CN216208484U

CN216208484U - 一种基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器

Info

Publication number: CN216208484U
Application number: CN202122374884.5U
Authority: CN
Inventors: 闫茂成; 范卫华; 王俭秋; 柯伟
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2031-09-29

Abstract

本实用新型涉及一种基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器，属于微生物膜和微生物腐蚀监检测以及微生物腐蚀与控制领域。该传感器的高电位金属电极、低电位金属电极相互嵌套且形状与尺寸一致，形状为阿基米德螺旋形或阿基米德矩形，高电位金属电极与低电位金属电极对称排布，并保持邻近部分间距一致；高电位金属电极、低电位金属电极远离中心的一端连接测试线，阳极测试线远离中心的一端连接低电位金属电极，阴极测试线远离中心的一端连接高电位金属电极，外接电阻的两个引脚分别连接阳极测试线和阴极测试线。本实用新型有效避免了金属电极表面盐沉积，适用于微生物膜和微生物腐蚀监检测以及微生物腐蚀测试及评价。

Description

一种基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器

技术领域

本实用新型涉及一种基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器，属于微生物膜和微生物腐蚀监检测以及微生物腐蚀与控制领域。

背景技术

微生物腐蚀是管道腐蚀失效的重要原因之一，微生物在金属管道表面的代谢活动和腐蚀过程相互作用引起的局部腐蚀，是管道表面劣化的重要原因。微生物腐蚀严重危害管道的完整性和安全性，国内外报道了大量的微生物腐蚀导致的管道失效案例。据相关调查，美国81％的严重腐蚀与微生物相关，埋地金属腐蚀至少有50％是有微生物腐蚀参与的。参与金属腐蚀的菌主要有硫酸盐还原菌(SRB)、铁氧化菌和硫氧化菌等，其中SRB广泛存在于土壤、海水及地下管道等无氧或极少氧环境中，是影响管道金属设施MIC的主要厌氧菌。一般认为，SRB以SO₄ ^2-为电子受体氧化有机物，利用分子氢、脂肪酸、脂肪烃等有机物作为碳源和电子供体维持生命所必需能量，通过分泌胞外聚合物形成生物膜黏附于金属表面，加速金属材料的腐蚀过程。据报道，含SRB环境中碳钢的点蚀速率高达0.7～7.4mm/a。

大量化学消杀药剂可用来抑制管道内微生物附着生长，这也是目前我国油气田水系统、核电冷却水系统等水环境下管道对抗MIC的首要对策，但在实际工业应用中，由于化学消杀剂添加的频率与时机无法判断，造成了大量的消杀剂损耗与严重的环境污染。实时、连续监测生物膜生长对于优化微生物及生物膜消杀过程非常有益，使生物膜的即时消杀成为可能；此外，生物膜监测可以优化消杀药剂添加剂量，从而降低消杀成本，减小消杀药剂处理对环境的影响。

由于微生物腐蚀发生环境的复杂性和特殊性，微生物腐蚀的监测一直没有得到很好的解决。现有的一些微生物腐蚀监测装置实际是利用监测金属腐蚀的变化来判断微生物腐蚀情况，也就是将监测腐蚀速率或腐蚀电流的装置用到了有微生物环境中。现有两电极体系极化电阻测试装置，通过对其中一个电极实施线性极化来研究电极极化电阻，以此计算出腐蚀电流的大小。

微生物传感器是一种对微生物敏感，基于微生物反应将其浓度或数量转换为电信号实现微生物膜在线检测。阴极去极化理论认为吸附在金属表面的微生物可利用体内的氢化酶，在进行自身生命活动的同时，将阴极金属表面上生成的活性氢除去，并且通过这种“去极化”的电化学活性使得金属的溶解反应正向进行，微生物在腐蚀起到了阴极去极化剂的作用，因此可以通过监测金属的阴极去极化程度并将其用作金属表面生物膜生长状况的指标。

目前最常用的电流测量式传感器，基于阴极去极化理论，周期施加恒电位或恒电流极化，通过电极间的电流(极化电流和电偶电流)来评价微生物膜的状态。此种传感器虽然具有高灵敏度和监测精度，但必须周期施加极化电流或电位，才能在正负极间形成电流，极化电流或电位的施加往往取决于以往经验，实际上微生物膜的形成及生长会受到介质、温度、环境等影响，这种外加电信号的方法存在很大局限性，在此背景下，开发一种无需外加极化电信号，基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器，通过传感器两电极在环境介质中的电位差形成的电流表征微生物膜的生长状态，并为优化消杀药剂的用量及添加频次提供直接理论依据。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器，用于微生物膜和微生物腐蚀监检测以及微生物腐蚀测试及评价。

本实用新型的技术方案是：

一种基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器，包括高电位金属电极、低电位金属电极、外接电阻、阳极测试线、阴极测试线，具体结构如下：

高电位金属电极、低电位金属电极相互嵌套且形状与尺寸一致，形状为阿基米德螺旋形或阿基米德矩形，高电位金属电极与低电位金属电极对称排布，并保持邻近部分间距一致；高电位金属电极、低电位金属电极远离中心的一端连接测试线，阳极测试线远离中心的一端连接低电位金属电极，阴极测试线远离中心的一端连接高电位金属电极，外接电阻的两个引脚分别连接阳极测试线和阴极测试线。

所述的基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器，采用耐腐蚀的绝缘封料将高电位金属电极、低电位金属电极和外接电阻封装在壳体内，使高电位金属电极、低电位金属电极的工作面裸露于壳体上表面。

所述的基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器，阳极测试线和阴极测试线从壳体的侧面穿出，阳极测试线和阴极测试线从壳体侧面穿出的一端连接航空插头。

所述的基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器，壳体为无上底面的空心圆柱体，选用PVC材质壳体。

所述的基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器的测试方法，将基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器置于监测环境内，同步采用万用表或其他测量仪器测试航空插头两针间电位，再将电位值除以外接电阻阻值获得回路电流，即两个金属电极间电流。

本实用新型的设计思想是：

本实用新型基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器，包括对生物物质敏感的两种不同电极电位的双金属电极、外接电阻以及测试线，此传感器构成原电池系统(电路示意图见图1-图2)，高电位金属电极作为阴极，低电位金属电极作为阳极，同时起到牺牲阳极的作用，这种双电位金属电极设计确保了传感器的使用寿命；电路中循环的电流很小，低电位金属电极可以被视为非极化阳极，并作为测量高电位金属电极的足够稳定的“参比”电极。

双金属电极置于液体介质中，电极电位差使两金属电极间产生电流，且此电流值相对恒定。而随着介质内的微生物富集到电极表面，生物膜的电活性会引起金属电极间电流发生变化，也即是金属电极间电流变化反映生物膜的状态。

采用万用表或其它测量仪器，采集外接电阻两端电位，进一步计算回路电流，通过监测回路电流的变化并根据照公式(1)形成反馈电流变化曲线评价微生物膜的种群密度以及生长状态。

公式(1)中，各个参数的含义和单位分别如下：Ip为电极反馈电流变化，无单位；I为即时电流值(μA)，I_min为电流背景值(μA)，为无菌条件下的电流值；I_max为测试最大电流值(μA)，为生物膜生长最优状态下的电流值。

本实用新型的优点及有益效果是：

1、本实用新型微生物膜监检测传感器有效避免了金属电极表面盐沉积，无需经常清洁也可保持电极表面的电化学活性，结构简单、安装使用方便、无需维护、可以长期重复使用，可以安装在新建管道或在役管道进行微生物膜长期监测，适用于自来水、污水、各种循环冷却水、海水、以及电阻率相对较高的溶液。

2、本实用新型微生物膜监检测传感器可与数据处理、数据传输等功能模块集成，搭建微生物膜在线监测系统，根据检测结果远端控制杀菌剂的投放进而抑制微生物的繁殖以及微生物膜的消除，实现微生物膜在线动态监测与智能管理。

3、本实用新型微生物膜监检测传感器也可以进行微生物膜室内模拟监测实验，根据微生物膜生长状态，适时取出传感器，进行电极表面微生物膜分析等各种测试，研究不同生长时间、生长环境、不同电极材料等对微生物膜的影响。

附图说明

图1为本实用新型基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器结构示意图。其中，(a)-(b)两电极呈阿基米德螺旋形排布，(a)主视图，(b)立体图；(c)-(d)两电极呈阿基米德矩形排布，(c)主视图，(d)立体图。

图2为本实用新型基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器的工作电路示意图。其中，(a)电路原理图，(b)实物示意图。

图3-图4为本实用新型基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器在自然流动海水环境下SRB微生物膜监测应用实例。其中，图3为在自然流动海水环境下SRB种群平均密度演变曲线，横坐标Time代表时间(days)，纵坐标Bacterla代表SRB微生物密度(n/cm²)；图4不锈钢-锌电极传感器同时间反馈电流曲线，横坐标Time代表时间(days)，纵坐标Ip代表按照公式(1)计算的电极反馈电流变化。

图1-图2中，1、壳体；2、高电位金属电极；3、低电位金属电极；4、外接电阻；5、绝缘封料；6、阳极测试线；7、阴极测试线；8、航空插头。

具体实施方式

如图1-图2所示，本实用新型基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器，主要包括壳体1、高电位金属电极2(阴极)、低电位金属电极3(阳极)、外接电阻4、绝缘封料5、阳极测试线6、阴极测试线7、航空插头8等，具体结构如下：

壳体1选用PVC材质，为无上底面的空心圆柱体。

金属电极选用两种不同电极电位金属材料，例如：高电位金属电极2(阴极)为不锈钢或钛，低电位金属电极3(阳极)为锌。两个金属电极相互嵌套且形状与尺寸一致，形状为阿基米德螺旋形或阿基米德矩形(环绕的回形结构)，也可以设计成其他形状，金属电极具体尺寸根据被测管道或其他测试需求调整。金属电极需对称排布，并保持邻近部分间距一致，尽量减小间距差异以获得可靠稳定电信号。

金属电极远离圆心端连接测试线，阳极测试线6的一端连接低电位金属电极3，阴极测试线7的一端连接高电位金属电极2，将外接电阻4的两个引脚分别连接阳极测试线6和阴极测试线7。外接电阻4的阻值根据测试需求选取。

阳极测试线6和阴极测试线7从壳体1的侧面穿出，阳极测试线6和阴极测试线7的另一端连接航空插头8，以实现传感器快速便捷安装与更换。

用耐腐蚀的绝缘封料5(如：绝缘环氧树脂、聚酯绝缘树脂等)将两个金属电极和外接电阻封装在壳体1内，使金属电极工作面裸露于壳体上表面，封装要确保各部件绝缘良好。

下面，通过实施例对本实用新型进一步详细阐述。

实施例

本实施例中，基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器的测试方法如下：将基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器置于监测环境内，同步采用万用表或其他测量仪器测试航空插头两针间电位，再将电位值除以外接电阻阻值即可获得回路电流，即两个金属电极间电流。

自然流动海水中，传感器采用不锈钢作为高电位金属电极，锌为低电位金属电极，测试过程不锈钢电极表面SRB种群平均密度的演变如图3所示，可以看出，当SRB种群平均密度超过约10⁶/cm²水平时，生物传感器提供的信号开始从基线移动，这意味着传感器不锈钢电极表面生成了少量生物膜。稍后，当微生物密度达到接近10⁷/cm²的水平时，电信号进入饱和状态。

采用万用表或其它测量仪器，采集外接电阻(本实施例中，外接电阻4的阻值为5Ω)两端电位，进一步计算回路电流，通过监测回路电流的变化并根据照公式(1)形成反馈电流变化曲线评价微生物膜的种群密度以及生长状态。

本实施例中，I_min为0.46μA；I_max为92.53μA，Ip为电极反馈电流变化，I为即时电流值(μA)。如图4所示，根据公式(1)计算得到的测试过程反馈电流信号同步变化图，可以看出，与微生物菌落变化具有相似的趋势。

本实施例中，通过电流趋势实现微生物膜形成及生长过程监检测。此测试方法非常简便、易操作，测试数据直接、可靠。室内实验显示此种传感器连续工作一年后，也未出现明显脏污及垢沉积，只进行一次尼龙刷机械清洁，无需任何其他维护。

另外，可根据测试需求，满足设计要求的情况下，调整金属电极材质、尺寸、形状等。若将传感器与数据处理、数据传输等功能模块集成，可以搭建微生物膜在线监测系统，此传感器也可兼容安装在已在现场服役的外加极化电位或电流型微生物监测系统内，稍调整测试程序即可使用。根据检测结果远端控制杀菌剂的投放进而抑制微生物的繁殖以及微生物膜的消除，实现微生物膜在线动态监测与智能管理。

Claims

1.一种基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器，其特征在于，包括高电位金属电极、低电位金属电极、外接电阻、阳极测试线、阴极测试线，具体结构如下：

2.按照权利要求1所述的基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器，其特征在于，采用耐腐蚀的绝缘封料将高电位金属电极、低电位金属电极和外接电阻封装在壳体内，使高电位金属电极、低电位金属电极的工作面裸露于壳体上表面。

3.按照权利要求2所述的基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器，其特征在于，阳极测试线和阴极测试线从壳体的侧面穿出，阳极测试线和阴极测试线从壳体侧面穿出的一端连接航空插头。

4.按照权利要求2所述的基于生物膜电活性特征的微生物膜监测传感器，其特征在于，壳体为无上底面的空心圆柱体，选用PVC材质壳体。