生物需氧量传感器制造技术

本发明专利技术公开用作生物需氧量(BOD)传感器之生物电化系统(BES)、并有用于测量BOD的BES传感器的系统，以及使用所述传感器和系统以测量BOD的方法。所公开的传感器是构造廉价、耐久、响应迅速并且动态范围大的。本发明专利技术包括生物需氧量(BOD)传感器，其并有至少三个工作电极、至少一个反电极、稀释液储槽以及用于测量从所述工作电极流至所述反电极的电流或电压的传感器。所述BOD传感器通常也将包括至少一种安置在所述工作电极附近的电活性微生物。

【技术实现步骤摘要】
相关申请本申请是国际申请日为2012年06月14日、申请号为201280034071.2(PCT/US2012/042501)、专利技术名称为“生物需氧量传感器”的分案申请。本申请要求2011年6月14日提交的美国临时申请号61/496,608的权益，所述临时申请以引用的方式整体并入本文。专利
本专利技术涉及生物需氧量(BOD)传感器。BOD传感器可以用于(例如)监测水中有机污染物。背景生物需氧量(BOD)是流体(通常是水)中需氧生物有机体所需用以分解存在的有机物质的溶解氧量。BOD通常被表示为给定流体样本在给定温度下、在给定时间段上所需要的氧量。由于BOD涉及生物活性，因此所引用的BOD值并非很精确，但它给出了对流体中有机质含量的良好指示。BOD测量最常用于监测水的有机质含量，例如，废水、工业过程水、农业过程水、农业径流、地表水的有机质含量。尽管水中的有机物可能来自多种“天然”来源，例如，水生植物或者落叶，但是水中的有机物最经常源自动物粪便或使用化学品的工业过程中的污染。有机污染还可以包括(例如)食品加工废料、碳氢化合物、个人护理产品或杀虫剂。因此，测量水的BOD给出水清洁度和其可饮用性的一般含义。如挥发性脂肪酸(VFA)的一些有机化合物仅与动物粪便相关联并且发出可能存在危险微生物(例如，霍乱)的信号。要求定期监测水质的大多数机构会测量BOD以及悬浮固体和氨含量。用于在废水处理过程和工业中监测BOD的当前实践要求BOD5测试，其以获得结果所需的五天而命名。由于它的实施需要五天，因此在采集样本与获取BOD测量结果之间存在显著延迟，从而使得不可能进行实时监测。另外，BOD5测试的准确度可疑并且具有非再现性，同时耗时耗力。参见DiLorenzo等，WaterResearch，43(2009)3145-3154，其以引用方式整体并入本文。因此，人们极大地关注用于BOD监测的改进的实时传感器。这些传感器将通过允许开发条件进行更快速的调整、同时降低成本来大大益于综合水管理方法。理想的传感器是廉价、稳健、准确的，并且具有传感器所有效的大范围的样本浓度。概述本专利技术提供改进的BOD传感器，所述BOD传感器尤其适用于监测工艺废水、工业过程水以及农业过程水的质量。本专利技术包括：传感器；包括所述传感器的系统；使用所述传感器来测量BOD的方法；以及与本专利技术的所述系统一起使用的稀释液。所述传感器优于先前BOD传感器之处在于它们廉价、稳健、对BOD变化响应迅速并且能够检测大范围的BOD。本专利技术包括生物需氧量(BOD)传感器，其并有至少三个工作电极、至少一个反电极、稀释液储槽以及用于测量从所述工作电极流至所述反电极的电流或电压的传感器。所述BOD传感器通常也将包括至少一种安置在所述工作电极附近的电活性微生物。本专利技术的BOD传感器可以另外包括接收将监测BOD的样本的混合腔室，其中所述样本经过稀释以制成至少三个不同稀释物，测量所有所述至少三个不同稀释物的BOD。通过对至少三个样本测量BOD，可能快速确定BOD值，同时仍然保持测量大范围的BOD值的能力。在本专利技术的一些实施方案中，电压来源可操作地连接在所述工作电极与所述反电极之间。本专利技术包括用于确定样本生物需氧量(BOD)的方法，所述方法包括：用稀释液稀释所述样本以获得所述样本的至少三个不同稀释物；使用生物电化系统(BES)测量所述至少三个不同稀释物的每个的BOD以获得至少三个BOD值；以及比较所述至少三个BOD值以确定所述样本的BOD。测量程序通常将使来自BES的电流或电压测量结果与BOD值相关联，例如，通过参照BES的校准曲线进行所述关联。在一个实施方案中，所述方法在1小时内完成。本专利技术包括用于测定目标有机化合物的存在的另一类型的传感器。这种传感器包括：第一电极和第二电极；可操作地连接至所述第一电极和第二电极上的电压来源；可操作地连接至所述第一电极和第二电极并能测量所述第一电极与第二电极之间的电流的电流传感器；以及产电细菌的培养物，其代谢式使用有机物质作为电子供体的能力大致上限于目标有机化合物。在一个实施方案中，这种传感器另外包括用于所述第一电极和第二电极的壳体，其中所述壳体限制所述第一电极或所述第二电极附近的有氧代谢。所述传感器可使用如硫还原地杆菌(Geobactersulfurreducens)的产电细菌。这种传感器将极适用于测量如在城市废水和厌氧消化器中所见的挥发性脂肪酸。本专利技术另外包括使用一个或多个电极对的生物电化系统(BES)，所述生物电化系统能实时感测并且监测BOD，包括VFA和其它复杂有机物。所述系统可将单电极对用作传感器来操作，或者将多电极对用作传感器阵列来操作。在使用多个BES的情况下，它们可以能够使用通常用缓冲过的稀释液制备的一系列稀释物来鉴别实现亚饱和条件的最小稀释度。这种方法使传感器响应时间最少，因为它使用了瞬时电流作为信号。这种方法还会避免pH值和盐度问题，因为样本经过缓冲。此外，所述一系列稀释物确保至少一个传感器在大多数情况下不饱和并且所述传感器将无需校准即在较长周期内具有较大的准确度。本专利技术还包括一种用于测量流体需氧量的系统，所述系统包括：生物电化系统(BES)；连接至样本的稀释溶液混合系统；可操作地连接至所述BES的电流或电压传感器；以及控制电子器件，其可操作地连接至所述电流或电压传感器和缓冲液注射系统上，并且能从所述电流或电压传感器接收测量结果并使所述缓冲液混合系统以缓冲液接触所述样本。附图简述图1描绘示例微生物燃料电池。图2是本专利技术的生物需氧量传感器的一个实施方案的示意图。图3A描绘用于BOD传感器的生物电化系统的一个实施方案。图3B描绘用于BOD传感器的生物电化系统的一个实施方案。图4A描绘用于VFA传感器的生物电化系统的一个实施方案。图4B描绘用于VFA传感器的生物电化系统的一个实施方案。图5示出用于确定BOD传感器的有效操作范围的稀释曲线。图6示出BOD与BOD传感器的电流之间的关联。详述本专利技术提供用于测量流体(例如，水)的生物需氧量(BOD)的传感器、系统以及方法。所述传感器是迅速、廉价、稳健的并对测量样本中的BOD而言具有大动态范围。所述传感器将允许针对包括废水处理、工业过程水处理、农业过程水处理和地表水监测的多种应用进行实时BOD测量。生物电化系统(BES)本专利技术的BOD传感器基于如微生物燃料电池的生物电化系统(BES)。BES是一种新型装置，其使用电活性微生物(通常可互换地称作光电分子、产电微生物(electrogen)或产电菌群(exoelectrogen))以在燃料电池(阳极、阴极、可穿透的屏障)或准燃料电池(两个电极)、架构中产电。通常，电活性微生物需要营养素或基质(例如，化学物种)来完成某些代谢过程。在这种代谢过程中，电活性微生物将会将电子供至电路的电极或从电路接收电子，从而使电路内的电位或电流发生可测量的变化。由于BES可以将各种范围的有机物用作营养素，因此BES输出将会随着BOD加载率以及有机营养素的类型而变化。本专利技术提供多个BES布置，所述多个BES布置能够检测并且测量包括VFA的总BOD或仅测量VFA，其通过测定电化学活性微生物群落的代谢活动所产生的电流来实现。通常，在存在充当催化剂的光电分子时，有机材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定目标有机化合物的存在的传感器，所述传感器包括：第一电极和第二电极；可操作地连接至所述第一电极和第二电极的电压来源；可操作地连接至所述第一电极和第二电极并能测量所述第一电极与第二电极之间的电流的电流传感器；以及产电细菌的培养物，其代谢式使用有机物质作为电子供体的能力大致上限于所述目标有机化合物。

【技术特征摘要】
2011.06.14 US 61/496,6081.一种用于确定目标有机化合物的存在的传感器，所述传感器包括：第一电极和第二电极；可操作地连接至所述第一电极和第二电极的电压来源；可操作地连接至所述第一电极和第二电极并能测量所述第一电极与第二电极之间的电流的电流传感器；以及产电细菌的培养物，其代谢式使用有机物质作为电子供体的能力大致上限于所述目标有机化合物。2.如权利要求1所述的传感器，其进一步包括用于所述第一电极和第二电极的壳体，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄真，派翠克·凯利，马修·西尔弗，贾斯汀·巴克，
申请(专利权)人：凯博瑞创新公司，
类型：发明
国别省市：美国;US