CN110487875A - 一种测定水体不同深度溶解氧的生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定水体不同深度溶解氧的生物传感器，包括通过导线连接的阳极，所述阳极设置在充满沉积物的基座中；所述基座通过设置在上端面的盖板封闭沉积物，所述基座顶面两侧分别设置有伸缩杆；所述伸缩杆上端部相对设置有连接杆；所述连接杆之间固定有阴极，所述阴极的一端通过导线与设置在伸缩杆内的电阻相连接，所述电阻的另一端通过导线与基座内的阳极相连接；所述阴极的另一端与牵引线连接；所述牵引线的另一端穿入伸缩杆上端部设置的支撑杆，并从支撑杆顶部导出。本发明旨在提供一种以微生物燃料电池为基础，通过调节阴、阳极的距离，可以很方便地测定水体不同深度溶解氧含量的生物传感器。
Description
技术领域
本发明涉及生物传感器领域，尤其涉及一种测定水体不同深度溶解氧的生物传感器。
背景技术
传统的溶解氧测定方法主要有物理、化学和电化学方法等，已经开发了多种溶解氧传感器，如荧光溶解氧传感器，被广泛用于溶解氧浓度的测量。然而，这些电极型传感器有几个缺点，例如电极材料比较昂贵，小型化困难以及来自其他传感器的电磁干扰等。微生物燃料电池是一种生物电化学装置，微生物燃料电池可以通过由外源微生物催化的生物过程将化学能直接转化为电能。微生物燃料电池及其衍生技术越来越受到关注，因为它们不仅能够从废水中回收能源和对环境中的污染物进行处理，而且可以作为生物传感器对环境进行监测，特别有希望用作原位和在线环境监测的自供电传感装置。微生物燃料电池传感器利用电活性微生物作为探针，目标分析物的存在或变化会影响微生物的电子转移过程，从而产生电信号。由于电压可以很容易地在线监测，微生物燃料电池可以用作廉价、可靠的在线生物传感器。因此，现急需一种以微生物燃料电池为基础，通过调节阴、阳极的距离，可以很方便地测定水体不同深度溶解氧含量的生物传感器。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，旨在提供一种以微生物燃料电池为基础，通过调节阴、阳极的距离，可以很方便地测定水体不同深度溶解氧含量的生物传感器。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种测定水体不同深度溶解氧的生物传感器，包括通过导线连接的阳极，所述阳极设置在充满沉积物的基座中；所述基座通过设置在上端面的盖板封闭沉积物，所述基座顶面两侧分别设置有伸缩杆；所述伸缩杆上端部相对设置有连接杆；所述连接杆之间固定有阴极，所述阴极的一端通过导线与设置在伸缩杆内的电阻相连接，所述电阻的另一端通过导线与基座内的阳极相连接；所述阴极的另一端与牵引线连接；所述牵引线的另一端穿入伸缩杆上端部设置的支撑杆，并从支撑杆顶部导出。
进一步的，所述伸缩杆由五根连接在一起的空心不锈钢管组成，每根不锈钢管长20cm。
进一步的，所述牵引线包括内层的导线层和外层的绝缘保护层，所述绝缘保护层由PVC或PE构成。
进一步的，所述阳极与阴极的表面积比为11∶1，所述阳极和阴极均由碳毡或石墨板构成。
进一步的，所述阴极为圆柱形，直径为8-12cm，厚度为0.5-2cm。
进一步的，所述电阻的电阻值为1000Ω。
进一步的，所述连接杆由PVC塑钢构成。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过嵌入厌氧沉积物中的阳极和悬浮在沉积物上方好氧水柱中的阴极，组成微生物燃料电池传感器。沉积物中的厌氧微生物可覆在阳极上，生长形成生物膜并自我修复，显著提高了传感器的稳定性和可持续性，从而直接产生和输出电信号，不需要额外的电源，简化了微生物燃料电池传感器的管理和维护，并降低了相关成本。本发明与其他类型的生物传感器相比，主要优点是可通过测电件进行实时监控，且便于携带。水中的溶解氧在阴极通过氧化还原反应被还原成水，微生物转移到阳极的电子数量对应于阴极与氧反应的电子数量。从而通过测量阴极产生的电压，作为溶解氧浓度的量度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中牵引线的结构示意图。
附图标记说明：
1-牵引线，2-支撑杆，3-阴极，4-连接杆，5-伸缩杆，6-电阻，7-导线，8-阳极，9-基座，10-盖板，11-导线层，12-绝缘保护层。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1和图2所示，一种测定水体不同深度溶解氧的生物传感器，包括通过导线7连接的阳极8，所述阳极8设置在充满沉积物的基座9中；所述基座9通过设置在上端面的盖板10封闭沉积物，所述基座9顶面两侧分别设置有伸缩杆5；所述伸缩杆5上端部相对设置有连接杆4，所述伸缩杆5由五根连接在一起的空心不锈钢管组成，每根不锈钢管长20cm；所述连接杆4之间固定有阴极3，所述阴极3的一端通过导线7与设置在伸缩杆5内的电阻6相连接，所述电阻6的另一端通过导线7穿过基座9上的预开孔，与基座9内的阳极8相连接；所述阴极3的另一端与牵引线1连接；所述牵引线1的另一端穿入伸缩杆5上端部设置的支撑杆2，并从支撑杆2顶部导出，所述牵引线1包括内层的导线层11和外层的绝缘保护层12，所述绝缘保护层12由PVC或PE构成；所述阳极8与阴极3的表面积比为11∶1，所述阳极8和阴极3均由碳毡或石墨板构成；所述阴极3为圆柱形，直径为8-12cm，厚度为0.5-2cm；所述电阻6的电阻值为1000Ω；所述连接杆4由PVC塑钢构成。
本发明可对深度为20cm-100cm之间不同深度的水体进行测量，使用前为保证沉积物内具有足够的有机物供厌氧微生物消耗，预先将含有5％有机物的沉积物放入基座9中。使用时首先确定需要测定的水体深度，根据所测深度至水体底面之间的距离，对应调节两个伸缩杆5的长度，本实施例中的伸缩杆5，可采用雨伞上伸缩杆相同的伸缩方式连接。然后通过牵引线1把传感器投入水体中，使传感器沉入水体底面后，让阴极3位于所需测定深度的水位，再将牵引线1与测电件进行连接。阳极8为厌氧微生物提供了生长的载体，厌氧微生物会自己覆在阳极8上形成生物膜，从而产生稳定的电压。水中的溶解氧在阴极3通过氧化还原反应被还原成水，厌氧微生物转移到阳极8的电子数量对应于阴极3与氧反应的电子数量。当阳极8与阴极3的表面积比为11∶1时，传感器的性能达到最佳，从而通过测量阴极3产生的电压，进行转换计算出改深度水体的溶解氧含量。若需要测定其他深度溶解氧的含量，通过牵引线1将传感器从水体取出，然后改变伸缩杆5的长度直到符合要求，再将传感器投放到水体中采集电压即可。
Development of a sediment microbial fuel cell-based biosensorforsimultaneoas online monitoring of dissolved oxygen concentrations alongvarious depths in lake water，Na Song，Zaisheng Yan，Huaeheng Xu，Zongbao Yao，Changhui Wang，Mo Chen，Zhiwei Zhao，Zhaoliang Peng，Chunliu Wang，He-LongJiang.Science of the Total Environment，673，272-280，2019。该文章实验数据表明，电压输出与溶解氧浓度呈线性关系，通过对实验数据进行分析处理，可以得到电压和溶解氧的线性关系为：y＝0.014x-0.123(x为电压，y为溶解氧)。将传感器输出的电压带入上述关系式中，可计算得出水体中溶解氧的含量。
其中，所述牵引线1包括内层的导线层11和外层的绝缘保护层12，所述绝缘保护层12由PVC或PE构成。牵引线内的导线层可进行电信号的传输，外层的绝缘保护层具有一定的拉伸强度，可保护内部导线层，同时让牵引线具有将传感器向水体中投放和回收的强度。
其中，所述连接杆4由PVC塑钢构成。PVC塑钢具有绝缘性好、强度高、耐腐蚀、重量轻的优点，固定阴极的同时可起到良好的绝缘作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种测定水体不同深度溶解氧的生物传感器，包括通过导线连接的阳极，其特征在于：所述阳极设置在充满沉积物的基座中；所述基座通过设置在上端面的盖板封闭沉积物，所述基座顶面两侧分别设置有伸缩杆；所述伸缩杆上端部相对设置有连接杆；所述连接杆之间固定有阴极，所述阴极的一端通过导线与设置在伸缩杆内的电阻相连接，所述电阻的另一端通过导线与基座内的阳极相连接；所述阴极的另一端与牵引线连接；所述牵引线的另一端穿入伸缩杆上端部设置的支撑杆，并从支撑杆顶部导出。
2.根据权利要求1所述的一种测定水体不同深度溶解氧的生物传感器，其特征在于：所述伸缩杆由五根连接在一起的空心不锈钢管组成，每根不锈钢管长20cm。
3.根据权利要求1所述的一种测定水体不同深度溶解氧的生物传感器，其特征在于：所述牵引线包括内层的导线层和外层的绝缘保护层，所述绝缘保护层由PVC或PE构成。
4.根据权利要求1所述的一种测定水体不同深度溶解氧的生物传感器，其特征在于：所述阳极与阴极的表面积比为11∶1，所述阳极和阴极均由碳毡或石墨板构成。
5.根据权利要求1所述的一种测定水体不同深度溶解氧的生物传感器，其特征在于：所述阴极为圆柱形，直径为8-12cm，厚度为0.5-2cm。
6.根据权利要求1所述的一种测定水体不同深度溶解氧的生物传感器，其特征在于：所述电阻的电阻值为1000Ω。
7.根据权利要求1所述的一种测定水体不同深度溶解氧的生物传感器，其特征在于：所述连接杆由PVC塑钢构成。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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