基于生物阳极/普鲁士蓝阴极的自供能可视化检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于生物阳极/普鲁士蓝阴极的自供能可视化检测方法，属于水体检测技术领域。解决了如何提供一种简化了检测设备，降低了能源的消耗，操作简便，响应更灵敏，检测结果可视化，检测成本更低的水体检测方法的问题。该方法先制备生物阳极和PB/ITO片，然后构建生物传感器，分别检测标准液和检测液，利用普鲁士蓝膜独特的电致变色性能及可逆的氧化还原行为，根据阳极微生物(酶)活性监测水体毒性、有机物浓度和生化需氧量的变化，水体对阳极微生物(酶)活性的影响可以完全表现在普鲁士蓝膜颜色变化的快慢及程度上，辅助紫外光谱仪或者荧光光谱仪还可以计算出毒性抑制率、有机物浓度和生化需氧量。

【技术实现步骤摘要】
基于生物阳极/普鲁士蓝阴极的自供能可视化检测方法
本专利技术属于水体检测
，具体涉及一种基于生物阳极/普鲁士蓝阴极的自供能可视化检测方法。
技术介绍
近几十年来，随着我国工、农业的快速发展和污染物的过度排放，以及各种污染物在环境中迁移转化形成复合污染物，环境污染问题日益突出，水污染问题尤为严重，直接危害到人类健康和生态安全。为了应对这一严峻挑战，各种水体综合毒性检测、监测的技术迅速发展，成为人们监测水环境是否污染，并判断受污染程度的重要手段。其中，微生物种群数量大，生长周期短，对环境变化的敏感性高，具有与高等动物类似的物理化学特性以及酶作用过程等特点，因而适合开发省时、低耗、无道德争议的快速生物学毒性测试方法，尤其适合开发小型便携式水体毒性检测设备。近年来，各种类型的微生物被用作毒性检测的受试体，例如发光细菌，电化学活性菌，甚至普通的微生物等，基于微生物的毒性检测方法受到了广泛的关注。而基于电化学活性菌的微生物燃料电池(microbialfuelcell,MFC)的专利技术为水体毒性检测研究提供了新的手段。MFC是一种以产电微生物为阳极催化剂，将化学能直接转化成电能的装置。目前，对MFC的研究主要集中在产电，有机污水处理，环境生物修复，野外电源及传感器等领域的开发。Kim等率先将MFC引入至水体生物毒性的检测，包括有机磷化合物、多氯联苯、重金属如铅和汞，目前已研制出世界上第一台基于MFC的水体生物毒性检测仪(HATOX-2000)，它采用双室型MFC作为核心部件，阴极以溶解氧为最终电子受体，阴极氧还原反应(ORR)采用Pt/C催化剂，氧气还原按4电子途径进行，催化效率很高。但是，HATOX-2000存在以下不足：(1)阴极室需要连续曝气，能源消耗大；(2)缓慢的反应动力学以及催化剂的毒化会降低阴极电位和MFC的整体效率；(3)Pt储量稀少，价格高昂，成本高；(4)结构复杂，操作繁琐；(5)需要昂贵的电化学检测仪器，野外检测携带不方便；(6)检测结果肉眼不可见。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种基于生物阳极/普鲁士蓝阴极的自供能可视化检测方法，该方法不仅简化了水体检测设备，降低了能源的消耗，而且操作简便，响应更灵敏，检测结果可视化，检测成本更低。本专利技术解决上述技术问题采取的技术方案如下。基于生物阳极/普鲁士蓝阴极的自供能可视化检测方法，步骤如下：步骤一、在阳极上富集稳定的产电菌或酶，得到生物阳极；步骤二、在ITO基底上沉积普鲁士蓝，得到PB/ITO片；步骤三、取双室生物传感器，先用2～200mM铁氰化钾溶液清洗阴极室，清洗液清洗阳极室，然后将阴极和步骤一得到的生物阳极分别置于阴极室和阳极室中，且阴极和生物阳极分别连接在负载电阻的两端，数据采集器的两端也连接电阻两端，再向阳极室加入标准液，阴极室加入2～200mM铁氰化钾溶液，当数据采集器显示的电压/电流上升至稳定状态，断开电路；步骤四、先取出阳极室和阴极室内的溶液，用清洗液清洗阳极室，并向阳极室加入与步骤三相同的标准液，用阴极电解液清洗阴极室，并向阴极室加入阴极电解液，然后取一片PB/ITO片，测试其吸光度Abs0后，用该PB/ITO片替换阴极，对阳极室除氧后，连接电路，反应1～80s后取出PB/ITO片，用去离子水冲洗，氮气吹干，测试其吸光度Abscon，计算吸光度变化δAbscon＝Abs0-Abscon；步骤五、断开电路，先取出阳极室和阴极室内的溶液，用清洗液清洗阳极室，并向阳极室加入检测液，用阴极电解液清洗阴极室，并向阴极室加入阴极电解液，然后取另外一片PB/ITO片，测试其吸光度Abs0'，用该PB/ITO片替换阴极，对阳极室除氧后，连接电路，再反应与步骤四相同时间后取出PB/ITO片，用去离子水冲洗，氮气吹干，立即测试其吸光度Absx，计算吸光度变化δAbsx＝Abs0'-Absx；步骤六、按照公式(1)计算抑制率I，依据抑制率I判断待测水样的毒性(如是否有毒、毒性大小、毒性总类等)；I＝(1-δAbsx/δAbscon)×100％(1)式中，δAbscon是阳极溶液为标准液时PB/ITO片还原后的紫外吸光度变化值，δAbsx是阳极溶液为检测液时PB/ITO片还原后的紫外吸光度变化值；所述步骤三-步骤五中，阳极室内加入的液体体积相等，阴极室内加入的液体体积相等，阴极电解液为pH＝6的0.1MKCl和0.1MKH2PO4的水溶液；标准液为有机物、磷酸盐、微量元素、维生素和去离子水的混合物；清洗液为不含有机物的标准液；检测液为以待测水样替换去离子水的标准液。进一步的，将步骤四-步骤六替换为：步骤四、先取出阳极室和阴极室内的溶液，用清洗液清洗阳极室，并向阳极室加入与步骤三相同的标准液，用阴极电解液清洗阴极室，并向阴极室加入阴极电解液，然后用一片PB/ITO片替换阴极，对阳极室除氧后，连接电路，反应1～80s后取出PB/ITO片，用去离子水冲洗，氮气吹干，观察其颜色；步骤五、断开电路，先取出阳极室和阴极室内的溶液，用清洗液清洗阳极室，并向阳极室加入检测液，用阴极电解液清洗阴极室，并向阴极室加入阴极电解液，然后用另一片PB/ITO片替换阴极，对阳极室除氧后，连接电路，再反应与步骤四相同时间后取出PB/ITO片，用去离子水冲洗，氮气吹干，观察其颜色；步骤六、将步骤四阳极溶液为标准液时PB/ITO片还原后的颜色和步骤五阳极溶液为检测液时PB/ITO片还原后的颜色进行比较，进而判断检测液的毒性；所述步骤三-步骤五中，阳极室内加入的液体体积相等，阴极室内加入的液体体积相等，阴极电解液为pH＝6的0.1MKCl和0.1MKH2PO4的水溶液；标准液为有机物、磷酸盐、微量元素、维生素和去离子水的混合物；清洗液为不含有机物的标准液；检测液为以待测水样替换去离子水的标准液。进一步的，将步骤四-步骤六替换为：步骤四、4.1先取出阳极室和阴极室内的溶液，用清洗液清洗阳极室，并向阳极室加入与步骤三相同的标准液，用阴极电解液清洗阴极室，并向阴极室加入阴极电解液，然后取一片PB/ITO片，测试其吸光度Abs0后，用该PB/ITO片替换阴极，对阳极室除氧后，连接电路，反应1～80s后取出PB/ITO片，用去离子水冲洗，氮气吹干，测试其吸光度Abs(a)，计算吸光度变化δAbs(a)＝Abs0-Abs(a)；4.2多次重复4.1，以有机物浓度为单一变量检测有机物浓度不同的标准液，用有机物浓度不同的标准液得到的不同颜色PB/ITO片制作比色卡，并且以有机物浓度为横坐标，吸光度变化为纵坐标作标准曲线，得到线性方程(2)：y＝bx+c(2)式中，b为线性方程的斜率，c为线性方程的截距；步骤五、断开电路，先取出阳极室和阴极室内的溶液，用清洗液清洗阳极室，并向阳极室加入检测液，用阴极电解液清洗阴极室，并向阴极室加入阴极电解液，然后取另外一片PB/ITO片，测试其吸光度Abs0'，用该PB/ITO片替换阴极，对阳极室除氧后，连接电路，再反应与步骤四相同时间后取出PB/ITO片，用去离子水冲洗，氮气吹干，立即测试其吸光度Absx，计算吸光度变化δAbs(x)＝Abs0'-Absx；步骤六、对照比色卡或者依据线性方程(2)，得到检测液的有机物浓度，进而计算出待测水样的有机物浓度；所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于生物阳极/普鲁士蓝阴极的自供能可视化检测方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、在阳极上富集稳定的产电菌或酶，得到生物阳极；步骤二、在ITO基底上沉积普鲁士蓝，得到PB/ITO片；步骤三、取双室生物传感器，先用2～200mM铁氰化钾溶液清洗阴极室，清洗液清洗阳极室，然后将阴极和步骤一得到的生物阳极分别置于阴极室和阳极室中，且阴极和生物阳极分别连接在负载电阻的两端，数据采集器的两端也连接电阻两端，再向阳极室加入标准液，阴极室加入2～200mM铁氰化钾溶液，当数据采集器显示的电压/电流上升至稳定状态，断开电路；步骤四、先取出阳极室和阴极室内的溶液，用清洗液清洗阳极室，并向阳极室加入与步骤三相同的标准液，用阴极电解液清洗阴极室，并向阴极室加入阴极电解液，然后取一片PB/ITO片，测试其吸光度Abs0后，用该PB/ITO片替换阴极，对阳极室除氧后，连接电路，反应1～80s后取出PB/ITO片，用去离子水冲洗，氮气吹干，测试其吸光度Abscon，计算吸光度变化δAbscon＝Abs0‑Abscon；步骤五、断开电路，先取出阳极室和阴极室内的溶液，用清洗液清洗阳极室，并向阳极室加入检测液，用阴极电解液清洗阴极室，并向阴极室加入阴极电解液，然后取另外一片PB/ITO片，测试其吸光度Abs0'，用该PB/ITO片替换阴极，对阳极室除氧后，连接电路，再反应与步骤四相同时间后取出PB/ITO片，用去离子水冲洗，氮气吹干，立即测试其吸光度Absx，计算吸光度变化δAbsx＝Abs0'‑Absx；步骤六、按照公式(1)计算抑制率I，依据抑制率I判断待测水样的毒性；I＝(1‑δAbsx/δAbscon)×100％  (1)式中，δAbscon是阳极溶液为标准液时PB/ITO片还原后的紫外吸光度变化值，δAbsx是阳极溶液为检测液时PB/ITO片还原后的紫外吸光度变化值；所述步骤三‑步骤五中，阳极室内加入的液体体积相等，阴极室内加入的液体体积相等，阴极电解液为pH＝6的0.1M KCl和0.1M KH2PO4的水溶液；标准液为有机物、磷酸盐、微量元素、维生素和去离子水的混合物；清洗液为不含有机物的标准液；检测液为以待测水样替换去离子水的标准液。...

【技术特征摘要】
1.基于生物阳极/普鲁士蓝阴极的自供能可视化检测方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、在阳极上富集稳定的产电菌或酶，得到生物阳极；步骤二、在ITO基底上沉积普鲁士蓝，得到PB/ITO片；步骤三、取双室生物传感器，先用2～200mM铁氰化钾溶液清洗阴极室，清洗液清洗阳极室，然后将阴极和步骤一得到的生物阳极分别置于阴极室和阳极室中，且阴极和生物阳极分别连接在负载电阻的两端，数据采集器的两端也连接电阻两端，再向阳极室加入标准液，阴极室加入2～200mM铁氰化钾溶液，当数据采集器显示的电压/电流上升至稳定状态，断开电路；步骤四、先取出阳极室和阴极室内的溶液，用清洗液清洗阳极室，并向阳极室加入与步骤三相同的标准液，用阴极电解液清洗阴极室，并向阴极室加入阴极电解液，然后取一片PB/ITO片，测试其吸光度Abs0后，用该PB/ITO片替换阴极，对阳极室除氧后，连接电路，反应1～80s后取出PB/ITO片，用去离子水冲洗，氮气吹干，测试其吸光度Abscon，计算吸光度变化δAbscon＝Abs0-Abscon；步骤五、断开电路，先取出阳极室和阴极室内的溶液，用清洗液清洗阳极室，并向阳极室加入检测液，用阴极电解液清洗阴极室，并向阴极室加入阴极电解液，然后取另外一片PB/ITO片，测试其吸光度Abs0'，用该PB/ITO片替换阴极，对阳极室除氧后，连接电路，再反应与步骤四相同时间后取出PB/ITO片，用去离子水冲洗，氮气吹干，立即测试其吸光度Absx，计算吸光度变化δAbsx＝Abs0'-Absx；步骤六、按照公式(1)计算抑制率I，依据抑制率I判断待测水样的毒性；I＝(1-δAbsx/δAbscon)×100％(1)式中，δAbscon是阳极溶液为标准液时PB/ITO片还原后的紫外吸光度变化值，δAbsx是阳极溶液为检测液时PB/ITO片还原后的紫外吸光度变化值；所述步骤三-步骤五中，阳极室内加入的液体体积相等，阴极室内加入的液体体积相等，阴极电解液为pH＝6的0.1MKCl和0.1MKH2PO4的水溶液；标准液为有机物、磷酸盐、微量元素、维生素和去离子水的混合物；清洗液为不含有机物的标准液；检测液为以待测水样替换去离子水的标准液。2.根据权利要求1所述的基于生物阳极/普鲁士蓝阴极的自供能可视化检测方法，其特征在于，将步骤四-步骤六替换为：步骤四、先取出阳极室和阴极室内的溶液，用清洗液清洗阳极室，并向阳极室加入与步骤三相同的标准液，用阴极电解液清洗阴极室，并向阴极室加入阴极电解液，然后用一片PB/ITO片替换阴极，对阳极室除氧后，连接电路，反应1～80s后取出PB/ITO片，用去离子水冲洗，氮气吹干，观察其颜色；步骤五、断开电路，先取出阳极室和阴极室内的溶液，用清洗液清洗阳极室，并向阳极室加入检测液，用阴极电解液清洗阴极室，并向阴极室加入阴极电解液，然后用另一片PB/ITO片替换阴极，对阳极室除氧后，连接电路，再反应与步骤四相同时间后取出PB/ITO片，用去离子水冲洗，氮气吹干，观察其颜色；步骤六、将步骤四阳极溶液为标准液时PB/ITO片还原后的颜色和步骤五阳极溶液为检测液时PB/ITO片还原后的颜色进行比较，进而判断检测液的毒性；所述步骤三-步骤五中，阳极室内加入的液体体积相等，阴极室内加入的液体体积相等，阴极电解液为pH＝6的0.1MKCl和0.1MKH2PO4的水溶液；标准液为有机物、磷酸盐、微量元素、维生素和去离子水的混合物；清洗液为不含有机物的标准液；检测液为以待测水样替换去离子水的标准液。3.根据权利要求1所述的基于生物阳极/普鲁士蓝阴极的自供能可视化检测方法，其特征在于，将步骤四-步骤六替换为：步骤四、4.1先取出阳极室和阴极室内的溶液，用清洗液清洗阳极室，并向阳极室加入与步骤三相同的标准液，用阴极电解液清洗阴极室，并向阴极室加入阴极电解液，然后取一片PB/ITO片，测试其吸光度Abs0后，用该PB/ITO片替换阴极，对阳极室除氧后，连接电路，反应1～80s后取出PB/ITO片，用去离子水冲洗，氮气吹干，测试其吸光度Abs(a)，计算吸光度变化δAbs(a)＝Abs0-Abs(a)；4.2多次重复4.1，以有机物浓度为单一变量检测有机物浓度不同的标准液，用有机物浓度不同的标准液得到的不同颜色PB/ITO片制作比色卡，并且以有机物浓度为横坐标，吸光度变化为纵坐标作标准曲线，得到线性方程(2)：y＝bx+c(2)式中，b为线性方程的斜率，c为线性方程的截距；步骤五、断开电路，先取出阳极室和阴极室内的溶液，用清洗液清洗阳极室，并向阳极室加入检测液，用阴极电解液清洗阴极室，并向阴极室加入阴极电解液，然后取另外一片PB/ITO片，测试其吸光度Abs0'，用该PB/ITO片替换阴极，对阳极室除氧后，连接电路，再反应与步骤四相同时间后取出PB/ITO片，用去离子水冲洗，氮气吹干，立即测试其吸光度Absx，计算吸光度变化δAbs(x)＝Abs0'-Absx；步骤六、对照比色卡或者依据线性方程(2)，得到检测液的有机物浓度，进而计算出待测水样的有机物浓度；所述步骤三-步骤五中，阳极室内加入的液体体积相等，阴极室内加入的液体体积相等，阴极电解液为pH＝6的0.1MKCl和0.1MKH2PO4的水溶液；标准液为有机物、磷酸盐、微量元素、维生素和去离子水的混合物；清洗液为不含有机物的标准液；检测液为以待测水样替换去离子水的标准液，且待测水样与标准液仅含有唯一种类的有机物，且两者的有机物相同。4.根据权利要求1所述的基于生物阳极/普鲁士蓝阴极的自供能可视化检测方法，其特征在于，将步骤四-步骤六替换为：步骤四、4.1先取出阳极室和阴极室内的溶液，用清洗液清洗阳极室，并向阳极...

【专利技术属性】
技术研发人员：余登斌，董绍俊，章慧，白露，李婷，刘长宇，翟俊峰，刘玲，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22