專利名稱：用于水質安全在線預警系統的生物行為傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種環境監測中應用的傳感器，具體地說是涉及用于水質安全在線預警 系統的生物行為傳感器。
背景技術：
對水環境質量實時監測，實現水質的早期安全預警，對于預防突發性化學品環境 污染，保證人類飲用水的安全具有非常重要的意義。發光菌在水質監測中發揮了光照 強度受環境內污染物影響的特點，通過光學傳感器(Opticalbiosensor)監測發光菌的 發光強度變化，反應水質狀況，但是，發光菌光強度受本身新陳代謝的影響，也不能 實現水體的在線監測，只能依靠間隔抽樣監測，很難反應水質的本身的實時變化情況； 在線攝像技術(On-line image analysis)可以通過攝像記錄受試生物的運動行為變化， 并根據生物的行為變化對水質進行在線評價。但這種技術存在的誤差會因為水體的透 明度、水流速度、光照等因素的影響而加大，并且因為此技術只實現了對生物的二維 監測，不能對生物在立體空間內的行為變化進行綜合評價、分析；多物種淡水生物監 測系統(Multispecies Freshwater Biomonitor， MFB)可以克服外界環境因子對受試生物 的影響，最大程度的實時監測環境內受試生物的行為學變化。但是，MFB不能結合 合理的生物運動行為變化規律對受試生物的行為學變化進行分析、評估。水質在線安 全預警系統應用生物在一定環境壓力下表現出的運動規律變化以及本身具有的對環 境壓力的回避本能，克服了以往水質在線生物監測技術的缺陷，通過對受試生物在立 體空間內的行為變化綜合評價、分析，對水質的突發性變化實現預警。
在進行水質突發性污染預警過程中，鑒于受試生物運動行為的規律性以及其本身 具有的對外界環境壓力的回避本能，需要有合適的生物行為傳感器(Biological Behavior Biosensor,生物行為傳感器)與其規律性的運動行為相適應。
發明內容
本發明的目的在于，克服現有的單一生物行為傳感器不能使用在流動的水中，也不能滿足水質安全在線預警系統的要求的缺陷，從而提供一種用于水質安全在線預警 系統的生物行為傳感器，該生物行為傳感器監測受試生物的運動行為變化，結合生物 運動行為的規律性，以及其本身具有的對外界環境壓力的回避本能，對受試生物的行 為變化進行分析、評價，并以此對水質進行在線評估。 本發明的目的是通過如下技術方案實現的-
本發明提供的一種用于水質安全在線預警系統的生物行為傳感器(參考圖3)， 包括至少一個腔體，所述的腔體為一透明圓柱管，并在所述的腔體上安裝至少一組電 極；其特征在于，所述的第一透明圓柱管l內壁上安裝4組電極，每組電極由相對設 置的兩對電極組成，所述的兩對電極的結構一致，其中一對為信號發射電極7，另一 對為信號接收電極8;兩對電極分別與水質在線安全預警系統連接，第一透明圓柱管 1兩端通過與受試生物大小相適應的尼龍網封口固定，在第一透明圓柱管1壁上安裝 與外部水管相接的水管接頭9。
本發明提供的一種用于水質安全在線預警系統的生物行為傳感器(參考圖O，包 括至少一個腔體，所述的腔體為一透明圓柱管，并在所述的腔體上安裝至少一組電極；
其特征在于，所述的1組電極由相對設置的兩對電極組成，其中一對為信號發射電極 7，另一對為信號接收電極8，所述的兩對電極分別與水質在線安全預警系統連接；還 包括兩個圓蓋5，每個所述的圓蓋中心插裝一根水管接頭9，其余地方挖空并用與受 試生物相適應的尼龍網封住，在圓蓋內側壁上帶有內螺紋，通過內螺紋將圓蓋分別固 定在第一透明圓柱管1兩端口上。
本發明提供的用于水質安全在線預警系統的生物行為傳感器(參考圖2)，包括至 少一個腔體，所述的腔體為一透明圓柱管，并在所述的腔體上安裝至少一組電極；其
特征在于，還包括兩個圓蓋5和一根聯通管11;所述的腔體為2個，即為第一透明圓
柱管1和第二透明圓柱管10，并在所述的2個腔體內壁上安裝至少1組電極，每組電 極由相對設置的兩對電極組成，所述的兩對電極電極的結構一致，其中一對為信號發 射電極7，另一對為信號接收電極8，所述的兩對電極分別與水質在線安全預警系統 連接；在所述的第一透明圓柱管1和所述的第二透明圓柱管10之間通過所述的聯通 管11相連通，且第一透明圓柱管1和第二透明圓柱管10彼此平行；所述的圓蓋5中 心插裝一根水管接頭9，其余地方挖空并用與受試生物相適應的尼龍網12封住，在圓 蓋5內側壁上帶有內螺紋，通過內螺紋將圓蓋5分別固定在第一透明圓柱管1和第二 透明圓柱管10兩端口上。該生物行為傳感器安裝在水質安全預警系統中，除生物行為傳感器兩端的封口接 頭以外，整個管體為密閉系統。
在上述的技術方案中，所述的水管接頭9與外部水管連接，所述的外部水管的進 水管上安裝有流量計；以便通過流量計控制進水和出水。
在上述的技術方案中，所述的第一透明圓柱管和第二透明圓柱管的管材，可以根 據被監測水體的性質進行選擇，例如可以為玻璃材料、PVC材料或ABS材料等。
在上述的技術方案中，所述的電極為不銹鋼材料制成，其大小根據受試生物個體 大小進行選擇。
上述的三種生物行為傳感器的發射信號電極通過與水質在線安全預警系統連接， 在生物行為傳感器內形成一個正旋低壓交流電場，當受試生物在傳感器的運動導致低 壓電場發生變化以后，接受信號電極能夠感應電場的變化，然后通過接受信號電極接 收傳感器內由發射信號電極形成的電信號變化，并經水質在線安全預警系統處理以 后，對受試生物的運動行為變化進行分析，并依據生物行為分析結果，對水質變化進 行在線評估。
所述的三種生物行為傳感器可以根據受試生物個體大小進行選擇。保持生物行為 傳感器內受試生物的數量為5 10只。
在每個生物行為傳感器內裝入的受試生物為出生后24 72小時(優選48小時) 的被監測水源原生種的水生生物幼體，在實驗室內使用常規的標準水培養進化至少三 代以上，作為受試生物使用；或是出生后24 72小時(優選48小時)的被監測水源 標準模式生物的水生生物幼體，直接作為受試生物使用；
所述的被監測水源原生種包括水生無脊椎動物和脊椎動物，其中無脊椎動物主 要選擇節肢動物，如蝦、蚤類等，脊椎動物主要選擇成體體長為4厘米左右的魚類； 所述的被監測水源標準模式生物包括無脊椎動物的日本沼蝦、大型蚤以及脊椎 動物的日本青鏘、稀有齣鯽和斑馬魚
本發明提供的用于監測水生生物行為變化的生物行為傳感器，是預選具有運動行 為多樣性的水生生物為指示物種，通過一點或多點監測，受試生物在一種或幾種水體 內不同位置的運動行為變化，經由水質在線安全預警系統分析、評估以后，形成對水 質狀況的綜合評價。
本發明提供的用于水質安全在線預警系統的生物行為傳感器，該生物行為傳感器 適于水質安全在線預警系統中，對動態的流水中進行測量，克服現有傳感器只能靜態 使用的缺陷。通過以多點監測獲得的電信號方式顯示受試生物的行為變化信號，并經過對電信號的分析評估，實現了原位(Insitu)、在線(Online)和實時(Realtime) 的在線生物監測，并且可以對水體的未知污染物進行預警，對于研究環境污染，尤其 是突發性、劇烈的事故性變化具有非常重要的指示作用。此外，本發明進行水質預警 的投入很少，不需要專業人員進行操作，占用有限的人力、物力，水質預警期間的維 護費用極低。
圖1是本發明的一種生物行為傳感器的實施例結構示意圖； 圖2是本發明的生物行為傳感器另一種實施例結構示意圖； 圖3是本發明的生物行為傳感器又一種實施例結構示意圖4a是通過實施例1的生物行為傳感器監測日本鯖鏘(48小時左右開始監測)在 正常水體內的行為周期性(4天)變化一生物鐘(Biological Clock)現象；圖中橫坐標 為暴露時間，縱坐標為日本鯖辦的行為強度變化；
圖4b是通過實施例1的生物行為傳感器監測日本大型蚤(48小時左右開始監測) 在正常水體內的行為周期性(4天)變化一生物鐘(Biological Clock)現象；圖中橫坐 標為暴露時間，縱坐標為日本鯖鏘的行為強度變化；
圖5是生物行為的環境壓力閾模型圖中橫坐標為暴露時間，縱坐標為受試生物的行 為強度變化；
圖6a是通過實施例2的生物行為傳感器，以正常水體大型蚤行為變化為對照(a)，實 施例2的生物行為傳感器中大型蚤(48小時左右開始監測)的運動行為變化圖；圖中 橫坐標為暴露時間，縱坐標為大型蚤的行為強度變化；
圖6b是通過實施例2的生物行為傳感器，在1.25ppm的有機磷農藥對硫磷脅迫下(b)， 實施例2的生物行為傳感器中大型蚤(48小時左右開始監測)的運動行為變化圖；圖 中橫坐標為暴露時間，縱坐標為大型蚤的行為強度變化；
圖7a、圖b、圖c、圖d是以正常水體大型蚤行為變化為對照，在1.25ppm的有機磷農 藥對硫磷脅迫下，實施例3生物行為傳感器中大型蚤(48小時左右開始監測)的運動 行為變化圖；圖中橫坐標為暴露時間，縱坐標為大型蚤的行為強度變化。 圖面說明
1-第一透明圓柱管2-第一組電極3-第二組電極 4-第三組電極 5-第四組電極6-不銹鋼螺絲7-信號發射電極 8-信號接收電極 9-水管接頭 10-第二透明圓柱管 11-連通管 12-尼龍網
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖進一步說明本發明的生物行為傳感器的結構，并利用該結 構對有機磷污染水源進行在線生物安全預警的過程，以及預警的效果進行詳細說明。
實施例1:
參考圖l，制作一用于水質安全預警系統的生物行為傳感器，該生物行為傳感器 由有機玻璃制作的第一透明圓柱管1，該第一透明圓柱管1的內徑為cp2CmX外徑 3Cm (對大型蚤)，對日本鯖鏘進行監測時，第一透明圓柱管1的內徑為cp4CmX外 徑5Cm。在一透明圓柱管l內壁上安裝由2對不銹鋼片制作的電極，由相對設置的 兩對電極組成，其電極的大小由受試管決定，對大型蚤電極選擇為1.2X3Cm的，對 日本鯖鵬進行監測時，電極選擇為2.4X5 Cm的，兩對電極通過不銹鋼螺絲6與水 質在線安全預警系統連接，其中一對為信號發射電極7，另一對為信號接收電極8; 第一透明圓柱管1兩端固定一圓蓋5，該圓蓋中心插裝一根水管接頭9，其余地方挖 空并用與受試生物相適應的尼龍網12封住，該網的網眼由受試生物大小決定。在圓 蓋內側壁上帶有內螺紋，通過內螺紋將圓蓋分別固定在第一透明圓柱管1和第二透 明圓柱管10兩端的端口上。
利用本實施例制作的生物行為傳感器，進行監測日本鯖鏘和大型蚤(48小時左 右開始監測)在正常水體內的行為周期性變化，具體監測試驗如下
試驗進行的溫度控制在20±2°C，光照周期為16H: 8D。流水暴露試驗維持4天。在試驗過程中，流水速率控制在1升/小時，食物通過流水系統投喂。利用生物行為傳感器一l監測日本鯖鯔和大型蚤(48小時左右開始監測)在正常水體內的行為周期性變化圖如圖4所示。在4天流水試驗過程中，日本鯖鏘的行為學變化表現出明顯的晝夜變化。在光照條件下，不同頻率的運動行為變化基本處于從上到下的過程(低頻的行為，強度高)，而在黑暗條件下，不同頻率的行為變化出現明顯的不同有些頻率的行為突然增大(1.5Hz和2.0Hz)，有些頻率的行為降低(0.5Hz和l.OHz)。日本鯖鏘的這種變化表現出明顯的晝夜交替現象，為日本鯖鏘的行為變化生物鐘(Biological Clock)現象。大型蚤在4天流水試驗過程中，不同頻率的行為在晝夜交替過程也出現明顯的變化，在光照條件下，不同頻率的運動行為變化基本處于從上到下的過程(低頻的行為，強度高)，而在黑暗條件下，不同頻率的行為變化出現明顯的不同，表現出行為變化生物鐘(Biological Clock)現象。
通過該生物行為傳感器連接水質在線安全預警系統對受試生物的運動行為變化，可以針對生物的一般運動行為變化規律對生物的行為狀況進行分析、評價。這其中主 要包括生物行為的周期性變化—生物鐘(Biological Clock)現象(圖4)，生物行為的 環境壓力閾模型(Stepwise Stress Model, SSM)(圖5)等行為變化規律。
通過生物行為傳感器一2和生物行為傳感器一3與水質在線安全預警系統連接， 對受試生物的運動行為變化進行在線監測，主要針對生物的回避行為(Avoidance Behavior)規律進行的。受試生物的回避行為是指水生生物，特別是游泳能力強的水 生生物，能夠通過感覺器官的感知，主動避開受污染的水域，游向未受污染的清潔水 區的行為。
實施例2:
參考圖2，制作一用于水質安全預警系統的生物行為傳感器，該生物行為傳感器由 玻璃制作的第一透明圓柱管1，和第二透明圓柱管10，兩個管子大小一致；并且第一 透明圓柱管1和第二透明圓柱管10彼此平行設置， 一根玻璃連通管11的兩端分別密 封固定在它們之間的管壁上，將第一透明圓柱管l和第二透明圓柱管IO連通；在第一 透明圓柱管1和第二透明圓柱管10內壁上分別安裝一組電極，每組電極由相對設置的 兩對電極組成，電極由不銹鋼平板制作，大小一致，其中一對為信號發射電極7，另 一對為信號接收電極8，兩對電極通過不銹鋼螺絲6與水質在線安全預警系統連接， 第一透明圓柱管1和第二透明圓柱管10的兩端，通過一圓蓋5固定與受試生物相適應 的尼龍網12，該圓蓋5中心插裝一根水管接頭9，其余地方挖空并用與受試生物相適 應的尼龍網12封住，在圓蓋5內側壁上帶有內螺紋，通過內螺紋將圓蓋5分別固定在 第一透明圓柱管1和第二透明圓柱管2兩端的端口上。水管接頭9與外部水管相接， 外部水管的進水管上安裝有流量計；以便通過流量計控制進水和出水。該生物行為傳 感器安裝在水質安全預警系統中，除生物行為傳感器兩端的封口接頭以外，整個管體 為密閉系統。
以正常水體大型蚤行為變化為對照，在1.25ppm的有機磷農藥對硫磷脅迫下，應 用本實施例的生物行為傳感器對大型蚤(48小時左右開始監測)的運動行為變化進行 監測如下
試驗進行的溫度控制在20土2'C,光照周期為16H: 8D。流水暴露試驗維持48小
時。在試驗過程中，流水速率控制在1升/小時，食物通過流水系統投喂。以正常水
體中大型蚤行為變化為對照，利用生物行為傳感器一2監測大型蚤在1.25ppm的有機
磷農藥對硫磷脅迫下的運動行為變化如圖6所示。在1.25ppm的有機磷農藥對硫磷脅迫下，大型蚤的行為變化發生在暴露以后l小時之內，在此以后，有對硫磷流動的單 側傳感器內大型蚤的行為信號消失。在正常水體中，大型蚤行為變化基本維持一致， 但在試驗過程中，明顯出現具有晝夜周期性變化的生物鐘現象。這說明大型蚤的回避 環境壓力的本能促使大型蚤通過中間的管路由受對硫磷污染的水體進入正常水體內。 本實施例的生物行為傳感器監測受試生物回避行為是基于傳統的"U型"回避行 為試驗裝置設計的。通過該生物行為傳感器監測生物回避行為是基于對污染有或無的 判斷，在對水質突發性污染進行安全預警非常有效。在兩組類似于生物行為傳感器一1 的平行傳感器內，受試生物受污染水體的影響，會通過中間的連接管主動避開受污染 的水域，游向未受污染的清潔水區(圖6)。
通過該生物行為傳感器與水質在線安全預警系統連接，對受試生物的運動行為變 化進行在線監測，可以針對生物的一般運動行為變化規律對生物的行為狀況進行分析、 評價。這其中主要包括生物行為的周期性變化一生物鐘(Biological Clock)現象，生 物行為的環境壓力閾模型(Stepwise Stress Model, SSM)等行為變化規律以及生物的回 避行為(Avoidance Behavior)規律。受試生物的回避行為是指水生生物，特別是游泳 能力強的水生生物，能夠通過感覺器官的感知，主動避開受污染的水域，游向未受污 染的清潔水區的行為。
實施例3:
參考圖3，制作一用于水質安全預警系統的生物行為傳感器，該生物行為傳感器的 第一透明圓柱管1由工程塑料作成。在第一透明圓柱管1內壁上安裝4組電極，即第一 組電極2、第二組電極3、第三組電極4和第四組電極(未在圖上示出)，每組電極由相 對設置的兩對不銹鋼平板電極組成，每組電極的結構一致，其中一對為信號發射電極7， 另一對為信號接收電極8，兩對電極通過不銹鋼螺絲6與水質在線安全預警系統連接，； 第一透明圓柱管1兩端通過與受試生物大小相適應的尼龍網12封口固定；在第一透明 圓柱管1壁上安裝與外部水管相接的水管接頭9;保持除生物行為傳感器兩端的封口接 頭以外管體為密閉系統；水管接頭9與外部水管相接，外部水管的進水管上安裝有流量 計；以便通過流量計控制進水和出水。該生物行為傳感器安裝在水質安全預警系統中， 除生物行為傳感器兩端的封口接頭以外，整個管體為密閉系統。
以正常水體大型蚤行為變化為對照，在1.25ppm的有機磷農藥對硫磷脅迫下，應用 本實施例制作的生物行為傳感器，對大型蚤(48小時左右開始監測)的運動行為變化 進行監測試驗如下試驗進行的溫度控制在20土2。C，光照周期為16H: 8D。流水暴露試驗維持48小 時。在試驗過程中，流水速率控制在1升/小時，食物通過流水系統投喂。以正常水體 中大型蚤行為變化為對照，利用生物行為傳感器一3監測大型蚤在1.25ppm的有機磷 農藥對硫磷脅迫下的運動行為變化如圖7所示。在1.25ppm的有機磷農藥對硫磷脅迫 下，大型蚤的行為變化發生在暴露以后1小時左右，在此以后，有對硫磷流動的生物 傳感器一側，大型蚤的行為信號逐漸消失。在正常水體中，大型蚤行為變化基本維持 一致，并且在試驗過程中，明顯出現具有晝夜周期性變化的生物鐘現象。而處于這兩 者之間的第二組和第三組電極所監測的范圍之內，大型蚤的行為變化強度變化趨勢基 本上是逐漸降低的，并且變化的程度處于正常水體與對硫磷壓力之間。這說明大型蚤 的回避環境壓力的本能促使大型蚤通過中間的管路由受對硫磷污染的水體進入正常水 體內。相比較生物行為傳感器一2中大型蚤的運動行為變化，生物行為傳感器一3中監 測到大型蚤的運動行為變化呈現明顯的剃度變化。在后期的監測過程中，依然可以在 d組電極監測的范圍內存在生物運動行為的信號，原因可能是這一范圍受到其它位置 生物運動行為的影響。
實施例3的生物行為傳感器通過在一個透明圓柱管內設定4組平行的電極測定不 同位置受試生物的運動行為變化。實施例3的生物行為傳感器在一定程度上彌補了生 物行為傳實施例2的感器有或無的判斷，實現了含有污染物的被監測水體在傳感器內 按照一定的濃度梯度變化，并根據4組平行的電極所獲得的結果，對不同濃度下受試 生物的行為變化(圖7)進行分析、評估。
通過該生物行為傳感器與水質在線安全預警系統連接，對受試生物的運動行為變 化進行在線監測，主要針對生物的回避行為(Avoidance Behavior)規律進行的。受試 生物的回避行為是指水生生物，特別是游泳能力強的水生生物，能夠通過感覺器官的 感知，主動避開受污染的水域，游向未受污染的清潔水區的行為。
權利要求
1.一種用于水質安全在線預警系統的生物行為傳感器，包括至少一個腔體，所述的腔體為一透明圓柱管，并在所述的腔體上安裝至少一組電極；其特征在于，在第一透明圓柱管(1)的所述腔體內壁上安裝4組電極，每組電極由相對設置的兩對電極組成，所述的兩對電極的結構一致，其中一對為信號發射電極(7)，另一對為信號接收電極(8)；兩對電極分別與水質在線安全預警系統連接，所述的第一透明圓柱管(1)兩端通過與受試生物大小相適應的尼龍網(12)封住；所述的腔體上安裝至少2根水管接頭(9)。
2. —種用于水質安全在線預警系統的生物行為傳感器，包括至少一個腔體，所述 的腔體為一透明圓柱管，并在所述的腔體上安裝至少一組電極；其特征在于，還包括 兩個圓蓋(5);所述的每組電極由相對設置的兩對電極組成，所述的兩對電極的結構 一致，其中一對為信號發射電極(7)，另一對為信號接收電極(8)，所述的兩對電極 分別與水質在線安全預警系統連接；每個所述的圓蓋(5)中心插裝一根水管接頭(9)， 其余地方挖空并用與受試生物相適應的尼龍網(12)封住，在圓蓋(5)內側壁上帶有 內螺紋，通過內螺紋將圓蓋(5)分別固定在第一透明圓柱管(1)兩端口上。
3. —種用于水質安全在線預警系統的生物行為傳感器，包括至少一個腔體，所述 的腔體為一透明圓柱管，并在所述的腔體上安裝至少一組電極；其特征在于，還包括 兩個圓蓋(5)、和一根聯通管(11);所述的腔體為2個，并在所述的2個腔體內壁上 安裝至少1組電極，每組電極由相對設置的兩對電極組成，所述的兩對電極電極的結 構一致，其中一對為信號發射電極(7)，另一對為信號接收電極(8)，所述的兩對電 極分別與水質在線安全預警系統連接；在所述的第一透明圓柱管(1)和所述的第二透 明圓柱管(10)之間通過所述的聯通管(11)相連通，且第一透明圓柱管(1)和第二 透明圓柱管(10)彼此平行；所述的圓蓋(5)中心插裝一根水管接頭(9)，其余地方 挖空并用與受試生物相適應的尼龍網(12)封住，在圓蓋(5)內側壁上帶有內螺紋， 通過內螺紋將圓蓋(5)分別固定在第一透明圓柱管(1)和第二透明圓柱管(10)兩 端口上。
4. 按權利要求l、 2或3所述的用于水質安全在線預警系統的生物行為傳感器， 其特征在于，所述的水管接頭(9)與外部水管連接，所述的外部水管的進水管上安裝 有流量計。
5. 按權利要求l、 2或3所述的用于水質安全在線預警系統的生物行為傳感器， 其特征在于，所述的第一透明圓柱管(1)和第二透明圓柱管(10)的管材，根據被監 測水體的性質進行選擇。
6. 按權利要求5所述的用于水質安全在線預警系統的生物行為傳感器，其特征在 于，所述的第一透明圓柱管(1)和第二透明圓柱管(10)的管材為玻璃、PVC材料或 工程塑料。
7. 按權利要求1、 2或3所述的用于水質安全在線預警系統的生物行為傳感器， 其特征在于，所述的電極為不銹鋼材料制成，其大小根據受試生物個體大小進行選擇。
全文摘要
本發明涉及用于水質安全在線預警系統的生物行為傳感器，包括至少一個腔體和在其內壁上至少安裝1組電極，每組電極由相對設置的兩對電極組成，其中一對為信號發射電極，另一對為信號接收電極；兩對電極分別與水質在線安全預警系統連接，第一透明圓柱管兩端通過尼龍網封口固定，在第一透明圓柱管壁上安裝與外部水管相接的水管接頭。該生物行為傳感器使用時，在傳感器內形成正旋低壓交流電場，當受試生物在傳感器的運動導致低壓電場發生變化以后，接受信號電極能夠感應電場的變化，接收傳感器內由發射信號電極形成的電信號變化，并經水質在線安全預警系統處理以后，對受試生物的運動行為變化進行分析，對水質變化進行在線評估。
文檔編號G01N27/00GK101285815SQ20071006543
公開日2008年10月15日 申請日期2007年4月13日 優先權日2007年4月13日
發明者任宗明, 王子健 申請人:中國科學院生態環境研究中心