CN104007096A - 一种船舶压载水处理过程的分析装置及其分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶压载水处理过程的分析装置及其分析方法，所述的装置包括平台、微流控芯片、微阀控制组件、光激发组件、光检测组件和数据处理组件；微流控芯片由玻璃片和固定在玻璃片上的聚二甲基硅氧烷组成，聚二甲基硅氧烷表面设有若干个样品储液池、若干个鞘液储液池和若干个废液储液池。本发明将整个复杂的检测过程集成到一个微流控芯片上，且可以在一个微流控芯片上通过计算机程序自动控制微阀而实现多次对比检测，对于船舶压载水处理的整个过程分析，操作简单。由于本发明采用微流控芯片作为船舶压载水检测的微平台，而相关的光电检测设备亦可采用体积较小的结构形式，因此，相对于现有大型检测设备，本发明具有微型化的优点。

Description

一种船舶压载水处理过程的分析装置及其分析方法

技术领域

本发明涉及船舶压载水处理技术，特别是一种船舶压载水处理过程的分析装置及其分析方法。 

背景技术

船舶压载水是外来海洋生物入侵的主要途径之一，外来有害海洋生物入侵传播造成的灾害，对生态、工业、农业以及人类健康等都造成了严重的影响，在《船舶压载水及沉积物控制和管理国际公约》中规定了船舶排放时的压载水性能应满足的标准，其中重要的一项内容是压载水中不同尺寸存活生物的浓度，而微藻是船舶压载水中最普遍存在的一种生物，也是目前船舶压载水处理和检测的主要目标。 

目前国内外进行的船舶压载水处理技术可以划分为五种主要的方法：机械法、化学法、物理法、生物法和联合处理方法。广泛考虑可采用的几大方法包括压载水置换法、初级分离装置如旋流分离和过滤法、加热法、紫外线法以及使用一些化学杀菌剂和活性物质的方法。但是，到现在为止，国际海事组织、海洋环境保护委员会(MEPC)和全球压载水管理项目组(GBWMPG)认为当前尚无一种有效治理压载水中外来有害生物入侵的方法。 

目前，化学法是最普遍的处理压载水的方法。有效氯可用作消毒剂，广泛使用于细菌的杀灭。通过电解海水产生的有效氯防止海洋生物的生长，在海水防污染治理中已众所周知。此原理可以扩展到压载水处理，电解产物中的有效氯具有强氧化作用，可以作用于水生物和病原体。但是，为了保证杀灭效果而一次性注入高浓度电解产物达到致死藻类的效果，使用的有效氯剂量较多，会产生较多的电解副产物，对环境造成污染，对人类健康造成影响。此压载水处理方法仍面临着技术上的挑战，所以我们需要对压载水处理***的有效性进行检测。因此，对压载水处理方法的过程分析是当前首先要解决的问题。在对压载水处理过程进行分析时应考虑很多问题,其主要问题应从以下几个方面考虑,即不同初始反应试剂浓度对船舶压载水的处理效果，得出最佳初始反应试剂浓 度；相同初始反应试剂浓度处理不同时间对船舶压载水的处理效果，得出最佳处理时间；一次性注入高浓度反应试剂作用藻类与分多次注入少量反应试剂作用藻类，哪种更有效；不同温度对船舶压载水的处理效果的影响等等。 

目前所有压载水处理过程的分析装置都存在体积大、结构复杂、分析过程速度慢及操作繁琐等缺点。因此，有必要提供一种高效的船舶压载水处理过程分析的方法与装置，使压载水处理与监测相结合，能够准确、快速的实现压载水处理过程分析与检测,减少由于船舶压载水引入的外来物种入侵,减轻经济损失。 

综上分析，船舶压载水处理过程的分析是急需解决的关键问题。 

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种体积小、结构简单、集成化、自动控制的船舶压载水处理过程的分析装置及其分析方法。 

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种船舶压载水处理过程的分析装置，包括平台、微流控芯片、驱动组件、微阀控制组件、光激发组件、光检测组件和数据处理组件，所述平台为暗室结构，光激发组件与平台连接，微流控芯片和光检测组件固定在平台内，驱动组件与微流控芯片连接，光检测组件与数据处理组件连接；所述的微流控芯片是带有微阀的微流控芯片； 

所述的微流控芯片由玻璃片和固定在玻璃片上的聚二甲基硅氧烷组成，所述聚二甲基硅氧烷表面设有若干个样品储液池、若干个鞘液储液池和若干个废液储液池，样品储液池设有与样品储液池连通的样品通道，且样品通道内设有微阀，鞘液储液池设有与鞘液储液池连通的鞘液通道，废液储液池设有与废液储液池连通的检测通道，样品通道和鞘液通道交汇后与检测通道连通，检测通道设有检测区域，样品储液池、鞘液储液池和废液储液池设有驱动组件； 

所述的微阀控制组件用于控制微流控芯片样品通道内微阀自动开放和关闭，由计算机软件控制； 

所述的光激发组件的光斑所覆盖区域布满微流控芯片的检测区域。 

本发明所述的驱动组件为压力驱动组件或电力驱动组件。 

本发明所述的光激发组件为固定在平台内或通过密封结构与平台连接。 

本发明所述的数据处理组件采用微处理器，光检测组件采用光电倍增管或单光子计数模块。 

一种船舶压载水处理过程的分析装置及其分析方法，包括如下步骤： 

A、将鞘液加入到鞘液储液池，将反应试剂和船舶压载水加入到样品储液池，开启光激发组件、光检测组件、数据处理组件和鞘液储液池的驱动组件，使鞘液沿着鞘液通道经过检测通道流向废液储液池； 

B、开启样品储液池的驱动组件和微阀控制组件，由微阀控制组件自动控制所有样品通道内微阀的开放和关闭，当某一样品通道内的微阀开启时，使对应的样品储液池内的液体沿着样品通道经过检测通道流向废液储液池，而其他样品通道内的微阀呈关闭状态；船舶压载水中微藻经过检测区域时微藻单细胞内叶绿素被激发光激发产生瞬时光子辐射； 

C、通过脉冲信号的强弱和数量，获取船舶压载水中微藻活性强弱和微藻数量。 

本发明的工作原理如下：船舶压载水在鞘液作用下，船舶压载水中微藻细胞聚焦后一个一个经过检测区域，避免了多个微藻细胞同时经过检测区域而产生的误差，在检测区域处，利用一束激发光照射微藻细胞，使微藻细胞内叶绿素吸收激发光并产生叶绿素荧光，叶绿素荧光被光检测组件检测到，光强大小表征微藻细胞活性强弱，光强越强，则微藻细胞活性越强，即压载水的处理效果越好；反之，光强越弱，则微藻细胞活性越弱，即压载水的处理效果越差。微阀控制组件，可以根据具体实验要求控制不同的微阀在不同的时间开启和关闭。 

与现有技术相比，本发明具有下列优点： 

1、本发明将整个复杂的检测过程集成到一个微流控芯片上，且可以在一个微流控芯片上通过计算机程序自动控制微阀而实现多次对比检测，对于船舶压载水处理的整个过程分析，操作简单。 

2、由于本发明采用微流控芯片作为船舶压载水检测的微平台，而相关的光电检测设备亦可采用体积较小的结构形式，如：数据处理组件采用微处理器，光检测组件采用光电倍增管或单光子计数模块，因此，相对于现有大型检测设备，本发明具有微型化的优点。 

3、本发明对于微藻活性的判别是通过检测微藻自身荧光信息进行的，这些荧光信息是与其活性密切相关的内在探针，这样无需对微藻进行外部标记，不仅能够克服外部标记过程中带来的误差、操作复杂、耗时等缺点，更重要的是 这种利用微藻自身内在探针的免标记方法具有普适性。 

4、本发明通过检测微藻自身荧光信号强度自动完成对微藻活性的区分，操作简单，克服了传统方法中人工计数时带来的人为因素影响、误差以及对操作人员须具备丰富的水生生物学知识的要求。 

5、本发明的平台为暗室结构，能有效排除激发光之外其余杂散光的干扰，光激发组件优选为固定在平台内或通过密封结构与平台连接，其目的在于使平台不透光。 

附图说明

本发明共有附图3幅，其中： 

图1为本发明的结构示意图。 

图2为带有微阀的微流控芯片结构示意图。 

图3为不同温度下扁藻活性强弱检测结果。 

图中：1、微流控芯片，2、光检测组件，3、数据处理组件，4、光激发组件，5、平台，6、微阀控制组件，7、聚二甲基硅氧烷，8、样品储液池，9、鞘液储液池，10、样品通道，11、鞘液通道，12、检测通道，13、检测区域，14、废液储液池，15、电力驱动组件，16、微阀，17、玻璃片。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-2所示，一种船舶压载水处理过程分析的装置，包括平台5、微流控芯片1、电力驱动组件15、微阀控制组件6、光激发组件4、光检测组件2和数据处理组件3，所述平台5为暗室结构，光激发组件4与平台5连接，微流控芯片1和光检测组件2固定在平台5内，驱动组件6与微流控芯片1连接，光检测组件2与数据处理组件3连接； 

所述的微流控芯片1由玻璃片17和固定在玻璃片上的聚二甲基硅氧烷7组成，所述聚二甲基硅氧烷7表面设有若干个样品储液池8、两个鞘液储液池9和一个废液储液池14，样品储液池8设有与样品储液池8连通的样品通道10，且样品通道10内设有微阀16，鞘液储液池9设有与鞘液储液池9连通的鞘液通道11，废液储液池14设有与废液储液池14连通的检测通道12，样品通道10和鞘液通道11交汇后与检测通道12连通，检测通道12设有检测区域13，样品储液池8、鞘液储液池9和废液储液池14设有电力驱动组件15； 

所述的微流控芯片1中的样品储液池8及样品通道10可设若干个，本实施 例所采用的的微流控芯片1设有三个样品储液池8及三个样品通道10。 

一种船舶压载水处理过程的分析方法，包括如下步骤： 

①将10μL鞘液加入到鞘液储液池9，将三份1μL船舶压载水分别加入到三个样品储液池8。配制好不同浓度(5、10、20mg/L)的反应试剂(如次氯酸钠)。开启光激发组件4、光检测组件2、数据处理组件3、鞘液储液池的驱动组件15，使鞘液沿着鞘液通道11经过检测通道12流向废液储液池14。 

②开启样品储液池的驱动组件15和微阀控制组件6，由微阀控制组件6来自动控制三个样品通道10内的微阀16的开放和关闭。此对比实验控制相同的处理时间和检测时间，先将浓度为5mg/L的反应试剂(如次氯酸钠)加入到第一个样品储液池8，此后，每隔1.2h往另外两个样品储液池内分别加入10mg/L、20mg/L的反应试剂(如次氯酸钠)。 

③第一个样品储液池8内的液体处理1h之后，由微阀控制组件6自动控制第一个样品通道10内的微阀16开启(开始计时0min)，使第一个样品储液池8内的液体沿着样品通道10经过检测通道12流向废液储液池14，船舶压载水中微藻经过检测区域13时微藻单细胞内叶绿素被激发光激发产生瞬时光子辐射。检测10min后，微阀控制组件6自动控制第一个样品通道10内的微阀16关闭，此时鞘液流经检测通道12将第一个样品储液池8内的液体清理掉。第12min时，开启第二个样品通道10内的微阀16，相同的检测时间及清理时间后，再开启第三个样品通道内10的微阀16，做相同的检测。 

④通过脉冲信号的强弱和数量，获取三组船舶压载水中微藻活性强弱和微藻数量。 

⑤将上述的船舶压载水样品用相同浓度10mg/L的反应试剂(如次氯酸钠)处理不同的时间。即同时将反应试剂和压载水样品分别加入到三个样品储液池内，而后通过上述步骤③进行检测，当样品经过检测区域13时，通过脉冲信号的强弱和数量，获取三组船舶压载水中微藻活性强弱和微藻数量。 

Claims (5)

1.一种船舶压载水处理过程的分析装置，其特征在于：包括平台(5)、微流控芯片(1)、驱动组件、微阀控制组件(6)、光激发组件(4)、光检测组件(2)和数据处理组件(3)，所述平台(5)为暗室结构，光激发组件(4)与平台(5)连接，微流控芯片(1)和光检测组件(2)固定在平台(5)内，驱动组件与微流控芯片(1)连接，光检测组件(2)与数据处理组件(3)连接；所述的微流控芯片(1)是带有微阀(16)的微流控芯片(1)；

所述的微流控芯片(1)由玻璃片(17)和固定在玻璃片(17)上的聚二甲基硅氧烷(7)组成，所述聚二甲基硅氧烷(7)表面设有若干个样品储液池(8)、若干个鞘液储液池(9)和若干个废液储液池(14)，样品储液池(8)设有与样品储液池(8)连通的样品通道(10)，且样品通道(10)内设有微阀(16)，鞘液储液池(9)设有与鞘液储液池(9)连通的鞘液通道(11)，废液储液池(14)设有与废液储液池(14)连通的检测通道(12)，样品通道(10)和鞘液通道(11)交汇后与检测通道(12)连通，检测通道(12)设有检测区域(13)，样品储液池(8)、鞘液储液池(9)和废液储液池(14)设有驱动组件；

所述的微阀控制组件(6)用于控制微流控芯片(1)样品通道(10)内微阀(16)自动开放和关闭，由计算机软件控制；

所述的光激发组件(4)的光斑所覆盖区域布满微流控芯片(1)的检测区域(13)。

2.根据权利要求1所述的一种船舶压载水处理过程的分析装置，其特征在于：所述的驱动组件为压力驱动组件或电力驱动组件(15)。

3.根据权利要求1所述的一种船舶压载水处理过程的分析装置，其特征在于：所述的光激发组件(4)为固定在平台(5)内或通过密封结构与平台(5)连接。

4.根据权利要求1所述的一种船舶压载水处理过程的分析装置，其特征在于：所述的数据处理组件(3)采用微处理器，光检测组件(2)采用光电倍增管或单光子计数模块。

5.一种船舶压载水处理过程的分析装置及其分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、将鞘液加入到鞘液储液池(9)，将反应试剂和船舶压载水加入到样品储液池(8)，开启光激发组件(4)、光检测组件(2)、数据处理组件(3)和鞘液储液池(9)的驱动组件，使鞘液沿着鞘液通道(11)经过检测通道(12)流向废液储液池(14)；

B、开启样品储液池(8)的驱动组件和微阀控制组件(6)，由微阀控制组件(6)自动控制所有样品通道(10)内微阀(16)的开放和关闭，当某一样品通道(10)内的微阀(16)开启时，使对应的样品储液池(8)内的液体沿着样品通道(10)经过检测通道(12)流向废液储液池(14)，而其他样品通道(10)内的微阀(16)呈关闭状态；船舶压载水中微藻经过检测区域(13)时微藻单细胞内叶绿素被激发光激发产生瞬时光子辐射；

C、通过脉冲信号的强弱和数量，获取船舶压载水中微藻活性强弱和微藻数量。