[發明專利]一種可充電微生物電化學傳感器及其制備和在水質預警中的應用

在審

• 申請號: 202111316567.6
• 申請日: 2021-11-09
• 公開（公告）號: CN113960135A
• 公開（公告）日: 2022-01-21
• 發明（設計）人: 蔣永;蔡佳儀;曾建雄
• 申請（專利權）人: 福建農林大學
• 主分類號: G01N27/26
• 分類號: G01N27/26;G01N27/30;G01N27/333
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 林文弘;蔡學俊

本發明提供了一種可充電微生物電化學傳感器，包括：生物電極室；設置于所述生物電極室內的生物陽極及陰極；相對于所述生物電極室設置的對電極室；設置于所述對電極室的對電極；以及設置于所述生物電極室和所述對電極室之間的離子交換膜；并提供了上述可充電微生物電化學傳感器的制備方法、該可充電微生物電化學傳感器用于水質預警方法；通過對電極和陰極進行充電，通過對電極和生物陽極進行放電，并利用放電過程的電信號進行水質預警；本發明避免了微生物電化學傳感器對外加有機碳源或實時驅動電源的依賴，極大拓寬了微生物電化學傳感器的應用場景。

技術領域

本發明涉及水環境保護領域，具體涉及一種可充電微生物電化學傳感器及其制備方法和在水質預警中的應用。

背景技術

水質預警對于保障水生態環境安全十分重要。其中，生物傳感器可實現水體的生物毒性監測，表征生物可獲得的毒性物質濃度及其生物學效應，是傳統物理化學傳感器的必要補充。微生物電化學傳感器中，通常使用生物陽極為敏感單元，進行水質監測。使用生物陽極敏感單元時，附著在電極表面的電化學活性生物膜可代謝水體中有機物并將電子傳遞給細胞外的電極，產生電信號。因此，實時分析微生物電化學傳感器的電信號，可以表征引起水質變化，干擾電活性生物膜代謝過程的毒性物質的存在。因裝置簡易，無需附加信號轉換元件，敏感單元自我修復等特點，微生物電化學傳感器受到廣泛關注。

使用現有的微生物電化學傳感器進行水質預警，需要實時提供能源動力。例如，使用生物陽極敏感單元時，需要在被監測水體中添加作為能源物質的有機碳源。這可能引發不確定的副反應，以設置額外進水回路的方式增加裝置復雜性，并增加人工成本。誠然，某些被監測水體中自身蘊含有機物，可為微生物電化學傳感器實時提供能源動力。然而為防止有機物濃度波動的干擾，在微生物電化學傳感器儀器開發時，不得不采用設置額外水路及附件，混合被監測水樣與含有機物的自配水?；蛘?，可使用電化學工作站、直流電流等設備為微生物電化學傳感器提供實時驅動電力。本領域亟待開發新方法，避免微生物電化學傳感器對外加有機碳源或實時驅動電源的依賴。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明旨在提供一種可充電微生物電化學傳感器及其制備方法在水質預警中的應用。具體地，使用可充電微生物電化學傳感器進行水質預警前需先進行充電過程。充電過程時，通過直流電源給微生物電化學傳感器供電，電能以產有機物的形式貯存，有機物濃度的高低可通過調節充電電流和充電時間控制。水質預警時，微生物電化學傳感器處于放電過程，通過分析放電信號表征水體綜合毒性，本發明能夠避免微生物電化學傳感器對外加有機碳源或實時驅動電源的依賴。

本發明一方面提供一種可充電微生物電化學傳感器，包括：

生物電極室；

設置于所述生物電極室的生物陽極和陰極，陰極可以為生物陰極或化學陰極；

相對于所述生物電極室設置的對電極室；

設置于所述對電極室的對電極；

以及設置于所述生物電極室和所述對電極室之間的離子交換膜。

通過構造可還原CO₂的陰極，可利用對電極與生物陰極實現微生物電化學傳感器的充電并產有機酸，即實現電能到化學能的轉換。在本發明中，提供一種生物陰極，利用附著在生物陰極表面的電活性生物膜可從電極獲取電子并驅動胞內的代謝過程，以還原CO₂產乙酸。同時，在本發明中，另提供一種化學陰極，即可以利用基于銦或錫金屬催化劑的化學陰極還原CO₂產甲酸?？梢?，充電過程需要陰極具有還原CO₂產有機酸（乙酸或甲酸）的能力是其顯著特點。充電完成后，通過對電極和生物陽極進行放電，并利用放電信號進行水質預警。

所述離子交換膜可以是陽離子交換膜或質子交換膜，用于分隔所述生物電極室和所述對電極室，并防止氧氣或有機酸等自由混合。在本發明中，采用陽離子交換膜。