一种用于检测微囊藻毒素的自供能传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于检测微囊藻毒素的自供能传感器，包括光阳极﹑光阴极﹑模拟太阳光光源﹑电解质溶液﹑石英反应池﹑空气通气口和微囊藻毒素标准浓度溶液；所述光阳极和光阴极插入装有电解质溶液的石英反应池，并通过外部电路连通，其中光阴极靠近空气通气口；所述光源同时照射光阳极和光阴极；其特征在于，所述的电解质溶液为pH＝4～6的磷酸盐缓冲溶液，所述光阳极和光阴极在光照射条件下产生的自偏压的驱动下，所构建的双光电极驱动的光助燃料电池体系，形成电流通路，产生电能。本发明专利技术的传感器避免了外加电源的使用；将双光电极驱动光助燃料电池技术用于构建自供能传感平台，不仅提高了能量利用效率，还降低了自供能传感器的制作成本。

A Self-powered Sensor for Detecting Microcystins

The invention discloses a self-powered sensor for detecting microcystins, including a photocathode, a photocathode, a simulated solar light source, an electrolyte solution, a quartz reaction tank, an air vent and a standard concentration solution of microcystins; the photocathode and the photocathode are inserted into a quartz reaction tank containing an electrolyte solution and connected through an external circuit, in which the photocathode is close to the air. The light source illuminates both the photocathode and the photocathode at the same time. The electrolyte solution is a phosphate buffer solution with pH=4-6. Driven by the self-bias voltage generated by the photocathode and the photocathode under the condition of photocathode irradiation, the photocathode-driven photocathode-assisted fuel cell system is constructed, which forms a current path and generates electric energy. The sensor of the invention avoids the use of an external power supply, and uses the technology of double photoelectrode driven photofuel cell to construct a self-powered sensing platform, which not only improves the energy utilization efficiency, but also reduces the manufacturing cost of the self-powered sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种用于检测微囊藻毒素的自供能传感器
本专利技术涉及一种用于检测蓝藻毒素微囊藻毒素自供能传感器，具体涉及一种双光电极驱动光催化燃料电池的制备方法，属于光催化燃料电池和传感领域。
技术介绍
自供能电化学传感器指不需要传统电池或交流电源，直接从环境中获得能量的一类新型传感器，由于其能够摆脱外加能源限制自行产生信号实现检测，大大简化了传感器的制备过程、降低了检测的费用，非常有利于传感器向小型化、集成化方向发展。目前自供能电化学传感器研究主要是通过生物质燃料电池的途径实现的。生物质燃料电池只实现了生物质能与电能之间单一的能源转换，而目前在能源及其相关领域的研究中，综合利用各种能源(如光能﹑生物质能和化学能等)，构建全新﹑高效﹑稳定﹑廉价的多维能源转化燃料电池已成为热点研究方向。新兴的光驱动燃料电池将光响应成分引入到燃料电池中，可以同时实现光能/电能和化学能/电能的双重转化，从而有效提高能源利用效率，是未来能源转换装置的发展方向，在实际应用方面具有重要意义和广阔前景。现有的大多数光助燃料电池仍需要借助生物辅助成分(如酶﹑微生物等)，这就给燃料电池在操作条件﹑制备成本等方面带来了考验。另外一方面，目前，对于光电极材料的选择上还主要局限于二氧化钛(TiO2)﹑碲化镉(CdTe)等经典的半导体纳米材料，但这些材料在能量利用效率和稳定性方面还不甚理想。此外，对于双光电极驱动的光助燃料电池的构建，一个先决条件即光阳极的费米能级应高于光阴极。这就给光阳极和光阴极材料的筛选和制备提出了更多的限制和要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种制备自供能检测蓝藻毒素微囊藻毒素的传感器的方法，该方法基于光催化燃料电池技术，采用TiO2纳米材料为光阳极，溴化氧铋修饰的氮杂石墨烯(NG-BiOBr)纳米材料为光阴极，构建双光电极驱动的光助燃料电池，用于构建新型自供能传感器，解决了现有自供能电化学传感器主要借助生物质燃料电池技术，成本较高﹑操作条件严苛等问题，以及目前光助燃料电池能量转换效率低的技术问题。为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案以解决其技术问题：一种用于检测微囊藻毒素的自供能传感器，包括光阳极﹑光阴极﹑模拟太阳光光源﹑电解质溶液﹑石英反应池﹑空气通气口和微囊藻毒素标准浓度溶液。所述光阳极和光阴极插入装有电解质溶液的石英反应池，并通过外部电路连通，其中光阴极靠近空气通气口；所述光源同时照射光阳极和光阴极；所述的电解质溶液为pH＝4～6的磷酸盐缓冲溶液，所述光阳极和光阴极在光照射条件下产生的自偏压的驱动下，所构建的双光电极驱动的光助燃料电池体系，形成电流通路，产生电能。所述的光阳极是TiO2修饰的氧化铟锡(俗称ITO)电极；光阴极是NG-BiOBr修饰的ITO电极。所述的光阳极TiO2和光阴极纳米材料(NG-BiOBr)的制备方法如下：光阳极纳米材料TiO2采用水热法制备：首先，将钛酸四丁酯[TiO(C4H9O)4]溶于硝酸(HNO3)溶液中得到硝酸氧钛[TiO(NO3)2]溶液，然后将TiO(NO3)2溶液转移至聚四氟乙烯为里衬的反应釜中，160～200℃下反应12h，自然冷却后经离心、超纯水和无水乙醇洗涤处理反应产物，最后将其置于60℃条件下干燥，得到光阳极纳米材料TiO2。其中，所述HNO3溶液的浓度为6mol/L；所述HNO3和TiO(C4H9O)4的用量的体积比为5～10:1。光阴极纳米材料NG-BiOBr采用水热法制备：首先，将五水合硝酸铋(Bi(NO3)3·5H2O)溶于超纯水中，用稀HNO3溶液将其pH值调至3，备用；另外，将氮杂石墨烯(NG)分散于十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液中超声混合均匀；然后，将前述Bi(NO3)3·5H2O的酸溶液缓慢滴入NG和CTAB混合溶液中，将上述混合液转入圆底烧瓶中于60～120℃油浴反应3h。反应完成后，将制备的沉淀物用乙醇和超纯水分别洗涤3次，80℃干燥，得到光阴极NG-BiOBr纳米材料。其中，所用溶剂超纯水的体积用量为：每0.12gBi(NO3)3·5H2O所用溶剂超纯水的量为50mL，所述CTAB溶液的浓度为8×10-3mol/L；所述CTAB和Bi(NO3)3·5H2O的摩尔比为1:1，所述NG和Bi(NO3)3·5H2O质量比为：0.8～4.5mg:0.12g，所述超声混合时间为0.5h。本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术提供了一种自供能传感器用于检测微囊藻毒素，该传感器避免了外加电源的使用，传感器自身即供能平台，非常有利于传感器的微型化和便携性的发展；(2)本专利技术将双光电极驱动光助燃料电池技术用于构建自供能传感平台，不仅提高了能量利用效率，还大大降低了自供能传感器的制作成本，可以展望其有着非常好的应用前景。附图说明图1为自供能微囊藻毒素传感器的结构图；图2为自供能微囊藻毒素传感器的检测示意图；图3为构建的光助自供能传感平台的微囊藻毒素(MC-LR)浓度与V-I的相关性图；图4为构建的光助自供能传感平台的微囊藻毒素(MC-LR)浓度与P-I曲线的相关性图；图5为最大输出功率Pmax与对应微囊藻毒素浓度的线性相关曲线图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。一种用于检测微囊藻毒素的自供能传感器，其结构示意图如图1所示，包括光阳极﹑光阴极﹑模拟太阳光光源﹑电解质溶液﹑石英反应池﹑空气通气口和微囊藻毒素标准浓度溶液。所述光阳极和光阴极插入装有电解质溶液的石英反应池，并通过外部电路连通，其中光阴极靠近空气通气口；所述光源同时照射光阳极和光阴极；其特征在于所述的电解质溶液为pH＝4～6的磷酸盐缓冲溶液，所述光阳极和光阴极在光照射条件下产生的自偏压的驱动下，所构建的双光电极驱动的光助燃料电池体系，形成电流通路，产生电能。当体系中引入微囊藻毒素时，微囊藻毒素消耗了光阳极表面的空穴，抑制了光生电子和空穴的重组，从而增强了整个自供能体系电能的输出。当微囊藻毒素的浓度逐渐增加时，电能的输出也逐渐增加(图2)，由此建立微囊藻毒素浓度与电能信号强度之间的对应关系，绘制自供能方法灵敏检测微囊藻毒素的标准曲线。实施例11.光电极的制备(1)光阳极的制备：首先，将4mL[TiO(C4H9O)4]溶于20mL6mol/L的HNO3溶液中得到TiO(NO3)2溶液，然后将该TiO(NO3)2溶液转移至聚四氟乙烯为里衬的反应釜中，160℃下反应12h，自然冷却后经离心、超纯水和无水乙醇洗涤处理反应产物，最后将其置于60℃条件下烘干，得到光阳极纳米材料TiO2。将上述得到的粉末超声分散于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，配制成6mg/mL超声分散液。移取20μL上述分散液滴涂于有效面积为0.5cm2的ITO电极表面，于红外灯下加热烘干，此时可观察到ITO电极表面自然形成一层均匀的膜结构，光阳极制备完成。(2)光阴极的制备：首先，将0.12gBi(NO3)3·5H2O溶于50mL超纯水中，用稀HNO3溶液将其pH值调至3，备用；另外，将0.8mgNG分散于8×10-3mol/LCTAB溶液中超声混合均匀；然后，将备好的Bi(NO3)3·5H2O酸溶液缓慢滴入NG和CTAB混合溶液中，将上述混合液转入圆底烧瓶中于60℃油浴反应3h。反应完成后，将制备的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于检测微囊藻毒素的自供能传感器，包括光阳极﹑光阴极﹑模拟太阳光光源﹑电解质溶液﹑石英反应池﹑空气通气口和微囊藻毒素标准浓度溶液；所述光阳极和光阴极插入装有电解质溶液的石英反应池，并通过外部电路连通，其中光阴极靠近空气通气口；所述光源同时照射光阳极和光阴极；其特征在于，所述的电解质溶液为pH＝4～6的磷酸盐缓冲溶液，所述光阳极和光阴极在光照射条件下产生的自偏压的驱动下，所构建的双光电极驱动的光助燃料电池体系，形成电流通路，产生电能。

【技术特征摘要】
1.一种用于检测微囊藻毒素的自供能传感器，包括光阳极﹑光阴极﹑模拟太阳光光源﹑电解质溶液﹑石英反应池﹑空气通气口和微囊藻毒素标准浓度溶液；所述光阳极和光阴极插入装有电解质溶液的石英反应池，并通过外部电路连通，其中光阴极靠近空气通气口；所述光源同时照射光阳极和光阴极；其特征在于，所述的电解质溶液为pH＝4～6的磷酸盐缓冲溶液，所述光阳极和光阴极在光照射条件下产生的自偏压的驱动下，所构建的双光电极驱动的光助燃料电池体系，形成电流通路，产生电能。2.根据权利要求1所述的用于检测微囊藻毒素的自供能传感器，其特征在于，所述的光阳极是TiO2修饰的氧化铟锡电极；所述的光阴极是NG-BiOBr修饰的ITO电极。3.根据权利要求2所述的用于检测微囊藻毒素的自供能传感器，其特征在于，所述光阳极纳米材料TiO2采用水热法制备，包括：将钛酸四丁酯[TiO(C4H9O)4]溶于HNO3溶液中得到硝酸氧钛[TiO(NO3)2]溶液；将TiO(NO3)2溶液转移至聚四氟乙烯为里衬的反应釜中，160～200℃下反应，自然冷却后经离心、超纯水和无水乙醇洗涤处理反应产物；将其置于60℃条件下干燥，得到光阳极纳米材料TiO2。4.根据权利要求3所述的用于检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜晓娇，张兵，蒋鼎，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32