CN112946039B - 一种氨氮传感器及氨氮检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氨氮传感器及氨氮检测方法，所述氨氮传感器包括传感器壳体、生物阳极、化学阴极和外部负载，所述传感器壳体的内部为空腔结构，所述生物阳极和化学阴极设于传感器壳体内，所述外部负载设于所述传感器壳体外，所述外部负载的一端与所述生物阳极连接，另一端与所述化学阴极连接，所述生物阳极上附着电活性生物膜，所述电活性生物膜包括盐单胞菌属菌株生物膜，或盐单胞菌属菌株与其他菌群的混合生物膜，所述盐单胞菌属具有胞外电子传递功能。所述化学阴极上负载催化剂；还包括一种氨氮检测方法。本发明基于生物电化学原理，提供一种氨氮传感器及其运行方法，可以实现高盐水体中氨氮浓度的准确、可靠、长期连续检测。

Description

一种氨氮传感器及氨氮检测方法
技术领域
本发明属于水质检测领域，具体涉及一种氨氮传感器及氨氮检测方法。
背景技术
氨氮作为一种常见的水体污染物，其会造成水体富营养化、水体黑臭等问题，对水生生物具有明显的毒害作用，同时会危害人体健康。高盐水是指海水、苦咸水和含至少3.5％(质量分数)总溶解固体的废水，主要包括海水、苦咸水、海水养殖废水、石油和天然气的采集加工废水、染料废水、农药废水、制药废水、日用化工废水等。这些水体除了含有高浓度盐外，往往含有较高浓度的氨氮。为防止高盐水体中的氨氮造成环境和健康危害，需要对水体中氨氮含量进行检测。
现有的氨氮检测方法主要有两种，即分光光度法和氨气敏电极法。分光光度法包括纳氏试剂法、水杨酸分光光度法、靛酚蓝分光光度法等，该类方法技术难度较小，测试成本低，但存在操作步骤繁琐、试剂二次有毒污染、测量结果易受周围环境干扰等问题。氨气敏电极法操作简便，检测速度快，不容易受色度、悬浮物等干扰，但是该方法中的pH电极容易受高浓度溶解离子的干扰，造成测量误差，此外氨气敏电极法无法实现长期连续监测。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种用于高盐水体的氨氮传感器及氨氮检测方法，来解决现有氨氮检测方法难以实现对高盐水体中氨氮浓度进行准确、可靠、长期连续检测的问题。本发明采用的技术手段如下：
一种氨氮传感器，包括传感器壳体、外部负载、生物阳极和化学阴极，所述传感器壳体的内部为空腔结构，所述外部负载设于所述传感器壳体外，所述生物阳极和化学阴极设于传感器壳体内，所述外部负载的一端与所述生物阳极连接，另一端与所述化学阴极连接，所述生物阳极上附着电活性生物膜，所述电活性生物膜为盐单胞菌属菌株生物膜，或盐单胞菌属菌株与其他菌群的混合生物膜，所述盐单胞菌属菌株在高盐环境中具有胞外电子传递功能，所述化学阴极上负载有催化剂。
优选地，所述传感器壳体内设有质子交换膜，所述质子交换膜设于所述生物阳极和化学阴极之间，将所述传感器壳体分为阳极室和阴极室，所述化学阴极发生稳定的电化学还原反应，其电子受体为氧气、铁氰化钾、高锰酸钾、重铬酸钾、过氧化氢中的一种。
优选地，所述化学阴极为空气阴极，其以空气中的氧气为电子受体，无需设置质子交换膜，阳极和阴极处于同一腔室。所述空气阴极包括催化层、集流体和气体扩散层，所述集流体为钛网、不锈钢网、碳布、碳纸等，所述气体扩散层与空气接触，所述催化层内设有氧还原催化剂，所述催化层设于所述传感器壳体内。
优选地，所述生物阳极为生物相容性好、导电性好且耐高盐腐蚀的材料，优选为碳纤维布、碳纤维刷、碳纸、石墨毡、石墨片、泡沫碳、活性碳颗粒、半焦颗粒中的一种。
优选地，所述生物阳极上可以负载或直接生长纳米导电剂。
优选地，所述纳米导电剂为碳纳米管、石墨烯、金属氧化物中的一种。
优选地，所述化学阴极材料导电性好且耐高盐腐蚀，优选为碳纤维布、碳纤维刷、碳纸、石墨毡、石墨片、泡沫碳、活性碳颗粒、半焦颗粒中的一种。根据电子受体不同，在阴极材料上负载可催化电子受体还原的催化剂。
优选地，所述外部负载的电阻为100-5000Ω。
基于上述氨氮传感器的氨氮检测方法，包括如下步骤：
S1、传感器启动：经盐单胞菌属菌株活化、培养后，将盐单胞菌属菌株纯菌或其与其他菌群的混合菌接种到传感器壳体内，在生物阳极上富集培养成熟的电化学活性生物膜；
S2、标准曲线测定：在高盐水体中添加已知不同浓度的氨氮，形成系列标准阳极液，配制固定浓度的铁氰化钾、高锰酸钾、重铬酸钾或过氧化氢作为阴极液。将阳极液注入阳极室，将阴极液注入阴极室。当阴极以空气中的氧气为电子受体时(即空气阴极)，仅将阳极液注入传感器腔体。接通外电路，记录外部负载两端的电流和电压信号，获取电流/电压值与氨氮浓度之间的定量关系曲线，得到响应拟合方程；
S3、样品检测：将待测含有氨氮的高盐废水样品作为阳极液，测定外部负载两端的电流和电压信号，代入步骤S2所得的定量关系曲线和拟合方程，获得氨氮浓度。
本发明检测氨氮的原理为：生物阳极为传感单元，化学阴极为稳定的电子消耗单元。生物阳极上的盐单胞菌属菌株具有胞外电子传递功能，可以在高盐环境中氧化有机底物，产生电子，并将电子传递至细胞外的阳极材料上。阳极上的电子通过外部负载到达阴极，进而被电子受体消耗，从而在外电路产生电流和电压信号。当阳极溶液中的氨氮浓度变化时，盐单胞菌属菌株生长代谢和产生电子的速度随之变化，从而引起外电路电流和电压变化，并且氨氮浓度与外电路的电流/电压之间存在定量关系，通过该定量关系即可对氨氮浓度进行检测。
与现有技术比较，本发明所述的一种氨氮传感器及氨氮检测方法的有益效果为：
1、本发明所述传感器以阳极上的盐单胞菌属菌株生物膜为氨氮传感单元，盐单胞菌属菌株的代谢和产电活性与氨氮浓度密切关联，且不易受水体色度、悬浮物等干扰，其氨氮检测结果准确性高，灵敏度高，而且盐单胞菌属菌株生物膜活性可长期保持稳定，传感器长期使用的稳定性好。
2、本发明中盐单胞菌属菌株在5-60g/L盐度范围内均具有较强的代谢和产电活性，所制备的氨氮传感器可适用于多种不同盐浓度的高盐水体氨氮检测。
3、本发明所述氨氮传感器可通过外部负载的电流/电压信号直接读取氨氮浓度，实现氨氮浓度的实时、在线、连续监测。
4、本发明基于生物电化学原理，所述氨氮传感器利用盐单胞菌属菌株的胞外电子传递特性，实现自我供电，无需外接电源或电化学工作站等仪器，结构简单，体积小，构建和运行成本低。
5、本发明所述氨氮传感器使用方便，无需复杂的人工操作，无需额外使用化学试剂，可实现自动化检测，同时不产生任何环境污染。
附图说明
图1是本发明实施例1中氨氮传感器的结构示意图。
图2是本发明实施例2中氨氮传感器在不同NaCl浓度下的产电性能图。
图3是本发明实施例2中氨氮传感器的氨氮浓度-电压响应曲线。
图中，1、生物阳极；2、化学阴极；3、传感器壳体；4、外部负载；5、电活性生物膜；6、催化层；7、集流体；8、气体扩散层。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，一种用于高盐水体的氨氮传感器，包括生物阳极1、化学阴极2、传感器壳体3和外部负载4。传感器壳体3的内部为用于盛放待检测水体的空腔结构，生物阳极1和化学阴极2设于传感器壳体3内，外部负载4设于传感器壳体3外。外部负载4的一端与生物阳极1连接，另一端与化学阴极2连接，外部负载4的电阻具体选择为1000Ω。生物阳极1上附着电活性生物膜5，电活性生物膜5为盐单胞菌属菌株生物膜或者盐单胞菌属菌株与其他菌群的混合生物膜，化学阴极2上负载催化剂。
化学阴极2为空气阴极，其电子受体为氧气，空气阴极由催化层6、集流体7、气体扩散层8压合在一起制成。其中，气体扩散层8与空气接触，集流体7选择钛网，催化层6以活性碳为氧还原催化剂，催化层6设于传感器壳体3内，且面向反应器腔体。空气中的氧气可以通过气体扩散层8扩散到达催化层6，在活性碳催化剂附近的“气-液-固”三相界面发生还原反应。
生物阳极1上可以负载碳纳米管、石墨烯或金属氧化物等纳米导电剂，增强导电性。生物阳极1具体选择为碳纤维刷，使用前先采用异丙醇清洗，再置于马弗炉中450℃热处理60min，以提高生物相容性。在处理后生物阳极1上生长电活性生物膜5，电活性生物膜5具体选择为Halomonas venusta DSM 4743T生物膜，该盐单胞菌H.venusta DSM 4743T菌株购自德国DSMZ公司(GermanCollection of Microorganisms and Cell Cultures)。
实施例2：
一种利用实施例1所述传感器检测氨氮的方法，所述方法包括如下步骤：
S1、传感器启动：
选择菌株：盐单胞菌H.venusta DSM 4743T菌株，购自德国DSMZ公司(GermanCollection of Microorganisms and Cell Cultures)。
菌株活化：将所选菌株接种至培养基A中，在30℃、120r/min下，活化24h。培养基A为：蛋白胨10g/L，酵母粉5g/L，NaCl 30g/L，pH＝7.2。在121℃下高压蒸汽灭菌20min。
菌株培养：将上述活化菌株按1％的接菌量接种至培养基B中，在30℃、120r/min下，培养48h。培养基B为：葡萄糖15g/L，谷氨酸单钠15g/L，(NH4)2SO4 10g/L，酵母粉0.5g/L，KH2PO4 3g/L，K2HPO4·3H2O 9g/L，MgSO4·7H2O 0.4g/L，MnSO4·H2O 0.01g/L，NaCl 30g/L。在121℃下高压蒸汽灭菌20min。
传感器接种与启动：将上述培养的H.venusta DSM 4743T离心，获得纯菌，使用启动基质C重悬，注入传感器腔体中，传感器使用前采用75％浓度乙醇或121℃高压蒸汽灭菌。启动基质C为：葡萄糖10g/L，谷氨酸单钠10g/L，酵母粉2g/L，K2HPO4·3H2O 46.25g/L，KH2PO42.75g/L，NH4Cl 4g/L，KCl 0.2g/L，NaCl 30g/L，采用海水配制，pH＝7.2。在121℃下高压蒸汽灭菌20min。
阳极与空气阴极之间连接电阻为1000Ω的外部负载，然后将传感器置于30℃恒温培养箱中，进行启动。
通过数据采集仪采集外部负载两端的电压信号，每隔24h更换新的启动基质C，当输出电压达到100mV以上且不再升高后，开始根据运行周期更换基质。更换新基质后传感器电压上升，在最高电压保持一段时间后下降，当电压下降至50mV以下时认为一个运行周期结束，此时更换新基质。当连续三个运行周期且最高电压基本一致时，认为传感器启动完成。
改变基质C中NaCl浓度分别为15、30、45、60g/L，测试产电电压，结果如图2所示。可见H.venusta DSM 4743T生物膜在15-60g/L NaCl浓度范围内，都具有良好的产电能力，其中NaCl浓度为30g/L时产电电压最高。
S2、标准曲线测定：
在30g/L NaCl盐浓度下配置一系列不同氨氮浓度的高盐废水，作为传感器阳极液D。传感器阳极液D为：葡萄糖10g/L，K2HPO4·3H2O 9g/L，KH2PO4 3g/L，NH4Cl Xg/L，KCl0.2g/L，NaCl 30g/L，微量元素(Na2EDTA 63.7g/L，ZnSO4 2.2g/L，CaCl2 5.5g/L，MnCl2·4H2O 5.06g/L，FeSO4·7H2O 5g/L；Na2MoO4·2H2O 1.1g/L，CuSO4·5H2O 1.57g/L，CoCl2·6H2O 1.61g/L)2mL/L，pH＝7.2。在121℃下高压蒸汽灭菌20min。其中NH4Cl的浓度X分别为3.82、1.91、0.76、0.57、0.38、0.19g/L，对应NH4 +-N浓度为1000、500、200、150、100、50mg/L。
将阳极液D注入阳极室(本实施例中阳极室和阴极室为同一腔体)，接通外电路，置于30℃恒温培养箱中运行。记录外部负载两端的电压信号，将峰值电压值P(mV)与氨氮浓度C(NH4 +-N mg/L)关联，获得定量关系曲线，如图3所示，得到线性响应拟合方程为：P＝34.629ln(C)-118.67，相关系数(R2)为0.9825。
S3、样品检测：
将待测含有氨氮的高盐废水样品注入传感器腔室，测定外部负载两端的最高电压信号，对比所述定量关系曲线和拟合方程，即可获得氨氮浓度。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种氨氮传感器，其特征在于：包括传感器壳体(3)、生物阳极(1)、化学阴极(2)和外部负载(4)，所述传感器壳体(3)的内部为空腔结构，所述生物阳极(1)和化学阴极(2)设于传感器壳体(3)内，所述外部负载(4)设于所述传感器壳体(3)外，所述外部负载(4)的一端与所述生物阳极(1)连接，另一端与所述化学阴极(2)连接，所述生物阳极(1)上附着电活性生物膜(5)，所述电活性生物膜为盐单胞菌属菌株生物膜，所述盐单胞菌属菌株在高盐环境中具有胞外电子传递功能，所述化学阴极(2)上负载催化剂；化学阴极(2)为空气阴极，其电子受体为氧气，空气阴极由催化层(6)、集流体(7)、气体扩散层(8)压合在一起制成，所述气体扩散层(8)与空气接触。
2.根据权利要求1所述的一种氨氮传感器，其特征在于：所述传感器壳体(3)内设有质子交换膜，所述质子交换膜设于所述生物阳极(1)和化学阴极(2)之间，将所述传感器壳体(3)分为阳极室和阴极室。
3.根据权利要求1所述的一种氨氮传感器，其特征在于：所述催化层(6)、集流体(7)和气体扩散层(8)依次压合连接，所述催化层(6)负载氧还原催化剂，所述催化层(6)设于所述传感器壳体(3)内。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种氨氮传感器，其特征在于：所述外部负载(4)的电阻为100-5000Ω。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种氨氮传感器，其特征在于：所述生物阳极(1)为碳纤维布、碳纤维刷、碳纸、石墨毡、石墨片、泡沫碳、活性碳颗粒或半焦颗粒，所述化学阴极(2)为碳纤维布、碳纤维刷、碳纸、石墨毡、石墨片、泡沫碳、活性碳颗粒或半焦颗粒。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种氨氮传感器，其特征在于：所述生物阳极(1)上负载纳米导电剂。
7.根据权利要求6所述的一种氨氮传感器，其特征在于：所述纳米导电剂为碳纳米管、石墨烯或金属氧化物。
8.基于权利要求1-7中任意一项所述氨氮传感器的氨氮检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、传感器启动：将包含盐单胞菌属的菌株接种到传感器壳体(3)内，在生物阳极(1)上培养电活性生物膜(5)；
S2、标准曲线测定：用不同氨氮浓度的阳极液作为系列标准阳极液，接通外电路，记录外部负载(4)两端的电流和电压信号，获取电流/电压值与氨氮浓度之间的定量关系曲线，得到响应拟合方程；
S3、样品检测：将待测水体作为阳极液，测定外部负载(4)两端的电流和电压信号，代入步骤S2所得的拟合方程，获得氨氮浓度。
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