[發明專利]構建電自養氧還原生物陰極傳感器的毒性預警系統的方法

在審

• 申請號: 202011229352.6
• 申請日: 2020-11-06
• 公開（公告）號: CN112432987A
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發明（設計）人: 王鑫;廖承美;劉華旺;李楠;李田
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: G01N27/416
• 分類號: G01N27/416;G01N33/18
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程小艷

本發明公開構建電自養氧還原生物陰極傳感器的毒性預警系統的方法，采用電自養氧還原生物陰極微生物電解池/雙模塊可切換無線電流數據采集系統耦合體系，且該體系由預警毒性物質濃度變化的電自養氧還原生物陰極傳感元件和無線電流數據采集系統組成，構建了用于微生物電解池構型的電子氧還原生物陰極傳感元件并實現了循環可再生高效培養，與此同時結合無線電流數據采集系統實現了葡萄糖、甲醛、二氯甲烷、三氯甲烷等多種類型物質的預警響應。本發明集培養、預警和數據采集于一體，優化了生物陰極敏感元件的培養方式，弱化了采集系統帶來的電信號差異干擾，為電自養氧還原生物陰極傳感器在水質監測中的應用提供了一種方案。

技術領域

本發明涉及微生物電化學技術領域，特別涉及一種構建電自養氧還原生物陰極傳感器的毒性預警系統的方法。

背景技術

隨著現代工業的迅速發展，由于嚴重的水污染，水的安全問題變得越來越突出。因此，迫切需要開發靈敏性高，反應迅速的毒性傳感器以提供預警。與傳統的物理化學方法相比，生物傳感器能夠通過生物學響應將信號直接關聯到已知或未知化學物質的濃度而成為了監測有毒物質更實用的選擇。但是，生物傳感器通常耗時較長，勢必會導致對毒物響應時間的延遲。在過去的十年中，微生物電化學系統(MES)成為了一種新型且極具吸引力的在線生物傳感器，對水中有毒化合物顯示了快速且廣譜的響應。

由于MES毒性傳感器是基于電極上微生物活性的變化，因此陽極生物膜通常被用作污染物監測的傳感元件。系統中摻入有毒物質將抑制微生物的代謝活性，從而降低電子傳遞速率，這將定量的以輸出電信號的變化表現出來。然而，與傳統技術相比，生物陽極毒性傳感器的靈敏度相對較差。究其原因，首先可能是由于陽極生物膜中微生物的傳質速度較慢以及傳質屏障的形成大大限制了對毒性反應的敏感性。其次，由于有機物是生物陽極毒性傳感器的電子供體，所以其濃度的變化可以直接影響輸出的電信號。因此，如果污染物以外的其他因素(如有機物)的變化導致電信號下降，則會出現假陽性結果，導致不必要的報警。也就是說在嚴格的厭氧條件下，電信號不僅是有毒物質變化的線性度量，也強烈依賴于有機電子供體的補充，因此底物濃度的波動可能是假陽性反應的來源。此外，在實際水質監測中，當有機物和有毒物質發生聯合沖擊時，有機物的正面效應和有毒物質的負面影響，往往會引起潛在的預警故障，情況將會更加復雜。所以，找到一種不需要有機物作電子供體，無需補充有機物以保持穩定的基線，可以大大減少由有機物和毒物聯合沖擊引起的預警故障的高靈敏度和低檢出限的傳感元件是十分有必要的。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種構建電自養氧還原生物陰極傳感器的毒性預警系統的方法，以電自養氧還原生物陰極作為傳感元件，將MEC傳感器的使用范圍擴展到有氧和自養狀態的毒性預警系統。基于電自養生物陰極的氧還原反應原理，結合生物陰極不需要有機物作電子供體，可以直接應用于水質監測，而無需補充有機物以保持穩定的基線的特性，通過電自養氧還原生物陰極傳感元件和無線電流數據采集系統的結合，開發出一種基于電自養氧還原生物陰極傳感器預警毒性物質的綠色、高效、快速的方法。

本發明的技術方案是構建電自養氧還原生物陰極傳感器的毒性預警系統的方法，具體包括如下步驟：

1)用于預警毒性物質濃度變化的電自養氧還原生物陰極傳感元件的構建

微生物電解池(MEC)系統由反應器主體和循環系統組成，反應主體由兩個圓柱形內部立方體組成的三個電極設置(以每個圓柱形室直徑3cm，長度4cm，凈體積為28mL的反應器為例，但不僅限于該尺寸)，兩個立方體用四個螺栓固定在一起，以碳纖維刷、鈦網和Ag/AgCl(4.0M KCl)分別作為工作電極(陰極)、對電極和參比電極，工作電極和對電極通過雙模塊可切換無線電流數據采集系統控制電壓0.5-0.8V馴化生物陰極傳感元件；