本實用新型涉及船舶壓載水檢測領(lǐng)域，具體說是涉及一種船舶壓載水實時檢測及排放監(jiān)控裝置。

背景技術(shù)：

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(jīng)被全球環(huán)境基金組織確定為世界海洋的四大威脅之一。為應(yīng)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《船舶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(guī)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＂

目前處理壓載水的常用方法主要有置換法、機械法、物理法、化學(xué)法、生物法、復(fù)合法，各個國家都希望能夠盡早的找到處理壓載水的有效方法。壓載水置換方法在可排海域中用大量新鮮海水稀釋或替換艙內(nèi)的貯存壓載水，以長時間循環(huán)實現(xiàn)壓載水的稀釋置換；但是此方法無法徹底更換壓載水，置換海水用量很大；機械法主要利用壓載水和海生物兩者物理特性的差異進行有效的分離，存在的缺點是對個體較小的微生物和病毒等生物體處理效果不顯著；物理法主要有紫外光照、超聲處理等，紫外線處理裝置對微小的海洋細菌、微生物殺滅效果非常有效，但是對于滅活較大尺寸的有害浮游動植物效果并不理想，并且海洋浮游植物存在光修復(fù)的能力，容易重新繁殖；化學(xué)方法主要是利用化學(xué)殺菌劑、消毒劑及強氧化性物質(zhì)滅活壓載水中的水生生物。主要方法是電解法和臭氧法。同時，電解法和臭氧法也存在一定的缺點，氯氣產(chǎn)生的有機面素化合物具有致癌性，二氧化氯和臭氧又易分解，并且電解海水產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)容易腐蝕船艙和設(shè)備；生物方法處理壓載水，主要的原理是利用生物間的競爭關(guān)系，即通過引入與原有壓載水?dāng)y帶的浮游生物具有競爭關(guān)系的新生物物種，或是利用現(xiàn)代科學(xué)的生物技術(shù)來改變生物體的基因，達到抑制外來生物入侵。但加入新物種，及基因技術(shù)的應(yīng)用能否帶來不利的影響因素，尚不清楚；復(fù)合法是指消除各種技術(shù)的局限性并利用不同方法優(yōu)勢的協(xié)同作用處理壓載水。

壓載水處理結(jié)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(tǒng)的生物檢測方法是培養(yǎng)計數(shù)法，該方法廣泛應(yīng)用在水生生物數(shù)量、種群研究等方面，但是需要通過肉眼判斷海洋生物的存活狀態(tài)，耗時較長。隨著各種生物檢測技術(shù)不斷地發(fā)展，出現(xiàn)了一些新型的檢測方法。流式細胞術(shù)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的檢測，它可以高速分析上萬個細胞，但是所需要的檢測劑量很少、價格昂貴、且設(shè)備龐大，并不適合壓載水的實際檢測；三磷酸腺苷生物發(fā)光技術(shù)原理是，在三磷酸腺苷作用下，熒光霉素氧化生成的D-熒光素，通過測定熒光強度推算出樣品中活體數(shù)，但是海水中成分較復(fù)雜，對發(fā)光檢測會造成一定的影響，且檢測時間相對較長；溶液電阻法是使微生物通過電檢測微孔道，造成檢測孔道中電阻變化，檢測電阻抗的變化脈沖即可達到生物技術(shù)目的；葉綠素?zé)晒夥ㄊ峭ㄟ^測定光激發(fā)的葉綠素所產(chǎn)生的熒光判斷細胞活性，可作為探針研究光合作用的機理。近年來隨著葉綠素?zé)晒饫碚摵蜏y定技術(shù)的完善和進步，也推動了通過葉綠素?zé)晒夥▽υ寮毎难芯?。但是目前的藻類、菌類檢測技術(shù)還沒有應(yīng)用到壓載水檢測和排放控制中。

隨著芬蘭于2016年9月8日簽約加入壓載水公約，使該公約的簽約國增加至52個國家，商船總噸位已達到世界商船總噸位的35.1441％，壓載水公約生效條件已經(jīng)滿足，所以壓載水公約將于2017年9月8日生效。截至2016年9月，中國政府尚未加入《壓載水公約》。我國既是港口大國，又是船旗大國，隨著壓載水生效日期的確定，開發(fā)出壓載水準(zhǔn)確檢測和排放控制的裝置迫在眉睫。目前國內(nèi)外還沒有出現(xiàn)基于微流控技術(shù)的壓載水監(jiān)控裝置，本實驗室基于微流控平臺，在壓載水檢測領(lǐng)域進行了多年的探索。

微流控技術(shù)可以通過一張芯片實現(xiàn)現(xiàn)場快速自動檢測壓載水中的藻類，使其在壓載水檢測領(lǐng)域成為熱點。微流控芯片技術(shù)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(jié)構(gòu)通道中完成生物化學(xué)處理和結(jié)合，該技術(shù)可以認為是集成于一張芯片上的小型生物技術(shù)實驗室。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于已有技術(shù)存在的缺陷，本實用新型的目的是要提供一種壓載水實時排放監(jiān)控裝置，該裝置基于熒光法和感應(yīng)法檢測所得壓載水中藻類、菌類濃度信息，并能夠基于所獲得的檢測信息控制壓載水的排放。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案是：

一種壓載水實時排放監(jiān)控裝置，其特征在于，該裝置包括：

與壓載水排出管路相連通的取樣單元，該取樣單元能夠自壓載水排出管路中提取適量樣品并輸送至檢測單元；

與所述取樣單元相連接的檢測單元，該檢測單元能夠?qū)悠愤M行取樣檢測并輸出對應(yīng)的檢測信號，且所述檢測單元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(yīng)式傳感器；

與所述檢測單元相連接的分析單元，該分析單元能夠?qū)邮盏降臋z測信號進行信號處理并輸出相應(yīng)的控制命令；

受控于所述分析單元的執(zhí)行機構(gòu)，該執(zhí)行機構(gòu)依據(jù)接收到的控制命令進行動作，以控制壓載水排出管路中壓載水的流向；

與所述分析單元相連接的存儲顯示單元，該存儲顯示單元能夠存儲樣品檢測數(shù)據(jù)并進行顯示。

進一步的，作為本實用新型的優(yōu)選方案

所述取樣單元包括：與壓載水排出管路相連通的旁通管路，且所述旁通管路上設(shè)置有能夠?qū)α魅氲臉悠愤M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?qū)⑦^濾后的樣品輸送至檢測單元。

進一步的，作為本實用新型的優(yōu)選方案

所述濾器的濾孔孔徑小于所述檢測單元第一樣品流道及第二樣品流道的橫向尺寸中的最小尺寸值，且內(nèi)部安裝有壓差傳感器

進一步的，作為本實用新型的優(yōu)選方案

所述熒光檢測傳感器包括暗室，所述暗室內(nèi)自上至下依次設(shè)置熒光檢測光源、第一小孔光闌、第一濾光片、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且所述熒光檢測微流控芯片上凹刻有供樣品流通的第一樣品流道。

進一步的，作為本實用新型的優(yōu)選方案

所述菌類檢測感應(yīng)式傳感器包括微流控芯片，且所述微流控芯片具有：

底片、被設(shè)置于所述底片上的微流控基片以及被設(shè)置于所述底片與微流控基片之間的檢測電極；

所述微流控基片包括凹刻有第二樣品流道的PDMS芯片層、被設(shè)置于檢測電極上方的PDMS涂層以及被設(shè)置于所述檢測電極與樣品通道重疊區(qū)域所對應(yīng)的PDMS涂層上、用于捕獲樣品中的菌類抗原的抗體吸附層。

進一步的，作為本實用新型的優(yōu)選方案

所述抗體吸附層為與待檢測抗原類型相對應(yīng)的抗體溶液在PDMS涂層表面經(jīng)自然風(fēng)干所形成的吸附層。

進一步的，作為本實用新型的優(yōu)選方案

所述檢測電極為檢測銅電極。

進一步的，作為本實用新型的優(yōu)選方案

所述執(zhí)行機構(gòu)包括設(shè)置于壓載水排出管路上的三通閥。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果：

1.本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)船舶壓載水藻類和菌類濃度的實時、快速、準(zhǔn)確檢測；

2.本實用新型通過檢測壓載水中藻類和菌類濃度信息，進而控制壓載水流向，使壓載水的檢測和排放控制有效結(jié)合起來，可改變現(xiàn)有技術(shù)中船舶壓載水檢測和排放控制分離的現(xiàn)狀；

3.本實用新型為船舶管理人員提供了詳細的壓載水實時檢測信息，有利于更好地實現(xiàn)壓載水的排放管理。

附圖說明

圖1為本實用新型所述壓載水實時排放監(jiān)控系統(tǒng)圖；

圖2為取樣單元結(jié)構(gòu)原理圖；

圖3為熒光檢測傳感器結(jié)構(gòu)圖；

圖4為菌類檢測的感應(yīng)式傳感器縱向截面圖；

圖5為菌類檢測的感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)圖；

圖6為大腸桿菌檢測的單個脈沖信號實例圖；

圖7為不同濃度大腸桿菌檢測信號和濃度間的關(guān)系圖；

圖中：1、壓載水總管，2、旁通管路，3、濾器，4、樣品流道，41、第一樣品流道，42、第二樣品流道，5、檢測單元，6、微泵，7、熒光檢測光源，8、第一小孔光闌，9第一濾光片，10、熒光檢測微流控芯片，11、第二濾光，12、第二小孔光闌，13、光電接收器，14、暗室，15、菌類檢測微流控芯，16、檢測銅電極，17、底片，18、抗體吸附層，19、PDMS涂層,20、PDMS芯片層。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本實用新型進行進一步詳細說明。

如圖1-圖5所示，本實用新型所述壓載水實時排放監(jiān)控裝置包括：取樣單元、檢測單元、分析單元、執(zhí)行機構(gòu)、存儲顯示單元；

其中所述取樣單元與壓載水排出管路相連通，其用于自壓載水排出管路中提取適量樣品并輸送至檢測單元；具體的如圖2所示，所述取樣單元包括：與壓載水排出管路或稱為壓載水總管1相連通的旁通管路2，且在所述旁通管路2入口上設(shè)置有能夠?qū)α魅肱酝ü苈返臉悠愤M行過濾的濾器3；以及與所述旁通管路相連通的微泵6，該微泵能夠提取過濾后的樣品通過樣品流道4輸送至檢測單元。作為優(yōu)選方案，所述濾器的濾網(wǎng)的濾孔孔徑應(yīng)當(dāng)小于所述檢測單元第一樣品流道41的橫向尺寸且小于第二樣品流道42的橫向尺寸，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檢測單元通道，且濾器內(nèi)部安裝有實時檢測濾器是否臟堵的壓差傳感器，該壓差傳感器用于實時測量濾器兩側(cè)壓差，當(dāng)壓差達到一定值后，說明濾器堵塞嚴重需更換濾器，優(yōu)選的所述壓差傳感器信號可以傳遞給存儲顯示單元，以發(fā)出報警或顯示警告標(biāo)識，提醒使用人員更換濾器。

所述檢測單元與所述取樣單元相連接，其能夠?qū)θ訂卧蛠淼臉悠愤M行取樣檢測并輸出對應(yīng)的檢測信號；依據(jù)檢測藻類和菌類濃度的需要，則所述檢測單元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(yīng)式傳感器；具體的如圖3所示，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(qū)分種類，而菌類檢測需要區(qū)分種類，因此本例設(shè)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(yīng)式傳感器，3個感應(yīng)式傳感器分別用于檢測大腸桿菌、腸球菌、有毒霍亂弧菌數(shù)據(jù)即所述樣品經(jīng)樣品流道進入檢測單元的四個檢測傳感器。進一步的如圖4所示，所述熒光檢測傳感器包括暗室14，所述暗室內(nèi)自上至下依次設(shè)置熒光檢測光源7、第一小孔光闌8、第一濾光片9、熒光檢測微流控芯片10、第二濾光片11、第二小孔光闌12以及光電接收器13，且所述熒光檢測微流控芯片上凹刻有供樣品流通的第一樣品流道41；其中熒光檢測光源(采用激光器)發(fā)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(fā)出熒光即樣品在流經(jīng)第一樣品流道41上檢測區(qū)時，藻類細胞中的熒光物質(zhì)受激發(fā)會發(fā)出熒光照射到光電探測器或稱為光電接收器13上，光電接收器13會產(chǎn)生相應(yīng)電信號并傳送給分析單元；同時上述熒光檢測光源7、第一小孔光闌8、第一濾光片9、供樣品流通的熒光檢測微流控芯片10、第二濾光片11、第二小孔光闌12以及光電接收器13的中心最好位于同一條垂直線上，以保證檢測效果。進一步的如圖5所示，各所述感應(yīng)式傳感器均包括微流控芯片，且所述微流控芯片具有：底片17、被設(shè)置于所述底片17上的微流控基片-PDMS基片以及被設(shè)置于所述底片與微流控基片之間的檢測電極-檢測銅電極16；所述微流控基片包括凹刻有第二樣品流道42的PDMS芯片層20、被設(shè)置于檢測電極上方的PDMS涂層19以及被設(shè)置于所述檢測電極與樣品通道重疊區(qū)域所對應(yīng)的PDMS涂層上、用于捕獲船舶壓載水水樣中的菌類抗原的抗體吸附層18。其中，所述檢測銅電極粘貼在底片上；所述PDMS涂層其厚度可以為幾百微米厚，優(yōu)選的其可通過在所述檢測銅電極25所在區(qū)域上方旋涂有一層幾百微米厚的PDMS涂層獲得；所述抗體吸附層為與待檢測抗原類型相對應(yīng)的抗體溶液在PDMS涂層表面經(jīng)自然風(fēng)干所形成的吸附層，吸附是指抗體溶液自然風(fēng)干后會使抗體吸附在PDMS涂層表面，抗原類型包括大腸桿菌、腸球菌或有毒霍亂弧菌；上述菌類檢測感應(yīng)式傳感器的設(shè)計原理：由于檢測電極上方的PDMS涂層表面吸附有抗體即所述抗體吸附層，則此時PDMS涂層表面的電勢計為V₀；當(dāng)含有菌類抗原的船舶壓載水水樣流經(jīng)抗體吸附層時，抗體會與抗原相結(jié)合，生成抗原-抗體復(fù)合體，從而會改變PDMS涂層19表面的電勢(此時的電勢計為V₁)，如圖6，在該過程中的這種電勢變化所產(chǎn)生的電信號，由PDMS涂層下方的檢測銅電極檢測，同時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，如圖7，則可以方便快捷地實現(xiàn)船舶壓載水水樣中菌類抗原濃度的檢測，上述檢測過程的工作原理為電容充放電的原理，抗體吸附層與檢測銅電極相當(dāng)于電容器的兩個電極，中間隔著的PDMS涂層相當(dāng)于電解質(zhì)。

所述分析單元與所述檢測單元相連接，其用于對接收到的檢測信號進行信號處理并輸出相應(yīng)的控制命令，所述的信號處理包括對電信號進行放大、濾波等處理，并獲得該信號相對應(yīng)的藻類或菌類濃度數(shù)據(jù)，依據(jù)所獲得濃度數(shù)據(jù)輸出控制信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。具體的，所述分析單元包括對電信號進行放大的差分放大器、對放大的電信號進行濾波處理的濾波器、微處理器及與所述執(zhí)行機構(gòu)相連接的繼電器；優(yōu)選的所述微處理器依據(jù)上述電信號獲得相應(yīng)的藻類和菌類的濃度信息(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，則可通過實驗獲得兩者間的對應(yīng)關(guān)系曲線進而獲得藻類和菌類的濃度信息)，并輸出與所獲濃度信息相匹配的控制命令；優(yōu)選的，可以分別設(shè)置與藻類以及每一種待檢菌類類型相匹配的濃度閾值，具體閾值選取可參考《壓載水公約》所設(shè)定的排放標(biāo)準(zhǔn)；若所獲藻類和菌類濃度滿足《壓載水公約》的排放標(biāo)準(zhǔn)，則輸出控制執(zhí)行機構(gòu)使壓載水排放入海的指令，否則則輸出控制執(zhí)行機構(gòu)使壓載水回流至壓載水艙指令。

所述執(zhí)行機構(gòu)受控于所述分析單元，其能夠依據(jù)接收到的控制命令進行動作，以控制壓載水排出管路中壓載水的流向；具體的，所述執(zhí)行機構(gòu)包括但不限于設(shè)置于壓載水排出管路上的三通閥，該三通閥可與入海管路連接；若分析單元檢測所得濃度滿足對應(yīng)的濃度閾值(濃度閾值設(shè)定參考《壓載水公約》標(biāo)準(zhǔn))，則將壓載水排放入海，若不滿足則控制三通閥切換流向，使壓載水回流至壓載水艙重新處理。

所述存儲顯示單元與所述分析單元相連接，其能夠存儲壓載水樣品檢測數(shù)據(jù)并進行顯示。如可通過顯示器、打印機顯示給使用人員。

綜上所述，本實用新型所述壓載水實時監(jiān)控裝置具有實時性，其能夠便捷地在壓載水排放過程中實時檢測壓載水中藻類和菌類濃度；且兼具檢測和排放控制兩方面內(nèi)容，可根據(jù)實時檢測所得濃度信息，控制壓載水的流向。

本實用新型具體工作過程如下：

首先，通過取樣單元從壓載水總管中提取壓載水樣本送給檢測單元；通過檢測單元的熒光檢測傳感器和感應(yīng)式傳感器檢測，將包含藻類和菌類濃度信息的電信號送給分析單元；分析單元通過對檢測單元送來的電信號進行信號處理，獲得藻類和菌類在壓載水中的濃度，并依據(jù)《壓載水公約》的排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置相應(yīng)的濃度閾值，當(dāng)藻類和菌類濃度滿足《壓載水公約》標(biāo)準(zhǔn)時，控制執(zhí)行機構(gòu)的三通閥，使壓載水排放入海，當(dāng)濃度不滿足《壓載水公約》標(biāo)準(zhǔn)時，控制執(zhí)行機構(gòu)三通閥使壓載水回流至壓載水艙。

以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本實用新型的技術(shù)方案及其實用新型構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。