基于微流控技術的壓載水準確檢測方法研究

賈憲章，賈寶柱,2，許媛媛,2

（1．廣東海洋大學 海運學院，廣東 湛江 524002；2．南方海洋科學與工程廣東省實驗室(湛江)，廣東 湛江 524002）

為了保證船舶安全航行，通常使用海水作為壓載物，稱為壓載水，壓載水中包含大量的藻類等可生存生物和大腸桿菌、腸球菌等微生物。在運到目的港口后，需把壓載水排放后裝貨。這樣就會將其他海域的生物隨著壓載水排放進入新的海域，造成生物入侵。船舶壓載水已經被全球環境基金組織確定為世界海洋的四大威脅之一。

為應對由壓載水排放所引起的外來生物入侵性問題，在2004年2月9日～13日外交大會上，國際海事組織通過了《船壓載水及沉積物控制和管理國際公約》，以下簡稱《壓載水公約》)。其中規定“通過控制、管理船舶壓載水及沉積物達到防止、減少并最終消除有害水生生物及病原體的傳播”。我國既是港口大國，又是造船大國，隨著壓載水生效日期的確定，壓載水準確檢測和排放控制的方法具有重要意義。

1 研究現狀綜述

壓載水處理結果是否符合公約要求，需要通過檢測生物存活量來衡量。傳統的生物檢測方法是培養計數法，該方法廣泛應用在水生生物數量、種群研究等方面，但是耗時較長，需要耗費大量資源。隨著各種生物檢測技術不斷地發展，出現了一些新型的檢測方法。

流式細胞術法可以完成對單細胞或生物粒子在功能水平上的定量分析及分選，監測成本高且設備初投入大，不適合用于壓載水的實際檢測。而使用三磷酸腺苷激發熒光霉素的氧化反應進而生成D－熒光素，通過測定熒光強度也可推算出檢測樣品中活性生物的活體個數。但考慮到海水中成分復雜對熒光素發光的散射作用會導致光強度檢測精度降低，影響估算活體數量的準確性，且熒光霉素與三磷酸腺苷反應的程度對該方法的檢測精度影響也較大。熒光染色法是使用適合的熒光染色劑對所檢測樣品進行染色，再通過顯微鏡檢測。熒光素 FDA和CMFDA 均可作為熒光染色劑對壓載水樣品進行染色。利用熒光染色劑對活體浮游生物信號明顯的特性，可以有效地區分活細胞和死細胞。但是此方法會耗費大量的時間以及對相關檢測人員的專業知識和經驗要求較高。光學成像法是利用水下成像系統對水中浮游生物進行圖像記錄，再通過圖像處理算法以及浮游生物的體外特征，進行生物的智能識別和分類。此類方法想要在壓載水檢測中發揮良好效用需要滿足高分辨率和高智能化圖像處理算法，硬件與技術成本過高。

2 一種壓載水智能監測方法

針對現階段已有技術存在的缺陷，考慮到通過電檢測微孔道的微生物會造成檢測孔道中電阻變化，本文利用溶液電阻法檢測電阻抗的變化脈沖來實現菌類檢測計數，同時配合使用葉綠素熒光法來測定光激發的藻類細胞中的葉綠素所產生的熒光強度，以此來計算待檢測壓載水中的藻類生物數量。通過微流控技術，利用熒光法和感應法檢測壓載水中藻類、菌類濃度信息，并基于所獲得的檢測信息控制壓載水排放，從而實現壓載水的監測。

2.1 壓載水智能監測方法概述

壓載水智能監控系統如圖1所示，包括從壓載水排出管路中提取適量樣品的取樣單元；對樣品進行取樣檢測并輸出對應檢測信號的檢測單元；接收檢測信號并進行信號處理，輸出相應控制命令的分析單元；基于接收到的控制命令控制壓載水排出管路中壓載水流向的執行單元和存儲樣品檢測數據并進行顯示的存儲顯示單元。上述單元按照圖1所示的連接形式組成了壓載水智能排放系統的主體框架。

圖1 壓載水智能監控系統圖

2.2 壓載水智能監測方法詳述

2．2．1 取樣單元設計

取樣單元與壓載水排出管路相連通，在壓載水排出管路中提取適量樣品并輸送至檢測單元，取樣單元包括：與壓載水排出管路或稱為壓載水總管相連通的旁通管路，且在所述旁通管路入口上設置有能夠對流入旁通管路的樣品進行過濾的濾器；以及與所述旁通管路相連通的微泵，該微泵能夠提取過濾后的樣品通過樣品流道輸送至檢測單元。所述濾器的濾網的濾孔孔徑應當小于所述檢測單元樣品流道橫向尺寸，以濾除檢測單元無法處理的大顆粒進而保證通過的樣品中的藻類和菌類尺寸不會堵塞檢測單元通道，且濾器內部安裝有智能檢測濾器是否臟堵的壓差傳感器，該壓差傳感器用于智能測量濾器兩側壓差，當壓差達到一定值后，說明濾器堵塞嚴重需更換濾器，優選的所述壓差傳感器信號可以傳遞給存儲顯示單元，以發出報警或顯示警告標識，提醒使用人員更換濾器。

圖2 取樣單位結構原理圖

2．2．2 檢測單元設計

檢測單元與取樣單元相連接，對取樣單元送來的樣品進行取樣檢測并輸出對應的檢測信號。依據相關標準，包括用于藻類檢測的熒光檢測傳感器和用于菌類檢測的感應式傳感器，由于《2004年控制和管理船舶壓載水和沉積物國際公約》(以下簡稱為《壓載水公約》)要求藻類檢測不需要區分種類，而菌類檢測需要區分種類，因此設置一個用于藻類檢測的熒光檢測傳感器和三個用于菌類檢測的感應式傳感器，3 個感應式傳感器分別用于檢測大腸桿菌、腸球菌道、有毒霍亂弧菌數據即所述樣品經樣品流道進入檢測單元的四個檢測傳感器。如圖3所示，為保證檢測效果。熒光檢測傳感器中的熒光檢測光源、第一小孔光闌、第一濾光片、供樣品流通的熒光檢測微流控芯片、第二濾光片、第二小孔光闌以及光電接收器的中心位于同一條垂直線上。熒光檢測光源(采用激光器)發射光信號照射樣品。若樣品中存在藻類,則藻類的熒光素激發出熒光即樣品在流經第一樣品流道上檢測區時，藻類細胞中的熒光物質受激發會發出熒光照射到光電探測器或稱為光電接收器上，使其產生相應電信號并傳送給分析單元。

圖3 熒光檢測傳感器結構圖

菌類檢測感應式傳感器基于微流控技術得以實現。該技術通過一張芯片實現現場快速自動檢測壓載水中的藻類，使其在壓載水檢測領域成為熱點。微流控芯片技術可以把成千上萬甚至幾十萬個生命信息集成到一個很小的芯片上，在微米級的結構通道中完成生物化學處理和結合，該技術可以認為是集成于一張芯片上的小型生物技術實驗室。微流控基片包括凹刻有第二樣品流道的PDMS 芯片層、檢測電極上方的PDMS 涂層以及用于捕獲樣品中大腸桿菌、腸球菌或有毒霍亂弧菌等菌類抗原的抗體吸附層。當含有菌類抗原的船舶壓載水水樣流經抗體吸附層時，抗體會與抗原相結合，生成抗原-抗體復合體，從而會改變PDMS 涂層表面的電勢，在該過程中的這種電勢變化所產生的電信號，由PDMS 涂層下方的檢測銅電極檢測，由于檢測銅電極探查到的電勢變化與水樣中菌類抗原濃度成正比從而實現船舶壓載水水樣中菌類抗原濃度的檢測。

圖4 菌類檢測感應式傳感器縱向截面圖

2．2．3 分析單元設計

分析單元用于對接收到的檢測信號進行信號處理并輸出相應的控制命令。通過對電信號進行放大、濾波等處理，獲得該信號相對應的藻類或菌類濃度數據，微處理器依據上述電信號獲得相應的藻類和菌類的濃度信息，參考《壓載水公約》所設定的排放標準，分別設置與藻類以及每一種待檢菌類類型相匹配的濃度閾值，若所獲藻類和菌類濃度滿足《壓載水公約》的排放標準，則輸出控制執行機構使壓載水排放入海的指令，否則輸出控制執行機構使壓載水回流至壓載水艙指令。

2.3 壓載水檢測排放流程

壓載水智能排放流程如圖5所示，首先，通過取樣單元與壓載水排出管路相連通，自壓載水排出管路中提取適量樣品并輸送至檢測單元。其次，通過檢測單元對樣品進行取樣檢測并輸出對成的檢測信號，通過分析單元對接收到的檢測信號進行信號處理并輸出相應的控制命令（控制命令1：壓載水檢測結果不達標，關閉壓載水排放管路；控制命令2：壓載水檢驗結果達標，進行壓載水排放和數據監控）。接收控制命令的執行機構控制壓載水排出管路上的三通閥來改變壓載水的流向，同時存儲樣品檢測數據并進行顯示。

圖5 壓載水智能檢測排放流程圖

3 結論

壓載水管理屬于港口國控制的重要內容，但壓載水的高效快速檢測始終是行業難題。船舶壓載水的智能監測，能實現船舶壓載水現場高效快速的自動檢測，從而使船舶壓載水的排放更加安全合理。船舶壓載水的智能檢測技術將加快綠色船舶的建設，降低外來生物以壓載水為媒介對我國海洋生態環境產生的惡劣影響，保護港口海域生態系統的安全。