[發明專利]電極生物膜快速成型方法及微生物電化學傳感器

在審

• 申請號: 202011152196.8
• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN112305029A
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 梁鵬;戚祥;黃霞
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N27/26
• 分類號: G01N27/26;G01N27/327;C12Q1/02
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 張建綱

本發明公開了一種電極生物膜快速成型方法及其應用的微生物電化學傳感器。將經過富集的懸浮電活性菌和適量膠粘劑溶液混合均勻，制備得到電活性菌復合制劑，然后通過旋涂法將電活性菌復合制劑均勻涂覆于集電體上，使其快速成型成為電極生物膜。將電極生物膜與至少包括一個集電體的電極材料壓覆制得工作電極，將工作電極、對電極與恒電位儀連接，形成微生物電化學傳感器，用于水質污染預警。本發明具有生物膜成型快、水質預警敏感等優點。

技術領域

本發明涉及電極生物膜快速成型方法及微生物電化學傳感器，屬于微生物電化學傳感器技術領域。

背景技術

水環境污染是世界各國所面臨的重大難題，而水質預警是解決這一問題的有效管控途徑。水質預警是指通過物理化學、生物化學的方法對受污染的水體進行綜合監測，對毒性做出初步評判并對用戶發出警告，為下游標準化檢測提供依據，從而保障人體健康和生態環境安全。傳統的物理化學方法只能評判污染物濃度，不能直接反應生物效應，需要間接的通過相關標準做出進一步評判。微生物電化學傳感器利用電活性生物膜作為敏感元件，通過電信號實時監測水質變化，從而實現水質預警。由于電活性生物膜能夠直接將電子傳遞到集電體，和傳統生物傳感器相比無需復雜的信號轉化模塊，擁有工程應用前景。目前，學者們主要圍繞微生物電化學傳感器裝置構型(如：雙室和單室型微生物燃料電池、三電極生物電化學系統、微型微生物燃料電池等)、電極調控(控電極電位、控電極電流、控外電阻等)、信號傳輸等展開研究，為工程應用提供優化策略。以上的研究都是間接的調控電極生物膜，這在操控上受到限制。

微生物電化學傳感器的核心敏感元件是電極生物膜，然而電極生物膜的形成往往是自發性的，很難受到人為的精準調控。這對敏感元件的快速構成和標準化帶來極大的挑戰。發光細菌之所以能成為國際化標準，其核心是光信號的捕獲是針對所有定量的懸浮菌。但是自發形成的電活性生物膜會受到諸多環境因素的影響，因此電極生物膜敏感元件的快速成型是解決啟動慢、重現性以及推進標準化進程的有效途徑。

發明內容

本發明旨在提供一種電極生物膜快速成型方法以及微生物電化學傳感器。

本發明通過以下技術方案實現：

一種電極生物膜快速成型方法，包括：

將經過富集的懸浮電活性菌和適量膠粘劑溶液混合均勻，制備得到電活性菌復合制劑；

將所述電活性菌復合制劑均勻涂覆于集電體上，使其快速成型成為電極生物膜。

上述技術方案中，所述懸浮電活性菌為希瓦氏菌MR-1，其濃度為10⁵-10⁸CFU/mL。

上述技術方案中，所述膠粘劑溶液選用明膠或海藻酸鈉，涂覆方式選用包括勻膠機或刮膜機的機械旋涂或手工刮膜。

上述技術方案中，所述膠粘劑選用海藻酸鈉，所述海藻酸鈉濃度為10-25g/L，所述方法還包括：

將所述電極生物膜浸泡于氯化鈣溶液中使其發生交聯作用，獲得穩固的電極生物膜；所述氯化鈣溶液濃度為5g/L，交聯時間6-18s。

一種微生物電化學傳感器，包括工作電極、對電極，所述工作電極通過將電極生物膜與電極材料壓覆制得，所述電極生物膜通過上述方法制備而成，所述電極材料至少包括一個集電體。

本發明具有以下優點及有益效果：(1)采用黏度高、生物相容性優良和成本低廉的膠粘劑，能夠在不損傷電活性菌的情況下實現懸浮態電活性菌的聚集固定，奠定了生物膜的形成；(2)采用機械力促使電極生物膜成型，具有精準、快速、高效性，并且工藝簡單，能夠實現電極生物膜的批量生產；(3)快速成型的電極生物膜在水質預警中敏感性優良，信號重現性高。

附圖說明

圖1為本發明實施例1所制備的電極生物膜SEM圖。