一种微生物bod传感器及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种微生物bod传感器及其制备方法和应用 (Microbial BOD sensor and preparation method and application thereof ) 是由 张俣乐 吴晨硕 唐宇轩 于 2020-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种微生物BOD传感器,包括工作电极、对电极和参比电极,所述工作电极包括基础电极以及设于基础电极表面的修饰石墨烯和细胞糊；所述基础电极表面设有透析膜,所述透析膜包覆基础电极表面、修饰石墨烯及细胞糊。本发明基于石墨烯修饰电极的BOD传感器相较于传统BOD传感器具有更低的检测极限和更高的灵敏度,同时也提高了电极稳定性,能够更灵敏、更稳定地检测水体中溶解氧的含量。本发明还提供了一种微生物BOD传感器的制备方法和应用。(The invention provides a microbial BOD sensor which comprises a working electrode, a counter electrode and a reference electrode, wherein the working electrode comprises a basic electrode, and modified graphene and cell paste which are arranged on the surface of the basic electrode; and a dialysis membrane is arranged on the surface of the basic electrode, and the dialysis membrane covers the surface of the basic electrode, the modified graphene and the cell paste. Compared with the traditional BOD sensor, the BOD sensor based on the graphene modified electrode has lower detection limit and higher sensitivity, improves the stability of the electrode, and can detect the content of dissolved oxygen in a water body more sensitively and more stably. The invention also provides a preparation method and application of the microbial BOD sensor.)
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种微生物BOD传感器，本发明还涉及微生物BOD传感器的制备方法以及微生物BOD传感器在水体检测上的应用。
背景技术
生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand，BOD)是指存在于水中的微生物进行可生化降解有机物的反应过程中所消耗的溶解氧的数量。通常以毫克/升或百分率、ppm表示。在废水和污水中存有大量微生物，而微生物进行生化反应需要溶解氧，因此BOD是反映水中有机污染物含量的一个综合指标。BOD值越高，说明水体中有机污染物越多，水质污染越严重。
目前常用的检测BOD的方法主要是电极法和光谱法。电极法中，使用的氧电极容易非常容易受到环境影响并且检测极限较高、灵敏度也有限。在实际水体测试环境中，污水、废水常伴随较大的酸碱度波动和较大金属离子含量，常用电极容易受到水质环境影响而导致测试结果偏差大。
目前测定BOD的标准为HJ 505-2009《水质五日生化需氧量(BOD5)的测定稀释与接种法》和HJ/T 86-2002《水质生化需氧量(BOD)的测定微生物传感器快速测定法》，市面上最常见的BOD在线检测方法为电极法。包括微生物燃料电池的使用(专利号CN 101620201 A)和微生物膜修饰的电极的使用(专利号CN 103843184 A)，以及较新应用的二氧化钛修饰的电极的使用(专利号CN1774627B)，其中微生物膜电极传感器的使用最为普遍。
微生物膜电极法测量原理是当水样与微生物膜接触时，水样中溶解氧受到可生化降解的有机物与微生物膜接触而消耗，扩散到氧电极表面的氧含量减少。当水样中的可生化降解的有机物像微生物膜扩散的速度恒定时，此时扩散到氧电极的氧含量也恒定，电极之间产生恒定的电联。由于电流的大小与氧含量减少存在定量关系，可以通过实验和公式拟合计算，估计出水样中生化需氧量。
现有的微生物BOD传感器受水体环境影响较大(酸碱度、金属离子含量等)，并且检测灵敏度较差，标准方法可以容许的相对偏差为±15％。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种微生物BOD传感器，本发明还提供了一种微生物BOD传感器的制备方法及该微生物BOD传感器在水质生化需氧量测定上的应用，以解决现有微生物BOD传感器存在的受水体环境影响较大、检测灵敏度差等问题。
第一方面，本发明提供了一种微生物BOD传感器，包括工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极包括基础电极以及设于基础电极表面的修饰石墨烯和细胞糊；
所述基础电极表面设有透析膜，所述透析膜包覆基础电极表面、修饰石墨烯及细胞糊。
本发明使用石墨烯材料修饰电极，由于石墨烯特有的惰性响应及优异的导电性能，能够更好地适用于多因素水体测试。石墨烯的高导电性作为电极材料，加上石墨烯的催化能力，提供了介导电子转移反应能力。本发明基于石墨烯修饰电极的BOD传感器相较于传统BOD传感器具有更低的检测极限和更高的灵敏度，同时也提高了电极稳定性，能够更灵敏、更稳定地检测水体中溶解氧的含量。
石墨烯所修饰的电极为氧电极，因为在反应中通过微生物的耗氧量来估测BOD的值。对电极进行石墨烯材料修饰后，再覆涂一层固定的微生物膜，当微生物消耗分析水中溶解氧时，由于离子的迁移而产生的电位变化，通过电流改变反映水体中微生物消耗溶解氧的含量。石墨烯电极具有更高的灵敏度和更低的检测极限，输出的信号与检测的水样中生物需氧量BOD的值成线性关系，由此快速检测水样中生物需氧量BOD的值。
本发明使用石墨烯修饰电极，提高了电极在不同环境中的稳定性，测试结果受酸碱度和金属离子影响较小，同时，由于石墨烯的高导电性，对于微量的待测物的浓度改变更为敏感，能够更灵敏的捕捉水体中有机物浓度变化，也能够检测到更低浓度的有机物含量(检测极限约10倍提升)。
优选的，所述细胞糊为酿酒酵母细胞糊。
优选的，所述对电极为Pt电极，所述参比电极为AgCl参比电极，所述基础电极为玻碳电极。
第二方面，本发明还提供了一种微生物BOD传感器的制备方法，包括以下步骤：
提供基础电极并采用氧化铝粉末对基础电极表面抛光，对基础电极进行超声清洗后转移至氧化石墨烯的PBS溶液中，对氧化石墨烯的PBS溶液除氧，将基础电极采用循环伏安法扫描，制得石墨烯修饰的电极；
将石墨烯修饰的电极表面涂覆细胞糊并干燥，再利用透析膜覆盖石墨烯修饰的电极的表面，制得工作电极；
提供对电极和参比电极，结合所述工作电极组装成微生物BOD传感器。
本发明第二方面微生物BOD传感器的制备方法具有步骤简单、成本低等优点，可用于大规模工业化生产。微生物BOD传感器的制备方法利用现有的工作电极进行改进，通过简单的电吸附即能制备石墨烯修饰的电极，再通过涂覆细胞糊并覆盖上半透膜，制得工作电极。
优选的，在所述氧化石墨烯的PBS溶液中，氧化石墨烯的浓度为0.5～2mg/mL，PBS的浓度为0.01～0.15mol/L，所述氧化石墨烯的PBS溶液的pH值为9～10。
优选的，所述循环伏安法扫描的范围为-1.5～0.5V，所述循环伏安法扫描的扫描范围为10～30mV/s。
优选的，对基础电极进行超声清洗的具体操作为：将基础电极依次置于无水乙醇和二次去离子水中超声清洗，超声功率为100～300W，超声时间为0.5～1h。
第三方面，本发明还提供了一种如本发明第一方面所述的微生物BOD传感器在水质生化需氧量测定上的应用。
本发明微生物BOD传感器应用于水质生化需氧量测定时，具有更快的检测速率、更高的灵敏度和更低的检测极限，输出的信号与检测的水样中生物需氧量BOD的值成线性关系。
本发明的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。
附图说明
为更清楚地阐述本发明的内容，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。
图1为本发明一实施方式提供的微生物BOD传感器的结构示意图；
图2为本发明另一实施方式提供的微生物BOD传感器响应电流与BOD浓度的校准曲线关系图。
具体实施方式
以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
第一方面，本发明提供了一种微生物BOD传感器，包括工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极包括基础电极以及设于基础电极表面的修饰石墨烯和细胞糊；
所述基础电极表面设有透析膜，所述透析膜包覆基础电极表面、修饰石墨烯及细胞糊。
优选的，所述细胞糊为酿酒酵母细胞糊。
优选的，所述对电极为Pt电极，所述参比电极为AgCl参比电极，所述基础电极为玻碳电极。
第二方面，本发明还提供了一种微生物BOD传感器的制备方法，包括以下步骤：
提供基础电极并采用氧化铝粉末对基础电极表面抛光，对基础电极进行超声清洗后转移至氧化石墨烯的PBS溶液中，对氧化石墨烯的PBS溶液除氧，将基础电极采用循环伏安法扫描，制得石墨烯修饰的电极；
将石墨烯修饰的电极表面涂覆细胞糊并干燥，再利用透析膜覆盖石墨烯修饰的电极的表面，制得工作电极；
提供对电极和参比电极，结合所述工作电极组装成微生物BOD传感器。
优选的，在所述氧化石墨烯的PBS溶液中，氧化石墨烯的浓度为0.5～2mg/mL，PBS的浓度为0.01～0.15mol/L，所述氧化石墨烯的PBS溶液的pH值为9～10。
优选的，所述循环伏安法扫描的范围为-1.5～0.5V，所述循环伏安法扫描的扫描范围为10～30mV/s。
优选的，对基础电极进行超声清洗的具体操作为：将基础电极依次置于无水乙醇和二次去离子水中超声清洗，超声功率为100～300W，超声时间为0.5～1h。
第三方面，本发明还提供了一种如本发明第一方面所述的微生物BOD传感器在水质生化需氧量测定上的应用。
微生物BOD传感器的制备方法及制得的微生物BOD传感器参见实施例1。
实施例1
一种微生物BOD传感器的制备方法，包括以下步骤：
提供玻碳电极作为基础电极并采用平均细度为0.05μm的氧化铝粉末对基础电极进行表面抛光，然后依次在无水乙醇和二次去离子水中超声清洗，超声功率为150W，超声时间为0.5h，超声清洗结束后转移到室温下干燥。将基础电极转移至氧化石墨烯的PBS溶液中，其中氧化石墨烯的浓度为1mg/mL，PBS的浓度为0.05mol/L，氧化石墨烯的PBS溶液的pH值为9.18。通入氮气以除去氧化石墨烯的PBS溶液中的氧气，采用循环伏安法以20mV/s的扫描速率在-1.5～0.5V电位范围内扫描若干个循环，制得石墨烯修饰的电极。石墨烯独特的二维平面共轭结构能与DA等带有芳香基团的生物分子产生π-π相互作用而发生电子转移，从而有利于对其进行电化学检测。
将蒸馏水涂抹在石墨烯修饰的电极(工作电极)的表面，将酿酒酵母细胞糊均匀地涂抹在石墨烯修饰的电极的表面，干燥后在工作电极表面覆盖上透析膜，浸没在水中用橡胶圈固定，制得工作电极。以石墨烯修饰的工作电极、Ag/AgCl为参比电极和铂丝为对电极的三电极系统组建成微生物BOD传感器。
如图1所示，该微生物BOD传感器包括工作电极1(具体为实施例1制备的工作电极)、对电极(Pt对电极)和参比电极(Ag/AgCl参比电极)。其中，工作电极1包括基础玻碳电极以及设于玻碳电极表面的修饰石墨烯和细胞糊，玻碳电极表面还设有透析膜，透析膜包覆整个玻碳电极表面、修饰石墨烯及细胞糊。
效果实施例：
以实施例1制备的微生物BOD传感器用于测定水质生化需氧量。将实施例1制备的微生物BOD传感器置于1L蒸馏水中，稳定10分钟，进行较准。所得电流曲线稳定后，设为基线。再用导气管向水中以1L/min速度通入氧气，并利用水泵循环10分钟，此时水中溶解氧含量维持在10mg/L，待微生物进行生化反应消耗溶解氧时，获得电化学检测电流A0。再将实施例1制备的微生物BOD传感器置于待测10mg/L的BOD的样品溶液中，利用水泵循环10分钟，此时水中溶解氧含量维持在10mg/L，待微生物进行生化反应消耗溶解氧时，获得电化学检测电流A1。通过A2-A1除去空白背景影响，得到微生物BOD传感器工作时的电流大小。在同样的实验条件下，分别测试在不同浓度BOD样品溶液(20mg/L、40mg/L、80mg/L、160mg/L)下微生物BOD传感器工作时的电化学检测电流An。通过以在微生物BOD传感器在待测溶液与蒸馏水中电流的差值An-A0作为纵坐标，BOD浓度为横坐标做曲线并拟和数据，发现电化学检测电流与BOD标准浓度值存在良好的线性关系(图2)，说明我们制备的微生物BOD传感器可以用于水质BOD的电化学检测。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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