生化需氧量生物传感器制造技术

本发明专利技术属于环境监测技术领域，由测量室，固定化细胞，溶解氧电极，磁搅拌与磁搅拌子，微量曝气装置与曝气管组成；其中，磁搅拌子放置在测量室底部；微量曝气装置的曝气管固定在溶解氧电极旁边：溶解氧电极置于测量室中央；测量室中装有缓冲溶液。本发明专利技术具有对高精度溶解氧仪的依赖低，价格低，可改善传质，扩大线形测量范围，生物敏感材料可成批生产，并可重复使用，可用于野外测量要求并可提高测量的重现性等优点。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于环境监测
，特别涉及水质污染监测中生化需氧量(BOD)快速测定分析仪器的结构设计。传感器是能感受规定的被测量物质并按照一定规律将其转化成可用信号(主要是电信号)的器件或装置，它通常由敏感元件、转换元件及相应的机械结构和电子线路所组成。其中用生物体成分(酶、抗体、抗原、激素)或生物体本身(细胞、细胞器、组织)作为敏感元件的传感器称为生物传感器。进行水质污染监测中生化需氧量(BOD)快速测定的生物传感器主要由微生物和氧电极构成。它的测量原理为当测量室中不存在有机耗氧物质时，氧电极输出一稳态电压，该稳态电压代表传感器微生物的内源呼吸水平。加入测定水样后，水样中所存在的生物可降解有机物使微生物迅速转为外源呼吸，消耗溶解氧，氧电极输出电压随之下降至另一低水平稳态。两稳态差值与被测水样BOD浓度之间在一定范围内成线形关系，因而藉此可进行BOD的快速测量。BOD生物传感器典型类型为夹层法。其构造如附图说明图1所示，是将吸附有微生物(13)的多孔膜(14)用O型环(15)固定在氧电极(11)聚四氟乙烯膜(12)的表面上。这样，微生物就被夹在多孔膜(14)与聚四氟乙烯膜(12)两层膜之间，所以称之为夹层法。这种结构存在着下面两方面的问题其一，传感器中氧电极测量的不是测试水样中真实的溶解氧含量，而是扩散通过生物膜的氧量，使得电信号减弱了3-6个数量级。所以这种仪器不仅需要良好的测量环境，而且需要极其精确的溶解氧仪器的支持，这就使得整体传感器的价格上升，达1万美元以上。其二，这种BOD测定仪器的测量范围不仅受微生物自身代谢的制约，而且在很大程度上受包埋微生物的多孔膜的传质控制，导致测量线形范围低，一般仅能到几十毫克／升，低于城市污水的BOD水平，只能稀释后再进行测量。本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种生化需氧量(BOD)生物传感器，使其具有对高精度溶解氧仪的依赖低，价格低，可改善传质，扩大线形测量范围，生物敏感材料可成批生产，并可重复使用，可用于野外测量要求并可提高测量的重现性等优点。本专利技术提出的一种BOD生物传感器，其构成如图2所示，由敞口测量室(26)，固定化细胞(27)，溶解氧电极(21)，磁搅拌器(29)与磁搅拌子(28)，微量曝气装置(211)与曝气管(210)组成。其中，磁搅拌子放置在测量室底部；微量曝气装置的曝气软管固定在溶解氧电极旁边；溶解氧电极置于测量室中央；在每次测量开始时，测量室中均装有一定体积的缓冲溶液，这起到对待测水样的稀释作用，并且可以调节pH值，对微生物起到保护作用。缓冲溶液可以采用没有有机污染物质和生物毒性物质存在的水或水溶液，例如磷酸盐水溶液、去离子水、蒸馏水等。本专利技术还可包括一恒温装置，所说的测量室置于该恒温装置中。恒温装置的作用是保证测量在一个稳定的温度下进行，提高测量的稳定性。本专利技术的特点及效果本专利技术的主要特点是在传感器中采用固定化微生物颗粒与缓冲溶液或缓冲溶液与待测水样的混合溶液通过磁力搅拌与微量曝气达到迅速传质和溶解氧平衡。这种测量方法改善了原有传感器的不足之处，并达到了很好的效果。本专利技术具有对高精度溶解氧仪的依赖低，价格低，可改善传质，扩大线形测量范围，生物敏感材料可成批生产，并可重复使用，可用于野外测量要求并可提高测量的重现性等优点。实验表明，测定得出的标准曲线有很好的线形关系，对于一组0~200的BOD标准溶液，本测量方法相关系数R2可达到0．9以上。这种方法也具有良好的重现性。对于BOD50mg／L的标准溶液，日间测量8次，最大相对偏差为10．7％，小于5天生化需氧量标准稀释测定法15％的相对偏差。附图简要说明图1夹层法BOD传感器结构示意图。图2本专利技术BOD传感器结构示意图。图3本专利技术的BOD传感器实施例结构示意图。本专利技术提出的一种生化需氧量(BOD)生物传感器实施例，并以该传感器为核心组成的水质污染监测系统如图3所示，由(BOD)传感器与数据记录处理单元组成。其中，生化需氧量(BOD)生物传感器包括恒温水浴装置(312)放置在TB-600梯度搅拌器(39)的上面，测量室(36)(容积为150ml)放置在水浴装置中，磁搅拌子(38)放置在测量室底部。CTB-208微量曝气泵(311)的曝气软管(310)由粘接剂固定在溶解氧电极(31)旁边。溶解氧电极置于测量室中央。在每次测量开始时，测量室中均装有一定体积的缓冲溶液，这起到对待测水样的稀释作用，并且可以调节pH值，对微生物起到保护作用。恒温水浴装置的作用是保证测量在一个稳定的温度下进行，提高测量的稳定性。磁搅拌器和微量曝气装置是用于测量室中溶液的混合，降低测量时间。数据记录处理单元主要是由YSI-58溶解氧测定仪(313)和数据采集卡(314)组成。YSI-58溶解氧测定仪(313)与溶解氧电极(31)相连，接收溶解氧电极输出的电信号，可以监测测量室中水体的溶解氧变化，其变化就可以表征水样的BOD值。数据采集卡(314)采集溶解氧测定仪(313)所输出的电信号，并将其储存于计算机中，供后续处理使用。而计算机中存有数据处理所需程序，可将采集的数据换算成所测量的BOD值。用本实验装置进行标准海水的BOD浓度的测定。实验步骤首先进行微生物丝孢酵母(Trichosporon cutaneum)的聚乙烯醇凝胶包埋。细胞湿重5g，悬浮于5mL 0．9％NaCl中，与12．5mL 10％的聚乙烯醇和1％的海藻酸钠混合溶液相混合。然后用0．40mm ID的注射器滴加到冷却的饱和硼酸与1％的CaCl2的混合溶液溶液中，使其形成2mm直径的白色球型小珠，并在其中浸泡24h，然后用生理盐水洗涤。上述配比可以保证固定化颗粒可以承受长时间一定强度的搅拌，满足重复使用的要求。这种固定化细胞可干燥后保存，使用前将其放入营养液中曝气活化24小时即可用于测定，从而满足批量生产和野外测量的要求。将固定化颗粒与100mL去离子水混合液放置在敞口的150mL的测量小室中，用磁搅拌子与微量曝气管进行搅拌和曝气，曝气强度为24L／h。混合液的温度设定为25℃，pH为5，待其中溶解氧稳定后加入10mL待测溶液，直至溶解氧降至一新的稳定状态。测量时间为15分钟，恢复时间为30分钟。本组测量的BOD浓度为5、10、15、20、30、40、50，测量所达到的线形相关系数为0．94，满足了实际海水在线测量的要求。权利要求1.一种BOD生物传感器，其特征在于，由敞口测量室(26)，固定化细胞(27)，溶解氧电极(21)，磁搅拌器(29)与磁搅拌子(28)，微量曝气装置(211)与曝气管(210)组成；其中，磁搅拌子放置在测量室底部；微量曝气装置的曝气管固定在溶解氧电极旁边；溶解氧电极置于测量室中央；测量室中装有缓冲溶液。2.如权利要求1所述的BOD生物传感器，其特征在于，还包括一恒温装置，所说的测量室置于该恒温装置中。全文摘要本专利技术属于环境监测
,由测量室,固定化细胞,溶解氧电极,磁搅拌器与磁搅拌子,微量曝气装置与曝气管组成;其中,磁搅拌子放置在测量室底部;微量曝气装置的曝气管固定在溶解氧电极旁边:溶解氧电极置于测量室中央;测量室中装有缓冲溶液。本专利技术具有对高精度溶解氧仪的依赖低,价格低,可改善传质,扩大线形测量范围本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＢＯＤ生物传感器，其特征在于，由敞口测量室（２６），固定化细胞（２７），溶解氧电极（２１），磁搅拌器（２９）与磁搅拌子（２８），微量曝气装置（２１１）与曝气管（２１０）组成；其中，磁搅拌子放置在测量室底部；微量曝气装置的曝气管固定在溶解氧电极旁边；溶解氧电极置于测量室中央；测量室中装有缓冲溶液。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王建龙，张悦，施汉昌，竺建荣，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]