本发明专利技术公开了一种甲烷气体薄层介质电化学生物传感器及其制备方法，该生物传感器包括对电极，对电极一端预留一段用于检测甲烷时连接电化学工作站，其余外部包裹有电解纸，电解纸的外部缠绕有碳纤维单丝，其中，碳纤维单丝的一端悬空用于检测甲烷时连接电化学工作站，碳纤维单丝上附着有甲烷氧化菌。本发明专利技术采用电化学方法检测甲烷浓度，避免了热导方法的高温条件，在常温溶液条件下，充分保证了安全性。本发明专利技术采用甲烷氧化菌作为生物催化剂，利用了生物催化过程的高度专一性和高度选择性的特性，提高了对甲烷气体的检测选择性与灵敏度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属于煤矿瓦 斯浓度监测与天燃气泄露检测
技术介绍
我国国民经济建设的主要动力能源是煤炭，其占我国能源全部结构的70%以上。 目前，我国记录在册的煤矿共有2. 6万个，所有煤矿都是瓦斯矿井，其中一半以上属于高瓦 斯矿井。煤矿的开采都会受到一定条件的限制，包括自然地质条件、井下开釆条件、矿工技 能条件和装备等，因此煤矿开采存在安全可靠性差、安全事故发生率高等问题，其中最为严 重的是瓦斯事故。瓦斯事故的频频发生阻碍了煤炭事业的发展，给伤亡矿工家庭的经济和 心理带来了很大的伤害，同时影响了矿区以及社会环境的和谐发展。另外，我国煤炭的生产 状况与世界其他国家相比还存在很大的差距。因此，大力发展煤矿瓦斯治理的科学研究，保 障瓦斯煤矿安全生产具有非常重要的意义。 矿井煤层构成中有害气体的总称就是煤矿瓦斯，煤矿瓦斯以甲焼（CH4)为主。瓦斯 爆炸事故的发生多数都是由于瓦斯浓度监测不准确造成的，如安徽潘三煤矿的"11. 13瓦 斯爆炸事故"、黑龙江宝兴煤矿的"11. 1瓦斯爆炸事故"、辽宁龙凤煤矿的"5. 28瓦斯爆炸事 故"等。瓦斯事故是煤矿安全生产的主要威胁之一，瓦斯会爆炸导致矿毁人亡，瓦斯浓度过 高也会导致人员缺氧室息，甚至死亡。瓦斯的爆炸界限为5%~16%，在一定条件下当瓦斯 浓度达到爆炸界限值就会与空气中的氧气发生剧烈的化学反应从而引起瓦斯爆炸。因此， 加强对矿井下瓦斯浓度的准确监测可以有效地降低煤矿事故率的发生。 气体的检测包含气体浓度测量及其组分分析等主要内容，其衡量办法也是千差万 另IJ，按照检验原理主要可以分为两个大部分：光谱法和非光谱法。光谱法主要包括红外吸收 光谱法、可调谐激光光谱法、激光光声光谱法等。非光谱法囊括半导体气敏法、催化点燃法、 光干涉法、光离子化法、气相色谱法等。 目前我国矿井现场使用的瓦斯监测的仪器主要有催化燃烧式甲烷检测仪，热导式 甲烷检测仪，传统光干涉式甲烷检测仪。但是这些仪器往往具有计数不方便，精确性差，调 零过程复杂，受环境变化影响大的缺点。还有一些采用瓦斯监测系统，但是由于其系统复杂 性高，安装不便，只能应用于矿井的后端，在前方施工处不能做到及时监测的作用，所以还 是需要更实用的便携式甲烷气体检测仪。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种甲烷气体薄层介质电化学生物传感器及 其制备方法，能够有效解决现有甲烷检测仪定量精确性差、操作与调零过程复杂、成本高， 存在高温或燃烧等安全隐患设计的问题。 为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是提供一种甲烷气体薄层介质电化 学生物传感器，包括对电极，对电极一端预留一段用于检测甲烷时连接电化学工作站，其余 外部包裹有电解纸，电解纸的外部缠绕有碳纤维单丝，其中，碳纤维单丝的一端悬空用于检 测甲烷时连接电化学工作站，碳纤维单丝上附着有甲烷氧化菌。 所述对电极为铂丝或碳棒。 所述钼丝长5_7cm，直径0· 3-lmm。 所述碳棒长 5_7cm，直径 0· 1-0. 5cm。 本专利技术所采用的技术方案还在于提供一种甲烷气体薄层介质电化学生物传感器 的制备方法，包括以下步骤： (1)挑取甲烷氧化菌菌种接种于液体培养基，密封，28-32Γ条件下培养18-23d， 再将菌种培养液与液体培养基按照体积比1:200的比例混合，密封，在28-32°C条件下培养 6-9d ； (2)将碳纤维束置于丙酮中浸泡5-20min，除去碳纤维束表面胶质涂层，用水清 洗，烘干；再置于浓硝酸中常温氧化10_30min，取出，用水清洗，烘干，得到碳纤维单丝； (3)将步骤⑵的碳纤维单丝浸没在步骤⑴的甲烷氧化菌液体培养基中5-10d， 取出； (4)取对电极在质量分数10%氢氧化钠溶液中超声5-25min，用水清洗，再在体积 分数10-35 %盐酸中超声5-25min，用水清洗，烘干； (5)在步骤⑷的对电极外包裹上电解纸，并在含有体积分数5 %甲醇的 0. 001-0. 01M磷酸二氢钠一磷酸氢二钠缓冲溶液中浸泡，使电解纸吸附缓冲溶液； (6)将步骤（3)的碳纤维单丝缠绕在电解纸外部即得。 所述甲烷氧化菌的分离筛选方法为： (1)取垃圾填埋场的覆土，土样深度为l〇cm ; (2)将土样加入水中，土样与水的质量比为1:2,搅拌，过滤，取滤液； (3)将滤液接种至液体培养基中，密封，按照空气体积的10%加入甲烷气体，并向 液体培养基中通入与液体培养基等体积的甲烷气体，在28-32Γ条件下培养6-9d ; (4)将步骤（3)的培养液涂布在固体培养基中，将固体培养基置于含空气体积 10%甲烷的空气中，在28-32Γ条件下培养6-9d，分离鉴定，得到甲烷氧化菌。 所述液体培养基为质量分数计：NaN03 0. 1%、NH4C1 0. 025%、ΚΗ2Ρ04 0 . 0 26%、 EDTA 0.001 %、MgS04 0 . 05 %、Κ2ΗΡ04 0 . 05 %、CaCl2 0.02 %、FeS04 0 . 00 2 %、ZnS040· 7ppm、CuS04 0· lppm、MnS04 0· 3ppm、NaMo04 0· 25ppm、HB03 0· lppm。 步骤⑴中密封后，按照空气体积的10%加入甲烷气体，并向液体培养基中通入 与液体培养基等体积的甲烷气体。 步骤（5)中包裹的电解纸为1-5层。 本专利技术有益效果 (1)本专利技术采用电化学方法检测甲烷浓度，避免了热导方法的高温条件，在常温溶 液条件下，充分保证了安全性。 (2)本专利技术采用甲烷氧化菌作为生物催化剂，利用了生物催化过程的高度专一性 和高度选择性的特性，提高了对甲烷气体的检测选择性与灵敏度。 (3)本专利技术采用了电解纸浸泡电解质溶液作为电解薄层介体的电化学结构，由于 毛细现象作用和甲烷氧化菌的亲水作用，电解纸中浸泡的电解质溶液接触微米级的碳纤维 及附着在碳纤维上的甲烷氧化菌后能够浸润碳纤维及碳纤维表面的甲烷氧化菌，便甲烷氧 化菌表面覆盖一层电解质液膜，使甲烷气体分子很容易穿透液膜而接触甲烷氧化菌。这种 方法解决了常规电化学方法因检测体系都在溶液中而无法检测难溶性气体的问题，既保证 了电化学体系能够在电解质溶液中工作，即保证电解质中电流的传导，又增加了甲烷气体 与甲烷氧化菌的接触，使气体能够穿过甲烷氧化菌表面的液膜，充分接触甲烷氧化菌从而 被氧化。 (4)本专利技术采用碳纤维附载甲烷氧化菌作为工作电极，充分利用了碳纤维的以下 几个特征：(a)良好的导电性；(b)良好的柔韧性；（c)微米级的直径，直径细而均一，有着 非常大的比表面积；（d)良好的生物兼容性，能够使甲烷氧化菌在其表面保持良好的生物 活性。 (5)本专利技术新颖独特，结构和方法上都有着很大的创新性，克服了现有甲烷检测方 法结构和方法上的缺点，简单合理，适用条件更加宽泛，便于小型化与家用化推广。本专利技术 在方法上的创新既避免了危险气体检测中传统热导法的潜在危险，又避免了传统检测方法 中存在的零点漂移和复杂繁琐的调零过程。本专利技术在结构上的创新既保证了电化学方法必 需在电解质溶液中的要求，又保证了难溶性气体与电化学电极的接触。本专利技术操作简单，数 据呈现性好装置制造和运行成本低廉，真正实现了甲烷气体检测的实时化，小型化，和生本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种甲烷气体薄层介质电化学生物传感器，包括对电极，其特征在于，对电极一端预留一段用于检测甲烷时连接电化学工作站，其余外部包裹有电解纸，电解纸的外部缠绕有碳纤维单丝，其中，碳纤维单丝的一端悬空用于检测甲烷时连接电化学工作站，碳纤维单丝上附着有甲烷氧化菌。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：谷保祥，王喜英，周继军，刘碧波，曹志林，
申请(专利权)人：河南工程学院，
类型：发明
国别省市：河南;41
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