模拟高压静电对Q67发光影响的实验系统

魏胜非

(东北师范大学物理学院,吉林长春130024)

模拟高压静电对Q67发光影响的实验系统

魏胜非

(东北师范大学物理学院,吉林长春130024)

用发光二级管和光学衰减片模拟Q67的发光光谱.实验中发现高压静电较低时发光微生物发光强度高于无静电作用时,但随高压静电的增加,发光强度逐渐减弱.实验结果表明该系统可以模拟高压静电对Q67发光的影响,使实验可在室外环境中进行,方便水环境的监测.

高压静电;Q67;比较放大器;实验系统

1 引 言

饮用水取水水源地的急性毒物检测是保证城区居民饮用水安全的第一道关口.传统的急性毒性(acute toxicity)概念是指人或实验动物1次或24 h内多次接触受试物后引起的中毒反应,甚至死亡.结果多以半数致死浓度(LC50)表示.以微生物为检测手段时多称为生物毒性,常选择微生物的某一项或几项生理指标作为指征(如细胞生长、呼吸、酶活性等),根据待测物影响这些指征的程度来判断毒性的强度.采用的评价指标为半数有效浓度(EC50)或半数抑制浓度(IC50)值,即计算影响获抑制生物某种正常生理指标值50%所需的待测物浓度.一般可认为EC50或IC50可与哺乳动物试验的LC50进行类比[1].如何快速地对急性毒物进行定性检测一直是困扰环境监测部门和卫生监督部门的难题.利用发光微生物可以有效地解决这一难题,但是由于发光微生物一般以冻干粉形式保存,复苏所需时间较长,利用高压静电激活发光微生物可以有效地促使发光微生物复苏,从而利用其进行急性毒物的检测.因为发光微生物冻干粉价格较高,对成批生产基于发光微生物检测的急性毒物检测仪器时进行标定造价高且不方便,如果能够模拟高压静电激活微生物发光特性将降低造价且方便调试,本实验系统正是为了解决这一问题而设计.发光微生物有许多种,但是淡水发光微生物仅有青海湖菌,因而选择青海湖菌Q67作为检测发光微生物并以其作为受高压静电处理的激活微生物.由于青海湖菌Q67为淡水微生物因而它特别适用于饮用水水源地的急性毒物检测.

2 实验装置的总体结构

本实验装置由高压静电处理装置、光电倍增管、可控二级管发光装置、比较放大器、单片机等部分组成.总体结构图如图1所示.发光二极管发出模拟生物光,二级管发出的光经光衰减片后被光电倍增管采集.光电倍增管将采集到的光信号转换成电信号送往差分放大器.差分放大器的输出送往单片机,此信号用来调整单片机的输出且该输出经过模数(D/A)转换用以驱动发光二极管.按程序单片机输出控制高压电源产生高压,高压电极极板间放置发光微生物,发光微生物所产生的光被光电倍增管接收(两光电倍增管经过标定,并通过软件进行校正),输出送往差分放大器.差分放大器的输出送往单片机,单片机根据差分放大器送来的信号调整送往D/A转换器的输出以达到使差分放大器输出趋于零的结果.单片机储存送往D/A转换器的输出,从而确定模拟生物发光数据.

图1 实验装置的总体结构框图

3 微生物发光机理与实验器材

发光作用是发光细菌正常生理状态下所具有的性质,它是细胞呼吸作用的副产物,而呼吸作用则是细胞和生物代谢的基本过程,细菌的发光直接和其呼吸相关.发光细菌是一类在正常的生理条件下能够发射可见荧光的细菌,这种可见荧光波长在450～490 nm之间,在黑暗处肉眼可见.发光细菌体内的荧光素酶催化荧光素的氧化作用,反应如下:

从而产生生物发光,它直接与细胞的活性及代谢状况相关[2].毒性物质将改变细胞的状态,包括细胞壁、细胞膜、电子的转移系统、酶及细胞质的结构,这些变化最终将导致生物发光的减弱.通过生物发光光强的测定即可计算得到样品毒性的强弱[3].本实验所用高压电源为东北师范大学静电所自制,所用发光微生物冻干粉购自华东师范大学.标定所用的光检测仪为北京滨松光子股份有限公司的BHP9511型水质毒性快速检测仪.

4 实验数据分析

将不同电压静电处理后的复苏稀释后的发光微生物等量分为2份,一份置于本实验系统中,另一份放入BHP9511型水质毒性快速检测仪中进行光子计数,每组实验进行5次取平均值,所得的数据如表1所示.

通过表1数据可以看出,高压静电在较低时使得发光微生物发出的光高于无静电作用时的强度,随着高压静电值的增加,发光强度逐渐减弱.可以解释为在适当的静电场的作用下,发光微生物的细胞受到刺激,出现应急反应,因而发光强度增强.随着高压静电场的增强,发光微生物细胞的生存环境遭到破坏,因而发光减弱.实验系统显示的数值同BHP9511标定显示的数据相关.相关系数P=0.99.这一结论表明本实验系统可以用来模拟生物发光在高压静电影响下的发光情况.在研究高压静电对发光微生物发光特性影响以及批量标定弱光测量电路时,可以应用本系统代替,从而降低实验成本且方便快捷[4].

表1 实验数据对比表

5 结束语

经过实验表明模拟高压静电对Q67发光影响的实验系统可以替代实际的高压静电对Q67发光影响的实验.这一做法也可以应用在研究其他条件例如离子等对Q67发光影响的实验,从而降低实验成本,并且较原来的实际操作方便,且可以不在实验室内进行,因而有利于将Q67发光影响的实验置于室外环境[5].

[1] 方战强,陈中豪,胡勇,等.发光细菌法在水质监测中的应用[J].重庆环境科学,2003,25(2):56-58.

[2] 王安平,朱文杰,郑幼霞.东方弧菌荧光酶的分离纯化和性质研究[J].发光学报,1993,14(3):292.

[3] 国家环境保护总局.GB/T 1544121995水质急性毒性的测定:发光细菌法[S].

[4] 杨仕广,刁维宁,李彬.采用光电计数的激光微位移测量实验系统[J].物理实验,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

[责任编辑:郭 伟]

2010-07-06;修改日期:2010-01-09

吉林省科技厅社发重点项目(No.20080426-1);长春市科技局社发项目(No.2007SF20)

魏胜非(1964-),男,吉林省吉林市人,东北师范大学物理学院副教授,博士研究生,从事传感器、通信方面的研究.