魏勝非

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130024)

模擬高壓靜電對(duì)Q67發(fā)光影響的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

魏勝非

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130024)

用發(fā)光二級(jí)管和光學(xué)衰減片模擬Q67的發(fā)光光譜.實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)高壓靜電較低時(shí)發(fā)光微生物發(fā)光強(qiáng)度高于無(wú)靜電作用時(shí),但隨高壓靜電的增加,發(fā)光強(qiáng)度逐漸減弱.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以模擬高壓靜電對(duì)Q67發(fā)光的影響,使實(shí)驗(yàn)可在室外環(huán)境中進(jìn)行,方便水環(huán)境的監(jiān)測(cè).

高壓靜電;Q67;比較放大器;實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1 引 言

飲用水取水水源地的急性毒物檢測(cè)是保證城區(qū)居民飲用水安全的第一道關(guān)口.傳統(tǒng)的急性毒性(acute toxicity)概念是指人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物1次或24 h內(nèi)多次接觸受試物后引起的中毒反應(yīng),甚至死亡.結(jié)果多以半數(shù)致死濃度(LC50)表示.以微生物為檢測(cè)手段時(shí)多稱為生物毒性,常選擇微生物的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)生理指標(biāo)作為指征(如細(xì)胞生長(zhǎng)、呼吸、酶活性等),根據(jù)待測(cè)物影響這些指征的程度來(lái)判斷毒性的強(qiáng)度.采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)為半數(shù)有效濃度(EC50)或半數(shù)抑制濃度(IC50)值,即計(jì)算影響獲抑制生物某種正常生理指標(biāo)值50%所需的待測(cè)物濃度.一般可認(rèn)為EC50或IC50可與哺乳動(dòng)物試驗(yàn)的LC50進(jìn)行類比[1].如何快速地對(duì)急性毒物進(jìn)行定性檢測(cè)一直是困擾環(huán)境監(jiān)測(cè)部門和衛(wèi)生監(jiān)督部門的難題.利用發(fā)光微生物可以有效地解決這一難題,但是由于發(fā)光微生物一般以凍干粉形式保存,復(fù)蘇所需時(shí)間較長(zhǎng),利用高壓靜電激活發(fā)光微生物可以有效地促使發(fā)光微生物復(fù)蘇,從而利用其進(jìn)行急性毒物的檢測(cè).因?yàn)榘l(fā)光微生物凍干粉價(jià)格較高,對(duì)成批生產(chǎn)基于發(fā)光微生物檢測(cè)的急性毒物檢測(cè)儀器時(shí)進(jìn)行標(biāo)定造價(jià)高且不方便,如果能夠模擬高壓靜電激活微生物發(fā)光特性將降低造價(jià)且方便調(diào)試,本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)正是為了解決這一問(wèn)題而設(shè)計(jì).發(fā)光微生物有許多種,但是淡水發(fā)光微生物僅有青海湖菌,因而選擇青海湖菌Q67作為檢測(cè)發(fā)光微生物并以其作為受高壓靜電處理的激活微生物.由于青海湖菌Q67為淡水微生物因而它特別適用于飲用水水源地的急性毒物檢測(cè).

2 實(shí)驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)裝置由高壓靜電處理裝置、光電倍增管、可控二級(jí)管發(fā)光裝置、比較放大器、單片機(jī)等部分組成.總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.發(fā)光二極管發(fā)出模擬生物光,二級(jí)管發(fā)出的光經(jīng)光衰減片后被光電倍增管采集.光電倍增管將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送往差分放大器.差分放大器的輸出送往單片機(jī),此信號(hào)用來(lái)調(diào)整單片機(jī)的輸出且該輸出經(jīng)過(guò)模數(shù)(D/A)轉(zhuǎn)換用以驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管.按程序單片機(jī)輸出控制高壓電源產(chǎn)生高壓,高壓電極極板間放置發(fā)光微生物,發(fā)光微生物所產(chǎn)生的光被光電倍增管接收(兩光電倍增管經(jīng)過(guò)標(biāo)定,并通過(guò)軟件進(jìn)行校正),輸出送往差分放大器.差分放大器的輸出送往單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)差分放大器送來(lái)的信號(hào)調(diào)整送往D/A轉(zhuǎn)換器的輸出以達(dá)到使差分放大器輸出趨于零的結(jié)果.單片機(jī)儲(chǔ)存送往D/A轉(zhuǎn)換器的輸出,從而確定模擬生物發(fā)光數(shù)據(jù).

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)框圖

3 微生物發(fā)光機(jī)理與實(shí)驗(yàn)器材

發(fā)光作用是發(fā)光細(xì)菌正常生理狀態(tài)下所具有的性質(zhì),它是細(xì)胞呼吸作用的副產(chǎn)物,而呼吸作用則是細(xì)胞和生物代謝的基本過(guò)程,細(xì)菌的發(fā)光直接和其呼吸相關(guān).發(fā)光細(xì)菌是一類在正常的生理?xiàng)l件下能夠發(fā)射可見(jiàn)熒光的細(xì)菌,這種可見(jiàn)熒光波長(zhǎng)在450～490 nm之間,在黑暗處肉眼可見(jiàn).發(fā)光細(xì)菌體內(nèi)的熒光素酶催化熒光素的氧化作用,反應(yīng)如下:

從而產(chǎn)生生物發(fā)光,它直接與細(xì)胞的活性及代謝狀況相關(guān)[2].毒性物質(zhì)將改變細(xì)胞的狀態(tài),包括細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、電子的轉(zhuǎn)移系統(tǒng)、酶及細(xì)胞質(zhì)的結(jié)構(gòu),這些變化最終將導(dǎo)致生物發(fā)光的減弱.通過(guò)生物發(fā)光光強(qiáng)的測(cè)定即可計(jì)算得到樣品毒性的強(qiáng)弱[3].本實(shí)驗(yàn)所用高壓電源為東北師范大學(xué)靜電所自制,所用發(fā)光微生物凍干粉購(gòu)自華東師范大學(xué).標(biāo)定所用的光檢測(cè)儀為北京濱松光子股份有限公司的BHP9511型水質(zhì)毒性快速檢測(cè)儀.

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將不同電壓靜電處理后的復(fù)蘇稀釋后的發(fā)光微生物等量分為2份,一份置于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,另一份放入BHP9511型水質(zhì)毒性快速檢測(cè)儀中進(jìn)行光子計(jì)數(shù),每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5次取平均值,所得的數(shù)據(jù)如表1所示.

通過(guò)表1數(shù)據(jù)可以看出,高壓靜電在較低時(shí)使得發(fā)光微生物發(fā)出的光高于無(wú)靜電作用時(shí)的強(qiáng)度,隨著高壓靜電值的增加,發(fā)光強(qiáng)度逐漸減弱.可以解釋為在適當(dāng)?shù)撵o電場(chǎng)的作用下,發(fā)光微生物的細(xì)胞受到刺激,出現(xiàn)應(yīng)急反應(yīng),因而發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng).隨著高壓靜電場(chǎng)的增強(qiáng),發(fā)光微生物細(xì)胞的生存環(huán)境遭到破壞,因而發(fā)光減弱.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)顯示的數(shù)值同BHP9511標(biāo)定顯示的數(shù)據(jù)相關(guān).相關(guān)系數(shù)P=0.99.這一結(jié)論表明本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以用來(lái)模擬生物發(fā)光在高壓靜電影響下的發(fā)光情況.在研究高壓靜電對(duì)發(fā)光微生物發(fā)光特性影響以及批量標(biāo)定弱光測(cè)量電路時(shí),可以應(yīng)用本系統(tǒng)代替,從而降低實(shí)驗(yàn)成本且方便快捷[4].

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明模擬高壓靜電對(duì)Q67發(fā)光影響的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以替代實(shí)際的高壓靜電對(duì)Q67發(fā)光影響的實(shí)驗(yàn).這一做法也可以應(yīng)用在研究其他條件例如離子等對(duì)Q67發(fā)光影響的實(shí)驗(yàn),從而降低實(shí)驗(yàn)成本,并且較原來(lái)的實(shí)際操作方便,且可以不在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,因而有利于將Q67發(fā)光影響的實(shí)驗(yàn)置于室外環(huán)境[5].

[1] 方戰(zhàn)強(qiáng),陳中豪,胡勇,等.發(fā)光細(xì)菌法在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].重慶環(huán)境科學(xué),2003,25(2):56-58.

[2] 王安平,朱文杰,鄭幼霞.東方弧菌熒光酶的分離純化和性質(zhì)研究[J].發(fā)光學(xué)報(bào),1993,14(3):292.

[3] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.GB/T 1544121995水質(zhì)急性毒性的測(cè)定:發(fā)光細(xì)菌法[S].

[4] 楊仕廣,刁維寧,李彬.采用光電計(jì)數(shù)的激光微位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].物理實(shí)驗(yàn),2009,29(9):1-4.

[5] Ben-Yoava H,Elad T,Shlomovits O,et al.Optical modeling of bioluminescence in whole cell biosensors [J].Biosensors and Bioelectronics,2009,24(7): 1 969-1 973.

Simulation of the effect of static high voltage on the Q67 bioluminescence

WEI Sheng-fei
(School of Physics,Northeast Normal University,Changchun 130024,China)

Experimental system used to simulate the spectrum of Q67 bioluminescence is designed using LED and optical attenuator.When the static high voltage is lower,the intensity of Q67 bioluminescence is higher than that without static high voltage.The light intensity decreases with the increase of static high voltage.The effect of static high voltage on Q67 bioluminescence can be simulated under outdoor conditions to benefit the water environment monitor.

static of high voltage;Q67;comparator amplifier;experimental system

Q93-332;O521

A

1005-4642(2010)12-0034-02

[責(zé)任編輯:郭 偉]

2010-07-06;修改日期:2010-01-09

吉林省科技廳社發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目(No.20080426-1);長(zhǎng)春市科技局社發(fā)項(xiàng)目(No.2007SF20)

魏勝非(1964-),男,吉林省吉林市人,東北師范大學(xué)物理學(xué)院副教授,博士研究生,從事傳感器、通信方面的研究.