專利名稱：生化需氧量生物傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)中生化需氧量(BOD)快速測(cè)定分析儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量物質(zhì)并按照一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)化成可用信號(hào)(主要是電信號(hào))的器件或裝置，它通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(xì)胞、細(xì)胞器、組織)作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器。
進(jìn)行水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)中生化需氧量(BOD)快速測(cè)定的生物傳感器主要由微生物和氧電極構(gòu)成。它的測(cè)量原理為當(dāng)測(cè)量室中不存在有機(jī)耗氧物質(zhì)時(shí)，氧電極輸出一穩(wěn)態(tài)電壓，該穩(wěn)態(tài)電壓代表傳感器微生物的內(nèi)源呼吸水平。加入測(cè)定水樣后，水樣中所存在的生物可降解有機(jī)物使微生物迅速轉(zhuǎn)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(wěn)態(tài)。兩穩(wěn)態(tài)差值與被測(cè)水樣BOD濃度之間在一定范圍內(nèi)成線形關(guān)系，因而藉此可進(jìn)行BOD的快速測(cè)量。
BOD生物傳感器典型類型為夾層法。其構(gòu)造如

圖1所示，是將吸附有微生物(13)的多孔膜(14)用O型環(huán)(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(jié)構(gòu)存在著下面兩方面的問(wèn)題其一，傳感器中氧電極測(cè)量的不是測(cè)試水樣中真實(shí)的溶解氧含量，而是擴(kuò)散通過(guò)生物膜的氧量，使得電信號(hào)減弱了3-6個(gè)數(shù)量級(jí)。所以這種儀器不僅需要良好的測(cè)量環(huán)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(jià)格上升，達(dá)1萬(wàn)美元以上。
其二，這種BOD測(cè)定儀器的測(cè)量范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(zhì)控制，導(dǎo)致測(cè)量線形范圍低，一般僅能到幾十毫克／升，低于城市污水的BOD水平，只能稀釋后再進(jìn)行測(cè)量。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)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(duì)高精度溶解氧儀的依賴低，價(jià)格低，可改善傳質(zhì)，擴(kuò)大線形測(cè)量范圍，生物敏感材料可成批生產(chǎn)，并可重復(fù)使用，可用于野外測(cè)量要求并可提高測(cè)量的重現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提出的一種BOD生物傳感器，其構(gòu)成如圖2所示，由敞口測(cè)量室(26)，固定化細(xì)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(cè)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；溶解氧電極置于測(cè)量室中央；在每次測(cè)量開(kāi)始時(shí)，測(cè)量室中均裝有一定體積的緩沖溶液，這起到對(duì)待測(cè)水樣的稀釋作用，并且可以調(diào)節(jié)pH值，對(duì)微生物起到保護(hù)作用。緩沖溶液可以采用沒(méi)有有機(jī)污染物質(zhì)和生物毒性物質(zhì)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(fā)明還可包括一恒溫裝置，所說(shuō)的測(cè)量室置于該恒溫裝置中。恒溫裝置的作用是保證測(cè)量在一個(gè)穩(wěn)定的溫度下進(jìn)行，提高測(cè)量的穩(wěn)定性。
本發(fā)明的特點(diǎn)及效果本發(fā)明的主要特點(diǎn)是在傳感器中采用固定化微生物顆粒與緩沖溶液或緩沖溶液與待測(cè)水樣的混合溶液通過(guò)磁力攪拌與微量曝氣達(dá)到迅速傳質(zhì)和溶解氧平衡。這種測(cè)量方法改善了原有傳感器的不足之處，并達(dá)到了很好的效果。
本發(fā)明具有對(duì)高精度溶解氧儀的依賴低，價(jià)格低，可改善傳質(zhì)，擴(kuò)大線形測(cè)量范圍，生物敏感材料可成批生產(chǎn)，并可重復(fù)使用，可用于野外測(cè)量要求并可提高測(cè)量的重現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)驗(yàn)表明，測(cè)定得出的標(biāo)準(zhǔn)曲線有很好的線形關(guān)系，對(duì)于一組0~200的BOD標(biāo)準(zhǔn)溶液，本測(cè)量方法相關(guān)系數(shù)R2可達(dá)到0．9以上。
這種方法也具有良好的重現(xiàn)性。對(duì)于BOD50mg／L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，日間測(cè)量8次，最大相對(duì)偏差為10．7％，小于5天生化需氧量標(biāo)準(zhǔn)稀釋測(cè)定法15％的相對(duì)偏差。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1夾層法BOD傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明BOD傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3本發(fā)明的BOD傳感器實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明提出的一種生化需氧量(BOD)生物傳感器實(shí)施例，并以該傳感器為核心組成的水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖3所示，由(BOD)傳感器與數(shù)據(jù)記錄處理單元組成。其中，生化需氧量(BOD)生物傳感器包括恒溫水浴裝置(312)放置在TB-600梯度攪拌器(39)的上面，測(cè)量室(36)(容積為150ml)放置在水浴裝置中，磁攪拌子(38)放置在測(cè)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。溶解氧電極置于測(cè)量室中央。
在每次測(cè)量開(kāi)始時(shí)，測(cè)量室中均裝有一定體積的緩沖溶液，這起到對(duì)待測(cè)水樣的稀釋作用，并且可以調(diào)節(jié)pH值，對(duì)微生物起到保護(hù)作用。恒溫水浴裝置的作用是保證測(cè)量在一個(gè)穩(wěn)定的溫度下進(jìn)行，提高測(cè)量的穩(wěn)定性。磁攪拌器和微量曝氣裝置是用于測(cè)量室中溶液的混合，降低測(cè)量時(shí)間。
數(shù)據(jù)記錄處理單元主要是由YSI-58溶解氧測(cè)定儀(313)和數(shù)據(jù)采集卡(314)組成。YSI-58溶解氧測(cè)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(hào)，可以監(jiān)測(cè)測(cè)量室中水體的溶解氧變化，其變化就可以表征水樣的BOD值。數(shù)據(jù)采集卡(314)采集溶解氧測(cè)定儀(313)所輸出的電信號(hào)，并將其儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中，供后續(xù)處理使用。而計(jì)算機(jī)中存有數(shù)據(jù)處理所需程序，可將采集的數(shù)據(jù)換算成所測(cè)量的BOD值。
用本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)海水的BOD濃度的測(cè)定。
實(shí)驗(yàn)步驟首先進(jìn)行微生物絲孢酵母(Trichosporon cutaneum)的聚乙烯醇凝膠包埋。細(xì)胞濕重5g，懸浮于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。然后用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，并在其中浸泡24h，然后用生理鹽水洗滌。上述配比可以保證固定化顆?？梢猿惺荛L(zhǎng)時(shí)間一定強(qiáng)度的攪拌，滿足重復(fù)使用的要求。這種固定化細(xì)胞可干燥后保存，使用前將其放入營(yíng)養(yǎng)液中曝氣活化24小時(shí)即可用于測(cè)定，從而滿足批量生產(chǎn)和野外測(cè)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(cè)量小室中，用磁攪拌子與微量曝氣管進(jìn)行攪拌和曝氣，曝氣強(qiáng)度為24L／h。混合液的溫度設(shè)定為25℃，pH為5，待其中溶解氧穩(wěn)定后加入10mL待測(cè)溶液，直至溶解氧降至一新的穩(wěn)定狀態(tài)。測(cè)量時(shí)間為15分鐘，恢復(fù)時(shí)間為30分鐘。
本組測(cè)量的BOD濃度為5、10、15、20、30、40、50，測(cè)量所達(dá)到的線形相關(guān)系數(shù)為0．94，滿足了實(shí)際海水在線測(cè)量的要求。
權(quán)利要求
1.一種BOD生物傳感器，其特征在于，由敞口測(cè)量室(26)，固定化細(xì)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(cè)量室底部；微量曝氣裝置的曝氣管固定在溶解氧電極旁邊；溶解氧電極置于測(cè)量室中央；測(cè)量室中裝有緩沖溶液。
2.如權(quán)利要求1所述的BOD生物傳感器，其特征在于，還包括一恒溫裝置，所說(shuō)的測(cè)量室置于該恒溫裝置中。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域,由測(cè)量室,固定化細(xì)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(cè)量室底部;微量曝氣裝置的曝氣管固定在溶解氧電極旁邊:溶解氧電極置于測(cè)量室中央;測(cè)量室中裝有緩沖溶液。本發(fā)明具有對(duì)高精度溶解氧儀的依賴低,價(jià)格低,可改善傳質(zhì),擴(kuò)大線形測(cè)量范圍,生物敏感材料可成批生產(chǎn),并可重復(fù)使用,可用于野外測(cè)量要求并可提高測(cè)量的重現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N27/327GK1293368SQ0013212
公開(kāi)日2001年5月2日 申請(qǐng)日期2000年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月15日
發(fā)明者王建龍, 張悅, 施漢昌, 竺建榮 申請(qǐng)人:清華大學(xué)