生化需氧量生物傳感器的製作方法

2023-07-28 09:53:31 1

專利名稱：生化需氧量生物傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於環境監測技術領域，特別涉及水質汙染監測中生化需氧量(BOD)快速測定分析儀器的結構設計。
傳感器是能感受規定的被測量物質並按照一定規律將其轉化成可用信號(主要是電信號)的器件或裝置，它通常由敏感元件、轉換元件及相應的機械結構和電子線路所組成。其中用生物體成分(酶、抗體、抗原、激素)或生物體本身(細胞、細胞器、組織)作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器。
進行水質汙染監測中生化需氧量(BOD)快速測定的生物傳感器主要由微生物和氧電極構成。它的測量原理為當測量室中不存在有機耗氧物質時，氧電極輸出一穩態電壓，該穩態電壓代表傳感器微生物的內源呼吸水平。加入測定水樣後，水樣中所存在的生物可降解有機物使微生物迅速轉為外源呼吸，消耗溶解氧，氧電極輸出電壓隨之下降至另一低水平穩態。兩穩態差值與被測水樣BOD濃度之間在一定範圍內成線形關係，因而藉此可進行BOD的快速測量。
BOD生物傳感器典型類型為夾層法。其構造如

圖1所示，是將吸附有微生物(13)的多孔膜(14)用O型環(15)固定在氧電極(11)聚四氟乙烯膜(12)的表面上。這樣，微生物就被夾在多孔膜(14)與聚四氟乙烯膜(12)兩層膜之間，所以稱之為夾層法。
這種結構存在著下面兩方面的問題其一，傳感器中氧電極測量的不是測試水樣中真實的溶解氧含量，而是擴散通過生物膜的氧量，使得電信號減弱了3-6個數量級。所以這種儀器不僅需要良好的測量環境，而且需要極其精確的溶解氧儀器的支持，這就使得整體傳感器的價格上升，達1萬美元以上。
其二，這種BOD測定儀器的測量範圍不僅受微生物自身代謝的制約，而且在很大程度上受包埋微生物的多孔膜的傳質控制，導致測量線形範圍低，一般僅能到幾十毫克／升，低於城市汙水的BOD水平，只能稀釋後再進行測量。
本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種生化需氧量(BOD)生物傳感器，使其具有對高精度溶解氧儀的依賴低，價格低，可改善傳質，擴大線形測量範圍，生物敏感材料可成批生產，並可重複使用，可用於野外測量要求並可提高測量的重現性等優點。
本發明提出的一種BOD生物傳感器，其構成如圖2所示，由敞口測量室(26)，固定化細胞(27)，溶解氧電極(21)，磁攪拌器(29)與磁攪拌子(28)，微量曝氣裝置(211)與曝氣管(210)組成。其中，磁攪拌子放置在測量室底部；微量曝氣裝置的曝氣軟管固定在溶解氧電極旁邊；溶解氧電極置於測量室中央；在每次測量開始時，測量室中均裝有一定體積的緩衝溶液，這起到對待測水樣的稀釋作用，並且可以調節pH值，對微生物起到保護作用。緩衝溶液可以採用沒有有機汙染物質和生物毒性物質存在的水或水溶液，例如磷酸鹽水溶液、去離子水、蒸餾水等。
本發明還可包括一恆溫裝置，所說的測量室置於該恆溫裝置中。恆溫裝置的作用是保證測量在一個穩定的溫度下進行，提高測量的穩定性。
本發明的特點及效果本發明的主要特點是在傳感器中採用固定化微生物顆粒與緩衝溶液或緩衝溶液與待測水樣的混合溶液通過磁力攪拌與微量曝氣達到迅速傳質和溶解氧平衡。這種測量方法改善了原有傳感器的不足之處，並達到了很好的效果。
本發明具有對高精度溶解氧儀的依賴低，價格低，可改善傳質，擴大線形測量範圍，生物敏感材料可成批生產，並可重複使用，可用於野外測量要求並可提高測量的重現性等優點。
實驗表明，測定得出的標準曲線有很好的線形關係，對於一組0~200的BOD標準溶液，本測量方法相關係數R2可達到0．9以上。
這種方法也具有良好的重現性。對於BOD50mg／L的標準溶液，日間測量8次，最大相對偏差為10．7％，小於5天生化需氧量標準稀釋測定法15％的相對偏差。
附圖簡要說明圖1夾層法BOD傳感器結構示意圖。
圖2本發明BOD傳感器結構示意圖。
圖3本發明的BOD傳感器實施例結構示意圖。
本發明提出的一種生化需氧量(BOD)生物傳感器實施例，並以該傳感器為核心組成的水質汙染監測系統如圖3所示，由(BOD)傳感器與數據記錄處理單元組成。其中，生化需氧量(BOD)生物傳感器包括恆溫水浴裝置(312)放置在TB-600梯度攪拌器(39)的上面，測量室(36)(容積為150ml)放置在水浴裝置中，磁攪拌子(38)放置在測量室底部。CTB-208微量曝氣泵(311)的曝氣軟管(310)由粘接劑固定在溶解氧電極(31)旁邊。溶解氧電極置於測量室中央。
在每次測量開始時，測量室中均裝有一定體積的緩衝溶液，這起到對待測水樣的稀釋作用，並且可以調節pH值，對微生物起到保護作用。恆溫水浴裝置的作用是保證測量在一個穩定的溫度下進行，提高測量的穩定性。磁攪拌器和微量曝氣裝置是用於測量室中溶液的混合，降低測量時間。
數據記錄處理單元主要是由YSI-58溶解氧測定儀(313)和數據採集卡(314)組成。YSI-58溶解氧測定儀(313)與溶解氧電極(31)相連，接收溶解氧電極輸出的電信號，可以監測測量室中水體的溶解氧變化，其變化就可以表徵水樣的BOD值。數據採集卡(314)採集溶解氧測定儀(313)所輸出的電信號，並將其儲存於計算機中，供後續處理使用。而計算機中存有數據處理所需程序，可將採集的數據換算成所測量的BOD值。
用本實驗裝置進行標準海水的BOD濃度的測定。
實驗步驟首先進行微生物絲孢酵母(Trichosporon cutaneum)的聚乙烯醇凝膠包埋。細胞溼重5g，懸浮於5mL 0．9％NaCl中，與12．5mL 10％的聚乙烯醇和1％的海藻酸鈉混合溶液相混合。然後用0．40mm ID的注射器滴加到冷卻的飽和硼酸與1％的CaCl2的混合溶液溶液中，使其形成2mm直徑的白色球型小珠，並在其中浸泡24h，然後用生理鹽水洗滌。上述配比可以保證固定化顆粒可以承受長時間一定強度的攪拌，滿足重複使用的要求。這種固定化細胞可乾燥後保存，使用前將其放入營養液中曝氣活化24小時即可用於測定，從而滿足批量生產和野外測量的要求。
將固定化顆粒與100mL去離子水混合液放置在敞口的150mL的測量小室中，用磁攪拌子與微量曝氣管進行攪拌和曝氣，曝氣強度為24L／h。混合液的溫度設定為25℃，pH為5，待其中溶解氧穩定後加入10mL待測溶液，直至溶解氧降至一新的穩定狀態。測量時間為15分鐘，恢復時間為30分鐘。
本組測量的BOD濃度為5、10、15、20、30、40、50，測量所達到的線形相關係數為0．94，滿足了實際海水在線測量的要求。
權利要求
1.一種BOD生物傳感器，其特徵在於，由敞口測量室(26)，固定化細胞(27)，溶解氧電極(21)，磁攪拌器(29)與磁攪拌子(28)，微量曝氣裝置(211)與曝氣管(210)組成；其中，磁攪拌子放置在測量室底部；微量曝氣裝置的曝氣管固定在溶解氧電極旁邊；溶解氧電極置於測量室中央；測量室中裝有緩衝溶液。
2.如權利要求1所述的BOD生物傳感器，其特徵在於，還包括一恆溫裝置，所說的測量室置於該恆溫裝置中。
全文摘要
本發明屬於環境監測技術領域,由測量室,固定化細胞,溶解氧電極,磁攪拌器與磁攪拌子,微量曝氣裝置與曝氣管組成;其中,磁攪拌子放置在測量室底部;微量曝氣裝置的曝氣管固定在溶解氧電極旁邊:溶解氧電極置於測量室中央;測量室中裝有緩衝溶液。本發明具有對高精度溶解氧儀的依賴低,價格低,可改善傳質,擴大線形測量範圍,生物敏感材料可成批生產,並可重複使用,可用於野外測量要求並可提高測量的重現性等優點。
文檔編號G01N27/327GK1293368SQ0013212
公開日2001年5月2日 申請日期2000年12月15日 優先權日2000年12月15日
發明者王建龍, 張悅, 施漢昌, 竺建榮 申請人:清華大學