CN106645348B - 一种高稳定微生物电化学传感器的制备方法 - Google Patents

一种高稳定微生物电化学传感器的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种微生物电化学传感器的制备方法，所述微生物电化学传感器由容积20‑1570mL的有机玻璃或聚四氟乙烯材料的容器、工作面积0.1‑1cm2的玻碳或石墨工作电极、Ag/AgCl或饱和甘汞参比电极、工作面积1cm2的铂片或铂丝对电极以及多巴胺盐酸盐的弱碱溶液构成；所制备的微生物电化学传感器用于快速、原位获取水体组成信息的监测系统，该监测系统耐受高浓度有机溶剂、强酸、高温、低温的极端环境。本发明的有益效果是：该微生物电化学传感器了传统微生物电化学系统无法在强酸、高温、低温、高浓度有机溶液等极端环境下运行的缺陷，本发明的新型微生物电化学系统运行稳定，检测快速、准确。

Description

一种高稳定微生物电化学传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及微生物电化学技术领域，特别涉及一种高稳定微生物电化学传感器的制备方法。
背景技术
水质安全，直接关系到人类的健康，因此，快速在线监测水中有毒物质至关重要。传统的水质分析技术包括化学分析法、分光光度分析法、原子光谱分析法、色谱分析法等，但由于检测水体组分的复杂性，受环境影响大等特性，难以达到水质检测要求，更无法实现在线检测。微生物电化学传感器由于其体积小、成本低、选择性好、灵敏度高、响应快等优势，实现快速在线连监测复杂体系而受到广泛关注。
微生物电化学传感器是以活体微生物材料作为敏感元件，电极作为转换元件，以电流或电势为特征检测信号的传感器。微生物电化学传感器具有高度选择性，可以直接、快速获取复杂体系组成信息的优势，然而其易受有机溶剂、强酸、温度等的外界环境影响，因此常规的微生物电化学传感器评价复杂体系的适用范围极大地受到了限制。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种高稳定微生物电化学传感器的制备方法，该发明应用于水质检测和成分分析时，不受外界环境因素的影响，可稳定运行于极低pH、高浓度有机溶液存在等极端环境中，是一种全新的高效、稳定、宽适用范围的微生物电化学传感器水质监测技术。
本发明的技术方案：
一种高稳定微生物电化学传感器的制备方法，所述微生物电化学传感器由容积20-1570mL的有机玻璃或聚四氟乙烯材料的容器、工作面积为0.1-1cm2的玻碳或石墨工作电极、Ag/AgCl或饱和甘汞参比电极、工作面积为1cm2的铂片或铂丝对电极以及多巴胺盐酸盐的弱碱溶液构成，步骤如下：
1)向容器内插入工作面积为0.1-1cm2的玻碳或石墨工作电极、Ag/AgCl或饱和甘汞参比电极、工作面积为1cm2的铂片或铂丝对电极，然后向容器中加入通过曝氮气10-30min厌氧处理的生活污水、厌氧污泥、河底海底沉积物或者经长期驯化生物相稳定的微生物燃料电池的出水，以浓度为0.2-2g/L的乙酸钠或葡萄糖作为底物，使用恒电位仪计时电流法进行微生物的培养；
2)运行3-10天以形成传感器电极生物膜，向传感器体系中加入浓度为1-5mg/mL、pH为7.5-10.5的多巴胺盐酸盐的弱碱溶液，反应0.5-2h，在生物电极表面形成一层50-200nm的聚多巴胺膜，制得高稳定微生物电化学传感器。
一种按上述制备方法制备的高稳定微生物电化学传感器的应用，用于快速、原位获取水体组成信息的监测系统，该监测系统在高浓度有机溶剂、强酸、高温、低温的极端环境下，保证监测结果的真实、有效性，向体系中加入待检测液体样本，通过电流电压的变化可以较准确地分析出水质情况及成分组成。
本发明以聚多巴胺(polydopamine)为高效的生物电极修饰材料，用以维持产电微生物为基础的微生物电化学传感器在极端环境下在线检测的稳定性。
本发明的有益效果是：该微生物电化学传感器克服了传统微生物电化学系统无法在强酸、高温、低温、高浓度有机溶液等极端环境下运行的缺陷，本发明的新型微生物电化学系统运行稳定，检测快速、准确。
附图说明
图1为聚多巴胺修饰微生物前(a)，修饰后(b)的扫描电子显微镜图。
图2为待测溶液pH＝1.5时运行96h后，聚多巴胺修饰电极前(a)，修饰后(b)的激光共聚焦扫描显微镜图。
图3为45℃运行48h，聚多巴胺修饰电极前(a)，修饰后(b)的电镜图。
图4为15℃运行48h，聚多巴胺修饰电极后(左)，修饰前(右)的电极表面生物膜图像。
具体实施方式
实施例1：
一种制备的微生物电化学传感器在强酸条件下运行：
在实现快速、连续的水质监测时，待测水体的低pH值往往限制了检测系统的稳定运行，造成传感器系统的生物大量死亡或者脱落，继而直接影响反应器的运行，造成监测系统瘫痪。
传感器的池体采用直径50mm，高100mm的有机玻璃容器和聚四氟乙烯材料的盖子构成，向容器内插入工作电极为0.25cm2(工作面积)的玻碳电极、参比电极为3.5M Ag/AgCl电极和对电极为1cm2(工作面积)的铂片。
向反应器中加入曝氮气10min厌氧处理的经长期驯化生物相稳定的微生物燃料电池的出水，以1g/L乙酸钠为底物，使用恒电位仪计时电流法进行微生物的培养，待电流增为峰值时，向传感器体系中加入1mg/mL的pH为8.5的多巴胺盐酸盐(Dopaminehydrochloride)的弱碱溶液，反应0.5h。
图1为聚多巴胺修饰微生物前(a)，修饰后(b)的扫描电子显微镜图。
将pH为1.5的待测水体加入传感器体系中，运行96h后，取出未修饰聚多巴胺膜的电极和修饰聚多巴胺膜的电极在激光共聚焦扫描显微镜下拍摄，如图2所示，可以明显看出，未修饰聚多巴胺膜的电极上微生物膜厚度为20-30μm，且生物量明显降低，只有极少量的生物存在，相反，修饰聚多巴胺膜的电极上微生物膜厚度为130-140μm，且生物丰富、均匀。
实施例2：
一种制备的微生物电化学传感器在高温条件下运行：
在实现快速、连续的水质监测时，外界环境温度超过生物的最大适宜温度时，往往限制了检测系统的稳定运行，造成传感器系统的生物大量死亡或者脱落，继而直接影响反应器的运行，造成监测系统瘫痪。
传感器的池体采用直径30mm，高30mm的聚四氟乙烯材料构成，向容器内插入工作电极为0.1cm2的玻碳电极、参比电极为3.5M Ag/AgCl电极和对电极为1cm2的铂片。
向反应器中加入曝氮气20min厌氧处理的经长期驯化生物相稳定的微生物燃料电池的出水，以0.5g/L乙酸钠为底物，使用恒电位仪计时电流法进行微生物的培养，待电流增为峰值时，向传感器体系中加入2mg/mL、pH为9.5的多巴胺盐酸盐(Dopaminehydrochloride)的弱碱溶液，反应1h。
将待测水体加入传感器体系中，保持运行环境温度45℃运行48h后，取出未修饰聚多巴胺膜的电极和修饰聚多巴胺膜的电极在电镜下拍摄，如图3所示，可以明显看出，未修饰聚多巴胺膜的电极上微生物膜厚度无法辨识，只有极少量的生物存在，相反，修饰聚多巴胺膜的电极上微生物膜厚度为100-200μm，且生物丰富、均匀。
实施例3：
一种制备的微生物电化学传感器在低温条件下运行
在实现快速、连续的水质监测时，外界环境温度低于生物的最小适宜温度时，往往限制了检测系统的稳定运行，造成传感器系统的生物大量死亡或者脱落，继而直接影响反应器的运行，造成监测系统瘫痪。
传感器的池体采用直径100mm，高200mm的聚四氟乙烯材料构成，向容器内插入工作电极为0.25cm2(工作面积)的玻碳电极、参比电极为3.5M Ag/AgCl电极和对电极为1cm2的铂片。
向反应器中加入曝氮气30min厌氧处理的经长期驯化生物相稳定的微生物燃料电池的出水，以0.5g/L乙酸钠为底物，使用恒电位仪计时电流法进行微生物的培养，待电流增为峰值时，向传感器体系中加入2mg/mL、pH为8.5的多巴胺盐酸盐(Dopaminehydrochloride)的弱碱溶液，反应2h。
将待测水体加入传感器体系中，保持运行环境温度15℃运行48h后，取出未修饰聚多巴胺膜的电极和修饰聚多巴胺膜的电极，用灭菌刀刮下电极表面的生物膜于离心管中，如图4所示，可以明显看出，未修饰聚多巴胺膜的电极上微生物生物量较小，且颜色变为白色，相反，修饰聚多巴胺膜的电极上生物量较多，且呈粉红色，与接种的生物保持一致。

Claims (2)

1.一种高稳定微生物电化学传感器的制备方法，其特征在于所述微生物电化学传感器由容积20-1570mL的有机玻璃或聚四氟乙烯材料的容器、工作面积为0.1-1cm2的玻碳或石墨工作电极、Ag/AgCl或饱和甘汞参比电极、在工作电极表面的实际工作面积为1cm2的铂片或铂丝对电极以及多巴胺盐酸盐的弱碱溶液构成，以上所有部件均自制而成，步骤如下：
1)向容器内插入工作面积0.1-1cm2的玻碳或石墨工作电极、Ag/AgCl或饱和甘汞参比电极、工作面积1cm2的铂片或铂丝对电极，然后向容器中加入通过曝氮气10-30min厌氧处理的初沉池污水或者经长期驯化生物相稳定的微生物燃料电池的出水，以浓度为0.2-2g/L的乙酸钠或葡萄糖作为底物，使用恒电位仪计时电流法进行微生物的培养；
2)运行3-10天以形成传感器电极生物膜，向传感器体系中加入浓度为1-5mg/mL、pH为7.5-10.5的多巴胺盐酸盐的弱碱溶液，反应0.5-2h，在生物电极表面形成一层50-200nm的聚多巴胺膜，制得微生物电化学传感器。
2.一种按照权利要求1所述的制备方法制备的高稳定微生物电化学传感器的应用，其特征在于用于快速、原位获取水体组成信息的监测系统，耐受高浓度有机溶剂、强酸、高温、低温的极端环境，向体系中加入待检测液体样本，通过电流电压的变化可以较准确地分析出水质情况及成分组成，方法如下：
1)将制备成功的高稳定微生物电化学传感器与恒电位仪连接，向体系中加入待检测液体样本，样本体积小于传感器容积，使用恒电位仪计时电流法实时监测水体的组成信息；
2)通过恒电位仪采集到的电流或电压的变化分析出水质情况及成分组成。
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