時(shí)，DTU-H7710可以提供16Mbps的客戶(hù)傳輸數(shù)據(jù)緩存，解決因網(wǎng)絡(luò)瓶頸導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失或重傳，極大提高傳輸效率，節(jié)省開(kāi)支。

該無(wú)線傳輸模塊可以支持多種傳輸模式， GPRS模塊、CDMA模塊可以將數(shù)據(jù)接入電信、聯(lián)通、移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)，最終接入手機(jī)終端；為了可以適應(yīng)更多的室外環(huán)境，該數(shù)據(jù)傳輸模塊還實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙和ZigBee傳輸協(xié)議[15]，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差且沒(méi)有WiFi網(wǎng)絡(luò)的條件下，可以通過(guò)多跳自組織的方式將數(shù)據(jù)傳輸給藍(lán)牙或者ZigBee數(shù)據(jù)終端。

（2）數(shù)據(jù)安全

除了上述的傳輸功能，該數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊還提供了基于WPA[16]（WiFi Protected Access）的安全機(jī)制，從而保障數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的保密性。它使用TKIP（臨時(shí)密鑰完整性協(xié)議），內(nèi)部采用加密算法RC4，有效解決了密鑰管理過(guò)于簡(jiǎn)單、對(duì)消息完整性缺乏有效的保護(hù)等問(wèn)題。

三、BOD測(cè)定部分性能測(cè)試

BOD測(cè)定是整個(gè)傳感器系統(tǒng)的核心，為驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)定的可靠度，對(duì)BOD測(cè)定環(huán)節(jié)進(jìn)行測(cè)試，包括標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)定、BOD測(cè)定的重現(xiàn)性。

1、標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)定

通過(guò)對(duì)BOD5濃縮液進(jìn)行稀釋?zhuān)♂尦霾煌瑵舛鹊腂OD溶液，測(cè)試范圍從15mg/l～100mg/l，測(cè)定溫度為35℃。標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖3所示，DO降低值與BOD濃度具有較好線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98，滿(mǎn)足BOD快速測(cè)定的要求，對(duì)于低濃度BOD的測(cè)定應(yīng)繼續(xù)提高相關(guān)測(cè)定儀器的精密度減少測(cè)試過(guò)程中的誤差。

2、BOD測(cè)定的重現(xiàn)性

對(duì)BOD5為50 mg/l的樣品進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，得到表1結(jié)果。結(jié)果顯示，5次測(cè)定結(jié)果的平均值為0.3mg/l，最大相對(duì)偏差為0，滿(mǎn)足傳統(tǒng)5日標(biāo)準(zhǔn)稀釋法中對(duì)于最大偏差的要求。在測(cè)定過(guò)程中所使用DO測(cè)定儀的誤差值為0.1mg/l，這也在一定程度上影響了測(cè)定的精準(zhǔn)度，在接下來(lái)的測(cè)試校驗(yàn)中應(yīng)更換精準(zhǔn)度更高的測(cè)定儀，提高測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)性。

表1 BOD測(cè)定的重現(xiàn)性

四、結(jié)束語(yǔ)

生物敏感元件采用微生物固定化小球模式，可以克服傳統(tǒng)壓密微生物膜覆蓋在溶解氧電極上導(dǎo)致靈敏度及穩(wěn)定性差的缺陷[17]。采用單一菌種制備微生物固定化小球提高了生物敏感元件的穩(wěn)定性，同時(shí)也延長(zhǎng)了生物敏感元件的使用壽命。

集成化與智能化是生物傳感器發(fā)展的方向，也是應(yīng)用生物傳感器于原位監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的必經(jīng)之路[18]。敏感元件的集成化是傳感器智能化的初級(jí)階段，無(wú)線傳輸模塊的引入提高了集成型傳感器的智能度，具有很好的實(shí)用意義和開(kāi)發(fā)價(jià)值。