CN104807864B - 一种测定全氟辛酸含量的数字电极及测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定全氟辛酸的数字电极及测定装置，属于环境监测技术领域，所述测定装置包括待测样品存放系统、数字电极系统、数据处理系统，其中，所述数字电极系统设置于所述待测样品存放系统内部，所述数字电极系统通过导线与数据处理系统连接。本发明的测定装置结构简单、安装操作简便。本发明的PFOA测定装置与利用该装置测定空气中PFOA含量的方法适合于室外环境使用。本发明的装置可实现快速、准确、连续地、实时测定，环境中PFOA含量分析准确，能够真实反应空气中PFOA含量状况。

Description

一种测定全氟辛酸含量的数字电极及测定装置

技术领域

本发明涉及一种测定环境空气中全氟辛酸的检测方法，特别是涉及一种通过数字电极现场对环境空气中全氟辛酸含量进行测定的方法，属于环境监测领域。

背景技术

全氟辛酸(Pemuooroetnaoieaeid，简称PFOA)，分子式CF₃(CF₂)₆COOH)是一种有机强酸，浓度1g/L时pH为2.6，pKa值为2.5；通常人们所说的PFOA还包括其盐，主要指全氟辛酸铵(简称PFOA，有时也简称C8)。

PFOA为一种人工合成的化学品。近几十年来，PFOA被广泛应用于航空科技、运输、电子行业，以及厨具等民生用品。当PFOA分解后会在环境或人体中释放出来。PFOA是目前已知最难降解的有机污染物之一，具有很高的生物蓄积性和多种毒性，不仅会造成人体呼吸系统问题，还可能导致新生婴儿死亡，其导致的全球性污染正日渐受到人们关注。全氟辛酸化学性质稳定，具有持久性、生物积累性和多种毒性，严重危害人类健康和其生存环境，已成为继有机氯农药、多氯联苯、二噁英之后日益引起重视的一类新型持久性有机污染物。

近年来，科研工作者已在水环境、土壤、食品中分别检测出PFOA物质。2013年，有学者检测出城市环境空气中含有PFOA物质。

中科院上海有机化学研究所有机氟化学专家吕龙所指出，有关氟多聚物的讨论应当延伸到PFOA的排放问题，全社会须关注国内相关企业全氟辛酸的排放情况，出于保护人类健康的需要，需尽快制定PFOA排放标准，也应该全面展开流行病学调查，为此急需建立简便快捷的分析方法，对进一步的研究起到技术支持作用。

对于环境空气和废气中PFOA的测定方法，目前采用高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS)。但该法操作繁琐、耗时耗力耗资，数据时效性差，不宜现场监测，难以满足快速、及时监测的要求。

发明内容

本发明针对现有环境空气中全氟辛酸浓度监测技术存在的不足，提供了一种测定环境中PFOA含量的数字电极以及测定装置，本发明的测定装置结构简单、安装操作简便。本发明的PFOA测定装置与利用该装置测定空气中PFOA含量的方法适合于室外环境使用。本发明的装置可实现快速、准确、连续地、实时测定，环境中PFOA含量分析准确，能够真实反应空气中PFOA含量状况。

为实现本发明的目的，本发明一方面提供一种测定全氟辛酸含量的数字电极，包括极谱式PO₂电极，固定在所述极谱式PO₂电极底部的生物数字膜片

其中，所述生物数字膜片包括枯草芽孢杆菌、纤维素和硅藻土型担体。

特别是，所述硅藻土型担体包括101担体、6201担体。

特别是，所述生物数字膜片按照如下步骤制备而成：

A)将枯草芽孢杆菌转移至无菌水中，制成枯草芽孢杆菌湿菌体；

B)将枯草芽孢杆菌湿菌体与纤维素、101担体、6201担体混合均匀后，均匀涂布在表面光滑的平板上，制成平面湿菌体膜片；

C)对平面湿菌体膜片进行干燥固定处理，即得。

其中，步骤A)中所述枯草芽孢杆菌湿菌体溶液中枯草芽孢杆菌的浓度为3.0×10³-3.0×10⁵CFU/mL；步骤B)所述平面湿菌体膜片的厚度为0.2-0.5mm；所述表面光滑的平板选择玻璃板；步骤C)中所述干燥固定处理过程中干燥温度为30±1℃；处理时间≥24h，优选为24-36h。

特别是，步骤B)中所述枯草芽孢杆菌湿菌体溶液体积与纤维素、101担体、6201担体的重量份配比为40-50：40-50：40-50：10-20，优选为50(ml)：50(mg)：50(mg)：20(mg)，即当所述枯草芽孢杆菌湿菌体溶液体积40-50ml时，纤维素、101担体、6201担体的重量分别为40-50mg、40-50mg、10-20mg；当所述枯草芽孢杆菌湿菌体溶液体积40-50L时，纤维素、101担体、6201担体的重量分别为40-50g、40-50g、10-20g。

其中，所述枯草芽孢杆菌为枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis XZⅠ125，其微生物保藏号为CGMCC N_O.1747。分类命名是：Bacillus subtilis。

特别是，所述枯草芽孢杆菌湿菌体溶液按照如下方法制备而成：

首先：将枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis XZⅠ125菌种接种于放大培养基中，于25±2℃下在恒温培养箱内静置培养7-8天，进行放大培养，获得放大培养枯草芽孢杆菌；

接着，将放大培养枯草芽孢杆菌菌落挑入液体培养基中，于25±2℃下，在摇床上进行震荡培养，然后移出菌落，进行离心处理，去除上清液，获得枯草芽孢杆菌湿菌体

其中，所述放大培养基为：牛肉膏5g、蛋白胨10g、NaCl 5g、琼脂粉15g，蒸馏水1000mL，pH自然，1×10⁵Pa高压灭菌30min，充分摇匀后分装于平皿中，冷却后4℃保存备用；所述震荡培养过程中的液体培养基为：牛肉膏(0.3％)、酵母汁(0.3％)、蛋白胨(0.3％)、葡萄糖10(1.0％)，蒸馏水1000mL，混合均匀后用1:4硫酸(分析纯，H₂SO₄含量95.98％)调节pH＝6，保存备用。

其中，所述振荡培养过程中振荡频率：100rpm；培养时间≥48h。

特别是，所述离心处理速度为1000rpm；离心处理时间为2min。

其中，所述极谱式PO₂电极包括：Ag-AgCl阳极、铂金阴极、电解质溶液、透氧薄膜、玻璃管、加固环箍和电流输出导线，其中所述玻璃管内装有电解质溶液；所述铂金阴极和Ag-AgCl阳极均设于所述玻璃管内部；所述铂金阴极和Ag-AgCl阳极的一端均伸入所述电解质溶液中、且另一端与数据处理系统通过导线相连接；所述透氧薄膜设于所述玻璃管的下部，即所述透氧薄膜平铺于所述玻璃管的底部。

特别是，所述透氧薄膜的的大小和形状与所述玻璃管的底部相匹配。

尤其是，所述透氧薄膜为圆形。

特别是，所述透氧薄膜的直径为10.8±2mm。

其中，所述透氧薄膜选择聚四氟乙烯薄膜、聚丙烯薄膜，优选为聚四氟乙烯薄膜。

特别是，所述极谱式PO₂电极还包括：塑料套管和加固环箍，其中，所述塑料套管套接在所述玻璃管的外壁；所述加固环箍将所述所述塑料套管和玻璃管紧密结合。

尤其是，所述塑料套管的内径与所述玻璃管外径相匹配，二者同轴，并且长度相同。

特别是，所述玻璃管、塑料管的两端开口；所述玻璃管与塑料管的两端对齐。

特别是，所述透氧薄膜平铺于PO₂电极的底部，即平铺于塑料套管和玻璃管的底部并将底部包裹，加固环箍设置在透氧薄膜的外面，将透氧薄膜严密包裹的塑料套管、玻璃管的底部箍紧。

特别是，所述电解质溶液选择KOH溶液、KCl溶液。

尤其是，所述KOH溶液的浓度为0.1mol/L。

特别是，所述测定全氟辛酸含量的数字电极还包括固定件，固定件将所述的生物数字膜片固定在所述的极谱式PO₂电极的底部，且与所述极谱式PO₂电极的底部紧密连接在一起。

其中，所述固定件上开设有供溶液中氧气(O₂)自由通过的通道。

特别是，特别是，所述通道的截面积与所述生物数字膜片的面积相匹配。

尤其是，所述通道的截面积与所述生物数字膜片的面积之比为0.8-1：1，优选为0.8：1。

尤其是，所述极谱式PO₂电极底部面积与所述生物数字膜片的面积之比为1：0.9-1，优选为1：0.9。

特别是，所述固定件选择中央具有通道的塑料盖帽。

本发明另一方面提供一种测定全氟辛酸含量的测定装置，包括待测样品存放系统、测定全氟辛酸含量的数字电极系统、数据处理系统，其中，所述数字电极系统设置于所述待测样品存放系统内部，所述数字电极系统通过导线与数据处理系统连接。

其中，所述待测样品存放系统由待测样品溶液池组成。

特别是，所述待测样品溶液池为顶端开口底部和四周密封的容器，内部放置待测样品溶液和所述的数字电极测量系统。

尤其是，所述待测样品溶液池为顶端开口的任何形状的容器，例如圆柱体形、正方体形、长方体形、棱柱体形等。

其中，所述测定全氟辛酸含量的数字电极系统包括极谱式PO₂电极、生物数字膜片和固定件，其中，所述固定件将所述生物数字膜片固定在所述极谱式PO₂电极的底部，且与所述极谱式PO₂电极的底部紧密连接在一起。

其中，所述固定件上开设有供溶液中氧气(O₂)自由通过的通道。

特别是，所述通道的截面积与所述生物数字膜片的面积相匹配。

尤其是，所述通道的截面积与所述生物数字膜片的面积之比为0.8-1：1，优选为0.8：1。

尤其是，所述极谱式PO₂电极底部面积与所述生物数字膜片的面积之比为1：0.9-1，优选为1：0.9。

其中，所述数字电极膜片由枯草芽孢杆菌、纤维素和硅藻土型担体组成。

特别是，所述硅藻土型担体包括101担体、6201担体。

特别是，所述生物数字膜片按照如下步骤制备而成：

A)将枯草芽孢杆菌转移至无菌水中，制成枯草芽孢杆菌湿菌体；

B)将枯草芽孢杆菌湿菌体与纤维素、101担体、6201担体混合均匀后，均匀涂布在表面光滑的平板上，制成平面湿菌体膜片；

C)对平面湿菌体膜片进行干燥固定处理，即得。

其中，步骤A)中所述枯草芽孢杆菌湿菌体溶液中枯草芽孢杆菌的浓度为3.0×10³-3.0×10⁵CFU/mL；步骤B)所述平面湿菌体膜片的厚度为0.2-0.5mm；所述表面光滑的平板选择玻璃板；步骤C)中所述干燥固定处理过程中干燥温度为30±1℃；处理时间≥24h，优选为24-36h。

特别是，步骤B)中所述枯草芽孢杆菌湿菌体溶液体积与纤维素、101担体、6201担体的重量份配比为40-50：40-50：40-50：10-20，优选为50(ml)：50(mg)：50(mg)：20(mg)，即当所述枯草芽孢杆菌湿菌体溶液体积40-50ml时，纤维素、101担体、6201担体的重量分别为40-50mg、40-50mg、10-20mg；当所述枯草芽孢杆菌湿菌体溶液体积40-50L时，纤维素、101担体、6201担体的重量分别为40-50g、40-50g、10-20g。

其中，所述枯草芽孢杆菌为枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis XZⅠ125，其微生物保藏号为CGMCC N_O.1747。分类命名是：Bacillus subtilis。

特别是，所述枯草芽孢杆菌湿菌体溶液按照如下方法制备而成：

首先：将枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis XZⅠ125菌种接种于放大培养基中，于25±2℃下在恒温培养箱内静置培养7-8天，进行放大培养，获得放大培养枯草芽孢杆菌；

接着，将放大培养枯草芽孢杆菌菌落挑入液体培养基中，于25±2℃下，在摇床上进行震荡培养，然后移出菌落，进行离心处理，去除上清液，获得枯草芽孢杆菌湿菌体

其中，所述放大培养基为：牛肉膏5g、蛋白胨10g、NaCl 5g、琼脂粉15g，蒸馏水1000mL，pH自然，1×10⁵Pa高压灭菌30min，充分摇匀后分装于平皿中，冷却后4℃保存备用；所述震荡培养过程中的液体培养基为：牛肉膏(0.3％)、酵母汁(0.3％)、蛋白胨(0.3％)、葡萄糖10(1.0％)，蒸馏水1000mL，混合均匀后用1:4硫酸(分析纯，H₂SO₄含量95.98％)调节pH＝6，保存备用。

其中，所述振荡培养过程中振荡频率：100rpm；培养时间≥48h。

特别是，所述离心处理速度为1000rpm；离心处理时间为2min。

其中，所述极谱式PO₂电极包括：Ag-AgCl阳极、铂金阴极、电解质溶液、透氧薄膜、玻璃管、加固环箍和电流输出导线，其中所述玻璃管内装有电解质溶液；所述铂金阴极和Ag-AgCl阳极均设于所述玻璃管内部；所述铂金阴极和Ag-AgCl阳极的一端均伸入所述电解质溶液中、且另一端与数据处理系统通过导线相连接；所述透氧薄膜设于所述玻璃管的下部，即所述透氧薄膜平铺于所述玻璃管的底部。

特别是，所述透氧薄膜的的大小和形状与所述玻璃管的底部相匹配。

尤其是，所述透氧薄膜为圆形。

特别是，所述透氧薄膜的直径为10.8±2mm。

其中，所述透氧薄膜选择聚四氟乙烯薄膜、聚丙烯薄膜，优选为聚四氟乙烯薄膜。

特别是，所述极谱式PO₂电极还包括：塑料套管和加固环箍，其中，所述塑料套管套接在所述玻璃管的外壁；所述加固环箍将所述所述塑料套管和玻璃管紧密结合。

尤其是，所述塑料套管的内径与所述玻璃管外径相匹配，二者同轴，并且长度相同。

特别是，所述玻璃管、塑料管的两端开口；所述玻璃管与塑料管的两端对齐。

特别是，所述透氧薄膜平铺于PO₂电极的底部，即平铺于塑料套管和玻璃管的底部并将底部包裹，加固环箍设置在透氧薄膜的外面，将透氧薄膜严密包裹的塑料套管、玻璃管的底部箍紧。

特别是，所述电解质溶液选择KOH溶液、KCl溶液。

尤其是，所述KOH溶液的浓度为0.1mol/L。

其中，所述数据处理系统包括包括信号放大器和控制器，信号放大器与控制器通过导线连接。信号放大器接收从数字电极系统传输的响应电流，将微弱的响应电流放大后传输给控制器，并记录相应的电流值。

特别是，所述信号放大器选择直流电流放大器(工作电流：2.0mA，5.0V)，对所述响应电流进行放大；所述控制器选择AT89S51单片机，芯片工作电压：4.5-5.5V。

尤其是，所述数据处理系统还包括与所述控制器通过导线连接的显示器，所述显示器用于现场监测时实时显示监测结果。

特别是，所述数据处理系统还包括：与所述显示器通过导线连接的打印机，用于现场监测时实时打印监测结果。

其中，所述全氟辛酸测定装置还包括供电系统，为数字电极系统和数据处理系统提供电源。

特别是，所述供电系统选择太阳能发电机。

本发明的测定PFOA含量的装置的工作原理和工作过程如下：

首先将制备好的生物数字电极膜片平铺于极谱式PO₂电极的底部，然后通过固定件(例如环箍、塑料盖帽等)将生物数字电极膜片固定在PO₂电极的铂金阴极表面。所述极谱式PO₂电极的主体采用铂金阴极，Ag-AgCl阳极，以电解质(0.1mol/L KOH，分析纯)与外界隔开。

氧或污染物质(如PFOA)以与其分压成正比的比率透过生物数字膜片、极谱式PO₂电极的透氧薄膜扩散至极谱式PO₂电极内部，在扩散过程中，在铂金阴极上还原而产生电流，此电流通过导线13传输至数据处理系统，经过数据处理，在显示器上显示出相应的相应电流值，该电流值与透过薄膜的氧或污染物质的浓度成正比。

数字电极系统中产生的响应电流的大小与待测样品溶液中的氧或污染物质(PFOA)浓度高低成正比，获得的电流转换为氧或污染物质(PFOA)浓度单位。

首先，在待测样品溶液池内导入磷酸缓冲溶液时，磷酸缓冲溶液中的氧分子通过生物数字膜片扩散到电极的速率一定，电极输出一稳态电流(A₀)。该电流通过导线传输至数据处理系统，形成一稳态恒定的输出电流信号，作为未测试PFOA前的空白值；

接着，将待测样品溶液池内的0.01mol/L的磷酸盐缓冲溶液(pH＝6.48)导出后，再向待测样品溶液池内加入0.01mol/L的磷酸盐缓冲溶液，其中，加入的磷酸缓冲溶液与待测样品溶液池的体积之比为1：2，

然后，向待测样品溶液池内通过蠕动泵导入含有PFOA的待测样品溶液，并与待测样品溶液池内的磷酸缓冲溶液混合均匀，其中，含有PFOA的待测样品溶液与待测样品溶液池内的磷酸缓冲溶液的体积之比为1：1，混合溶液中的PFOA与氧分子通过数字电极扩散，在扩散过程中，由于数字电极膜片内的微生物同化PFOA物质而增大了耗氧量，导致通过数字电极膜片扩散进入电极的氧分子速率降低，电极输出电流下降至新的稳态值(A_诗)。该降低后的新的电流(A_实)值通过导线传输至处理系统的处理器，形成一个新的稳态恒定的输出电流信号；两稳态电流之差即为测定的电流降(A＝A_实－A₀)，电流降与待测样品溶液池中的PFOA浓度成正比。因此，可根据测定得到的电流降间接得到待测溶液中的PFOA浓度值。

测定过程中数字电极系统产生的响应电流信号经过导线传输至数据处理系统的信号放大及转换系统处理后，传送至数据处理系统的控制单元，最终显示在显示器(PC机)上，检测结果可实时由打印机打印。

整个测定装置的数字电极系统、数据处理系统均由太阳能装置供电(太阳能供电装置采购自上海光能能源有限公司，主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器和灯杆组成。型号：TTB-40030，输出电压：3-10V可调，光照充电时间：6h，太阳能电池板为单晶折叠版240W，蓄电池为锂电池，电源适配器：5V)。本发明测定PFOA的装置适合野外作业。

本发明的全氟辛酸测定装置具有如下优点：

1、本发明的PFOA测定装置结构简单、自动化程度高，测定结果准确；

2、本发明测定装置的数字电极系统、数据处理系统均可由太阳能装置进行供电，适用于野外作业；

3、本发明的PFOA测定装置采用数字电极膜片测定，可实现快速、准确、连续地、实时测定，环境中PFOA含量分析准确，能够真实反应空气中PFOA含量状况。

4、本发明的PFOA测定装置与常规的高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS)仪器分析测定法相比，可大大节省测试费用；

5、本发明的PFOA测定装置在测定过程中，与常规的高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS)仪器分析测定法相比，使用的有机试剂和产生的有机试剂废液很少，是一种环保、绿色的测试方法。

6、本发明的PFOA测定装置采用数字电极膜片使用寿命长，可重复测定1000～1500次。

附图说明

图1为本发明PFOA含量测定装置的结构示意图；

图2为本发明测定全氟辛酸含量的数字电极结构示意图；

图3为本发明极谱式PO₂电极结构示意图；

图4为本发明PFOA含量测定装置中的塑料盖帽的示意图；

图5为本发明PFOA含量测定装置中的塑料盖帽的剖视示意图；

图6为本发明PFOA含量测定装置的结构框图；

图7为利用本发明装置测定PFOA含量的工作曲线图。

附图标记说明

1、待测样品溶液池；2、数字电极系统；3、极谱式PO₂电极；4、生物数字膜片；5、固定件；6、通道；7、Ag-AgCl阳极；8、铂金阴极；9、电解质溶液；10、透氧薄膜；11、玻璃管；12、加固环箍；13、导线；14、数据处理系统；15、塑料套管；16、信号放大器；17、控制器；18、显示器；19、打印机。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

下述实施例中的方法，无特别说明，均为常规方法。下述实施例中的百分含量，无特殊说明，均为质量百分含量。

实施例1配制缓冲溶液

精确称取1795mg的Na₂HPO₄.2H₂O于500mL容量瓶中，加入无水甲醇稀释并定容至500mL，配制成0.01M的Na₂HPO₄缓冲溶液；

精确称取1365mg的KH₂PO₄于1000mL容量瓶中，加入无水甲醇稀释并定容至1000mL，配制成0.01M的KH₂PO₄缓冲溶液；

按照体积比为4：1的比例将KH₂PO₄缓冲溶液、Na₂HPO₄缓冲溶液混合均匀，配制成pH为6.48的0.01M的磷酸盐缓冲溶液。

实施例2配制PFOA标准溶液

精确称取50mg的PFOA标准样品(分析纯，纯度≥98％，购自加拿大WellingtonLaboratories)于1L的容量瓶中，加入pH为6.48的0.01M的磷酸盐缓冲溶液，并定容，然后搅拌均匀，配制成浓度为50mg/L的PFOA母液；

分别精确吸取适量的PFOA母液4份，然后向4份PFOA母液中分别加入pH为6.48的0.01M的磷酸盐缓冲溶液，分别稀释20倍、10倍、5倍、1倍，制得浓度分别为2.5mg/L、5mg/L、10mg/L、25mg/L的PFOA标准溶液。

实施例3制备数字电极膜片

1、菌种的放大培养

1-1、将市售枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis XZⅠ125(购自中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC)，菌种保藏编号:CGMCC No.1747)活化后接种于放大培养基中，于25±2℃下在恒温培养箱内静置培养7-8天，进行放大培养，获得放大培养枯草芽孢杆菌，其中放大培养基为：牛肉膏5g、蛋白胨10g、NaCl 5g、琼脂粉15g，蒸馏水1000mL，pH自然，1×10⁵Pa高压灭菌30min，充分摇匀后分装于平皿中，冷却后4℃保存备用；

1-2、将放大培养枯草芽孢杆菌菌落挑入液体培养基中，于25±2℃下，在摇床上震荡(振荡频率：100rpm)培养48h后，用移液管移出菌落，进行离心处理(1000rpm，2min)，去除上清液，获得枯草芽孢杆菌湿菌体200mL，湿重0.15kg，枯草芽孢杆菌湿菌体浓度为3.0×10⁴CFU/mL，其中震荡培养过程中的液体培养基为：牛肉膏(0.3％)、酵母汁(0.3％)、蛋白胨(0.3％)、葡萄糖10(1.0％)，蒸馏水1000mL，混合均匀后用1:4硫酸(分析纯，H₂SO₄含量95.98％)调节pH＝6，保存备用)。

本发明枯草芽孢杆菌湿菌体的浓度除了3.0×10⁴CFU/mL之外，其他浓度3.0×10³-3.0×10⁵CFU/mL均适用于本发明。本发明实施例中以枯草芽孢杆菌的浓度为3.0×10⁴CFU/mL为例进行说明。

2、包埋法制作数字电极膜片：

2-1、向烧杯中放入上述枯草芽孢杆菌湿菌体(50mL)，加入纤维素(50mg)、101担体(50mg)、6201担体(20mg)，用玻璃棒充分搅匀后，将混合均匀的菌体-纤维素-担体混合物平铺在玻璃板(100cm×100cm)上，用玻璃棒碾平，制成厚度为0.2-0.5mm(优选为0.3mm)的平面湿膜片；

2-2、将平面湿膜片置于30±1℃的通风箱中自然风化至少24h(优选为24-48h)，即干燥固定处理至少24h(优选为24-36h)，然后放入冰箱(4℃)保存20-30h(优选为24h)，获得平面干膜片；

2-3、将平面干膜片用适量磷酸盐缓冲溶液(0.01mol/L，pH6.48)润湿后，切割成适合安装于铂金电极顶部尺寸的圆形薄膜，即得生物数字电极膜片4。

3、改良PO₂电极的制备

将圆形生物数字膜片4贴于PO₂电极的透氧薄膜(聚四氟乙烯膜)10的表面，然后装上固定件5并固定，制得改良极谱式PO₂电极(即本发明的数字电极系统2)，溶液中的氧气(O₂)经过聚四氟乙烯膜(即透氧薄膜)到达铂金阴极8表面，O₂不断地被还原，PFOA物质不断地被氧化。氧化还原反应在阴阳极之间产生响应电流，其强度与PFOA浓度成正比。

将装配好的改良极谱式PO₂电极置于含有PFOA的磷酸盐缓冲溶液中，静止放置24h，即对改良PO₂电极活化24h，然后再进行测定，其中PFOA在磷酸缓冲溶液中的浓度为1-5mg/L，优选为3mg/L。

实施例4

如图1、2、3所示，本发明测定空气中全氟辛酸(PFOA)浓度的装置包括待测样品存放系统、数字电极系统、数据处理系统。

其中，待测样品存放系统由待测样品溶液池1组成，待测样品溶液池1为顶端开口、底部和四周密封的容器，待测样品溶液和所述的数字电极系统2放置于待测样品溶液池1的内部。

本发明的待测样品溶液池可以为顶端开口的任何形状的容器，例如圆柱体形、正方体形、长方体形、棱柱体形等，本发明具体实施方式中待测样品溶液池选用圆柱体形，其内部盛放含有PFOA的溶液。

其中，数字电极系统2为测定全氟辛酸含量的数字电极，即改良极谱式PO₂电极(改良溶解氧电极)。所述测定全氟辛酸含量的数字电极(如图2)包括极谱式PO₂电极(溶解氧电极，如图3)3、生物数字膜片4和将生物数字膜片固定在所述极谱式PO₂电极底部的固定件5，并且固定件上开设有供溶液自由通过的通道6，通道的大小与极谱式电极顶端截面积和数字电极膜片截面积的大小相关，其对应关系为：数字电极膜片截面积＝0.9×极谱式电极顶端截面积；通道面积＝0.8×数字电极膜片截面积，固定件5如图4、5所示。

所述极谱式PO₂电极3包括：Ag-AgCl阳极7、铂金阴极8、电解质溶液9、透氧薄膜10、玻璃管11、加固环箍12和电流输出导线13，玻璃管11内设有电解质溶液9，所述铂金阴极8和Ag-AgCl阳极7均设于所述玻璃管11内部，所述铂金阴极和Ag-AgCl阳极的一端均伸入所述电解质溶液9中、且另一端与数据处理系统14的信号放大器16通过导线13相连接，所述透氧薄膜设于所述玻璃管11的下部。

在所述玻璃管11的两端开口，其外表面套接塑料套管15，塑料套管15的内径与所述玻璃管11的外径相匹配，且二者同轴，长度相同且两端对齐，塑料套管套接在所述玻璃管的外面，并通过加固环箍12与所述玻璃管11紧密结合，塑料管的两端开口。

透氧薄膜10包裹在塑料套管11的底部；加固环箍12设置在透氧薄膜的外面，将透氧薄膜10严密包裹的塑料套管15、玻璃管11的底部箍紧。

生物数字膜片4通过固定件5固定在所述极谱式PO₂电极底部，即固定件5将生物数字膜片4固定于极谱式PO₂电极3的透氧薄膜10的下表面。

将改良极谱式PO₂电极放置于溶液中，溶液通过固定件5上的通道6穿过生物数字膜片4、PO₂电极的透氧薄膜10到达其铂金阴极8表面，在极化电压下发生电化学反应，溶液中的O₂不断地被还原，阳极PFOA物质不断地被氧化。氧化还原反应在阴阳极之间产生响应电流，其强度与PFOA浓度成正比。

Ag-AgCl阳极7与铂金阴极8在极化电压的作用下通过电解质溶液9构成测量回路，在这个过程中阴阳两极发生的反应如下所示：

阴极O₂+4e→2O^2-

2O^2-+H₂O→4OH^-

阳极PFOA+OH·→CO₂↑+H₂O

氧的还原反应使得阴阳两极之间产生响应电流。根据法拉第定律：流过电极的电流强度与氧分压成正比。数字电极系统中产生的响应电流的大小与待测样品溶液中的氧或污染物质(PFOA)浓度高低成正比。

本发明实施例中所述透氧薄膜10选择聚四氟乙烯膜，所述固定件5选择塑料盖帽(如图4、5所示)，塑料盖帽的中央具有供溶液穿过的通道6，其他任何结构的只要是能将所述的生物数字膜片与所述的极谱式PO₂电极的聚四氟乙烯膜表面固定在一起即适用于本发明，例如非水溶性材料紧固件。

玻璃管11的内部装有电解质溶液9(例如KOH溶液)。

如图6所示，所述数据处理系统14包括信号放大器16和控制器17，信号放大器16与控制器17通过导线13连接。信号放大器接收从数字电极系统传输的响应电流，将微弱的响应电流放大后传输给控制器，并记录相应的电流值。

所述改良极谱式PO₂电极获得的极谱式PO₂电极中电解质溶液的响应电流，并将所述响应电流输送至所述信号放大器16，再通过导线13将所述响应电流输送至所述控制器17并记录相应的电流值(A)。

本发明实施例中信号放大器选择直流电流放大器(工作电流：2.0mA，5.0V)，对所述响应电流进行放大。所述控制器选择AT89S51单片机，芯片工作电压：4.5-5.5V。

数据处理系统还包括：与所述控制器17通过导线连接的显示器18，，所述显示器用于现场监测时实时显示监测结果。

数据处理系统还包括：与所述显示器18通过导线连接的打印机19，用于现场监测时实时打印监测结果。

本发明的测定PFOA含量的装置的工作原理和工作过程为：

工作原理如下：本发明的PFOA测定装置运行时，溶液中的氧或污染物质(如PFOA)以与其分压成正比的比率透过生物数字膜片、极谱式PO₂电极的透氧薄膜扩散至极谱式PO₂电极内部，在扩散过程中，在铂金阴极上还原而产生电流，此电流通过导线13传输至数据处理系统，经过数据处理，在显示器上显示出相应的相应电流值，该电流值与透过薄膜的氧或污染物质的浓度成正比。数字电极系统中产生的响应电流的大小与待测样品溶液中的氧或污染物质(PFOA)浓度高低成正比，因此校正仪表，将测得的电流转换为氧或污染物质(PFOA)浓度单位。

实施例5绘制本发明PFOA测定装置的工作曲线

测试数字电极的响应范围

1)将实施例配制的pH为6.48的0.01M的磷酸盐缓冲溶液置于本发明的测定PFOA含量的装置的待测样品溶液池1内，将数字电极系统2的底端浸没在磷酸缓冲溶液(0.01M，pH6.48)中，开启电源，缓冲溶液中的O₂透过生物数字膜片、透氧薄膜扩散至极谱式PO₂电极内部，在铂金阴极上还原产生电流，数据处理系统获得未加入PFOA标准溶液时缓冲溶液的初始响应电流(A₀)；

2)向PFOA含量的装置的待测样品溶液池1内加入pH为6.48的0.01M的磷酸盐缓冲溶液，磷酸盐缓冲溶液的体积为待测样品溶液池1体积的50％；接着将实施例2配制的浓度分别为2.5mg/L、5mg/L、10mg/L、25mg/L的PFOA标准溶液和浓度为50mg/L的PFOA母液分别加入到待测样品溶液池1内，加入量与pH为6.48的0.01M的磷酸盐缓冲溶液的体积相同，开启电源，分别测定加入PFOA标准溶液后的测定响应电流(A_实)，获得不同浓度PFOA标准溶液后数字电极测得的响应电流，计算电流降(ΔA)＝A_实－A₀；

3)根据测定结果以PFOA溶液的浓度为横坐标，电流降为纵坐标绘制工作曲线，电流降-PFOA工作曲线如式(Ⅰ)所示，绘制的工作曲线图如图7所示。

y＝0.0098X+0.2066 (Ⅰ)

其中：式(Ⅰ)的斜率为0.0098；x为PFOA溶液浓度(mg/L)；y为电流降(μA)。

根据测定结果，图7分析可知，本发明的PFOA测定装置的数字电极测量响应范围为5-50mg/L。

根据所得曲线回归方程计算目标PFOA的含量。当气体中待测PFOA浓度在线性范围内时，可直接测定；当气体中待测PFOA浓度值超过线性范围时，需将样品稀释后测定。

实施例6测定空气中PFOA含量

采用大气采样仪(上海怡星机电设备有限公司生产)在北京市平谷区某涂装车间外10米处现场(气温：22.5℃；气压：101.303kPa)采集的空气，每隔3小时采集一次，24h共采集8次样品，其中，第一次取样时间为凌晨1点，其余取样时间点为每间隔3h取样一次，每次平行取样4个，每个样品采集18L空气；用内装有吸收液去离子水(10ml)的吸收管(10ml)吸收大气中的PFPOA，以0.3L/min流量采样60min，制成待测空气样品溶液(10ml)；

将制成的8个待测空气样品的32个样品溶液分别与等体积的磷酸缓冲溶液(0.01M，pH6.48)混合均匀后置于本发明测定装置的待测样品池1内，混合溶液淹没数字电极系统，然后开启电源，测定电流，然后根据电流差，查阅实施例5绘制的PFOA工作曲线，获得相应的PFOA浓度，测定结果如表1所示。

以取样时间点1为例进行说明，计算结果如下：

每个采样样品的空气体积(V₀＝18L)：V₀＝0.3L/min×T，其中，T为采样时间60min；

则溶解PFOA的实际体积Vt则需要根据采样时的气温和大气压进行校正：

其中，t＝22.5℃，P＝101.302KPa

计算得到溶解PFOA的实际空气体积Vt＝16.6L；

测定的电流降ΔA＝A_实－A₀；然后查阅“PFOA测定标准曲线图”，对应的纵坐标即为相应的溶液中的PFOA含量，然后进行换算，获得空气中PFOA的含量。

ΔA＝A_实－A₀＝0.267-0.002＝0.265μA，“PFOA测定标准曲线图”中对应的纵坐标为5.6mg/L。

5.6mg/L÷16.6L＝5.6*10^-3μg除以16.6*10^-3m³＝0.34μg/m³

对照例

除了采用高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS)仪器分析法测定实施例6采集的样品之外，其余与实施例6相同，测定结果如表1所示，其中，HPLC-MS/MS分析法测定PFOA含量的具体操作步骤和实验条件如下：

1)色谱与质谱条件：

色谱条件：采用二元梯度淋洗，A为甲醇；B为50mmol/L的NH₄AC。B在4min内由28％降至5％，并在第7min时回到起始条件，总分析时间为10min，流速1mL/min，10μL进样。

质谱条件：分析物经色谱柱分离后质谱检测。使用电喷雾离子化源(ESI)，负离子模式；气帘气0.24MPa；碰撞气0.021MPa；离子喷雾电压-2000V；温度375℃。

2)线性范围和检出限：对一系列浓度的混合标准溶液进样10μL分析，以内标法进行定量。内标物为¹³C₄-PFOA(购自加拿大Wellington Labortories)。结果表明：PFOA的线性范围在0.05-50mg/L，具有良好的线性，检出限在0.01-0.015mg/L之间。

3)样品分析：分别采用HPLC-MS/MS法和数字电极法对空气中PFOA浓度进行测定，结果如下表1所示。

表1数字电极法与仪器分析法测定空气中PFOA值对照表

由表1可知，利用本发明的全氟辛酸测定装置现场测定空气中PFOA含量的结果与采用高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS)仪器分析法测定结果的误差极小，相对误差≤6.3％，说明本发明的PFOA测定装置完全可替代HPLC-MS/MS分析法来完成对空气中PFOA的测定，而且利用本发明的PFOA测定装置测定空气环境中的PFOA操作简单，而且本发明装置体积小，结构简单，可以随身携带，操作简便，使用方便，能够随时测定，实时监控环境中的PFOA浓度，适合于野外环境的现场特点，环境中PFOA测量装置测定结果准确性、可靠性高。

本发明测定方法的灵敏度高，可以检测含量低的PFOA，最低检出量为5mg/m³，检测线性范围广，达到5-50mg/m³，待测样品溶液不需要进行富集，可以直接进行测定，与现有的PFOA测定方法需要将待测样品溶液预先富集达到一定浓度后才能进行测定相比，样品处理步骤少，操作简单，消耗的测试试剂少，利于环境保护。本发明方法测定结果准确，可以替代高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS)仪器分析法测定PFOA的含量。

Claims (4)

1.一种测定全氟辛酸含量的数字电极，包括极谱式PO₂电极，其特征是，还包括固定在所述极谱式PO₂电极底部的生物数字膜片，其中，所述生物数字膜片包括枯草芽孢杆菌、纤维素和硅藻土型担体，所述枯草芽孢杆菌为枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis XZ Ⅰ 125，其微生物保藏号为CGMCC N_O.1747，其中，所述生物数字膜片按照如下步骤制备而成：

A)将枯草芽孢杆菌转移至无菌水中，制成枯草芽孢杆菌湿菌体，所述枯草芽孢杆菌湿菌体中枯草芽孢杆菌的浓度为3.0×10³-3.0×10⁵CFU/mL；

B)将枯草芽孢杆菌湿菌体与纤维素、101担体、6201担体混合均匀后，均匀涂布在表面光滑的平板上，制成平面湿菌体膜片，所述枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis XZ Ⅰ 125湿菌体的体积与纤维素的重量、101担体重量、6201担体的重量之比为40-50：40-50：40-50：10-20；

C)对平面湿菌体膜片进行干燥固定处理。

2.一种测定全氟辛酸含量的测定装置，其特征是，包括待测样品存放系统、测定全氟辛酸含量的数字电极系统、数据处理系统，所述数字电极系统设置于所述待测样品存放系统内部，所述数字电极系统通过导线与数据处理系统连接；其中，所述数字电极系统包括极谱式PO₂电极、生物数字膜片和固定件，所述固定件将所述生物数字膜片固定在所述极谱式PO₂电极的底部，且与所述极谱式PO₂电极的底部紧密连接在一起，其中，所述生物数字膜片包括枯草芽孢杆菌、纤维素和硅藻土型担体，所述枯草芽孢杆菌为枯草芽孢杆菌Bacillussubtilis XZ Ⅰ 125，其微生物保藏号为CGMCC N_O.1747，所述生物数字膜片按照如下步骤制备而成：

A)将枯草芽孢杆菌转移至无菌水中，制成枯草芽孢杆菌湿菌体，所述枯草芽孢杆菌湿菌体中枯草芽孢杆菌的浓度为3.0×10³-3.0×10⁵CFU/mL；

B)将枯草芽孢杆菌湿菌体与纤维素、101担体、6201担体混合均匀后，均匀涂布在表面光滑的平板上，制成平面湿菌体膜片，所述枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis XZ Ⅰ 125湿菌体的体积与纤维素的重量、101担体重量、6201担体的重量之比为40-50：40-50：40-50：10-20；

C)对平面湿菌体膜片进行干燥固定处理。

3.如权利要求2所述的测定装置，其特征是，所述待测样品存放系统由待测样品溶液池组成。

4.如权利要求2所述的测定装置，其特征是所述固定件上开设有供溶液中氧气(O₂)自由通过的通道。