[发明专利]一种微生物BOD传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种微生物BOD传感器，包括工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极包括基础电极以及设于基础电极表面的修饰石墨烯和细胞糊；所述基础电极表面设有透析膜，所述透析膜包覆基础电极表面、修饰石墨烯及细胞糊。本发明基于石墨烯修饰电极的BOD传感器相较于传统BOD传感器具有更低的检测极限和更高的灵敏度，同时也提高了电极稳定性，能够更灵敏、更稳定地检测水体中溶解氧的含量。本发明还提供了一种微生物BOD传感器的制备方法和应用。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种微生物BOD传感器，本发明还涉及微生物BOD传感器的制备方法以及微生物BOD传感器在水体检测上的应用。

背景技术

生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand，BOD)是指存在于水中的微生物进行可生化降解有机物的反应过程中所消耗的溶解氧的数量。通常以毫克/升或百分率、ppm表示。在废水和污水中存有大量微生物，而微生物进行生化反应需要溶解氧，因此BOD是反映水中有机污染物含量的一个综合指标。BOD值越高，说明水体中有机污染物越多，水质污染越严重。

目前常用的检测BOD的方法主要是电极法和光谱法。电极法中，使用的氧电极容易非常容易受到环境影响并且检测极限较高、灵敏度也有限。在实际水体测试环境中，污水、废水常伴随较大的酸碱度波动和较大金属离子含量，常用电极容易受到水质环境影响而导致测试结果偏差大。

目前测定BOD的标准为HJ 505-2009《水质五日生化需氧量(BOD₅)的测定稀释与接种法》和HJ/T 86-2002《水质生化需氧量(BOD)的测定微生物传感器快速测定法》，市面上最常见的BOD在线检测方法为电极法。包括微生物燃料电池的使用(专利号CN 101620201 A)和微生物膜修饰的电极的使用(专利号CN 103843184 A)，以及较新应用的二氧化钛修饰的电极的使用(专利号CN1774627B)，其中微生物膜电极传感器的使用最为普遍。

微生物膜电极法测量原理是当水样与微生物膜接触时，水样中溶解氧受到可生化降解的有机物与微生物膜接触而消耗，扩散到氧电极表面的氧含量减少。当水样中的可生化降解的有机物像微生物膜扩散的速度恒定时，此时扩散到氧电极的氧含量也恒定，电极之间产生恒定的电联。由于电流的大小与氧含量减少存在定量关系，可以通过实验和公式拟合计算，估计出水样中生化需氧量。

现有的微生物BOD传感器受水体环境影响较大(酸碱度、金属离子含量等)，并且检测灵敏度较差，标准方法可以容许的相对偏差为±15％。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种微生物BOD传感器，本发明还提供了一种微生物BOD传感器的制备方法及该微生物BOD传感器在水质生化需氧量测定上的应用，以解决现有微生物BOD传感器存在的受水体环境影响较大、检测灵敏度差等问题。

第一方面，本发明提供了一种微生物BOD传感器，包括工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极包括基础电极以及设于基础电极表面的修饰石墨烯和细胞糊；

所述基础电极表面设有透析膜，所述透析膜包覆基础电极表面、修饰石墨烯及细胞糊。

本发明使用石墨烯材料修饰电极，由于石墨烯特有的惰性响应及优异的导电性能，能够更好地适用于多因素水体测试。石墨烯的高导电性作为电极材料，加上石墨烯的催化能力，提供了介导电子转移反应能力。本发明基于石墨烯修饰电极的BOD传感器相较于传统BOD传感器具有更低的检测极限和更高的灵敏度，同时也提高了电极稳定性，能够更灵敏、更稳定地检测水体中溶解氧的含量。

石墨烯所修饰的电极为氧电极，因为在反应中通过微生物的耗氧量来估测BOD的值。对电极进行石墨烯材料修饰后，再覆涂一层固定的微生物膜，当微生物消耗分析水中溶解氧时，由于离子的迁移而产生的电位变化，通过电流改变反映水体中微生物消耗溶解氧的含量。石墨烯电极具有更高的灵敏度和更低的检测极限，输出的信号与检测的水样中生物需氧量BOD的值成线性关系，由此快速检测水样中生物需氧量BOD的值。