一種高穩定微生物電化學傳感器的制備方法與流程

本發明涉及微生物電化學技術領域，特別涉及一種高穩定微生物電化學傳感器的制備方法。

背景技術：

水質安全，直接關系到人類的健康，因此，快速在線監測水中有毒物質至關重要。傳統的水質分析技術包括化學分析法、分光光度分析法、原子光譜分析法、色譜分析法等，但由于檢測水體組分的復雜性，受環境影響大等特性，難以達到水質檢測要求，更無法實現在線檢測。微生物電化學傳感器由于其體積小、成本低、選擇性好、靈敏度高、響應快等優勢，實現快速在線連監測復雜體系而受到廣泛關注。

微生物電化學傳感器是以活體微生物材料作為敏感元件，電極作為轉換元件，以電流或電勢為特征檢測信號的傳感器。微生物電化學傳感器具有高度選擇性，可以直接、快速獲取復雜體系組成信息的優勢，然而其易受有機溶劑、強酸、溫度等的外界環境影響，因此常規的微生物電化學傳感器評價復雜體系的適用范圍極大地受到了限制。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種高穩定微生物電化學傳感器的制備方法，該發明應用于水質檢測和成分分析時，不受外界環境因素的影響，可穩定運行于極低pH、高濃度有機溶液存在等極端環境中，是一種全新的高效、穩定、寬適用范圍的微生物電化學傳感器水質監測技術。

本發明的技術方案：

一種高穩定微生物電化學傳感器的制備方法，所述微生物電化學傳感器由容積20-1570mL的有機玻璃或聚四氟乙烯材料的容器、0.1-10cm²的玻碳或石墨工作電極、Ag/AgCl或飽和甘汞參比電極、1cm²的鉑片或鉑絲對電極以及多巴胺鹽酸鹽的弱堿溶液構成，步驟如下：

1)向容器內插入0.1-10cm²的玻碳/石墨工作電極、Ag/AgCl或飽和甘汞參比電極、1cm²的鉑片或鉑絲對電極，然后向容器中加入通過曝氮氣10-30min厭氧處理的生活污水、厭氧污泥、河底海底沉積物或者經長期馴化生物相穩定的微生物燃料電池的出水，以濃度為0.2-2g/L的乙酸鈉或葡萄糖作為底物，使用恒電位儀計時電流法或時間-電流法進行微生物的培養；

2)運行3-10天以形成傳感器電極生物膜，向傳感器體系中加入濃度為2-2000mg/mL、pH為7.5-10.5的多巴胺鹽酸鹽的弱堿溶液，反應0.5-24h，在生物電極表面形成一層50-200nm的聚多巴胺膜，制得微生物電化學傳感器。

一種所制備的高穩定微生物電化學傳感器的應用，用于快速、原位獲取水體組成信息的監測系統，該監測系統在高濃度有機溶劑、強酸、高溫、低溫的極端環境下，保證監測結果的真實、有效性，向體系中加入待檢測液體樣本，通過電流電壓的變化可以較準確地分析出水質情況及成分組成，方法如下：

1)用75％的乙醇將微生物電化學傳感器超聲清洗后，用蒸餾水洗凈烘干；

2)向反應器中加入通過曝氮氣10-30min厭氧處理的初沉池污水或者經長期馴化生物相穩定的微生物燃料電池的出水，以濃度為0.2-2g/L乙酸鈉或葡萄糖作為底物，使用恒電位儀計時電流法或時間-電流法進行微生物的培養，待電流增為峰值時，即可進行多巴胺膜修飾。

本發明以聚多巴胺(polydopamine)為高效的生物電極修飾材料，用以維持產電微生物為基礎的微生物電化學傳感器在極端環境下在線檢測的穩定性。

本發明的有益效果是：該微生物電化學傳感器克服了傳統微生物電化學系統無法在強酸、高溫、低溫、高濃度有機溶液等極端環境下運行的缺陷，本發明的新型微生物電化學系統運行穩定，檢測快速、準確。

附圖說明

圖1為聚多巴胺修飾微生物前(a)，修飾后(b)的掃描電子顯微鏡圖。

圖2為待測溶液pH＝1.5時運行96h后，聚多巴胺修飾電極前(a)，修飾后(b)的激光共聚焦掃描顯微鏡圖。

圖3為45℃運行48h，聚多巴胺修飾電極前(a)，修飾后(b)的電鏡圖。

圖4為15℃運行48h，聚多巴胺修飾電極后(左)，修飾前(右)的電極表面生物膜圖像。

具體實施方式

實施例1：

一種制備的高穩定微生物電化學傳感器在強酸條件下運行：

在實現快速、連續的水質監測時，待測水體的低pH值往往限制了檢測系統的穩定運行，造成傳感器系統的生物大量死亡或者脫落，繼而直接影響反應器的運行，造成監測系統癱瘓。

傳感器的池體采用直徑50mm，高100mm的有機玻璃容器和聚四氟乙烯材料的蓋子構成，向容器內插入工作電極為0.25cm²的玻碳電極、參比電極為3.5M Ag/AgCl電極和對電極為1cm²的鉑片。

向反應器中加入曝氮氣10min厭氧處理的經長期馴化生物相穩定的微生物燃料電池的出水，以1g/L乙酸鈉為底物，使用恒電位儀計時電流法進行微生物的培養，待電流增為峰值時，向傳感器體系中加入1mg/mL的pH為8.5的多巴胺鹽酸鹽(Dopamine hydrochloride)的弱堿溶液，反應0.5h。

圖1為聚多巴胺修飾微生物前(a)，修飾后(b)的掃描電子顯微鏡圖。

將pH為1.5的待測水體加入傳感器體系中，運行96h后，取出未修飾聚多巴胺膜的電極和修飾聚多巴胺膜的電極在激光共聚焦掃描顯微鏡下拍攝，如圖2所示，可以明顯看出，未修飾聚多巴胺膜的電極上微生物膜厚度為20-30μm，且生物量明顯降低，只有極少量的生物存在，相反，修飾聚多巴胺膜的電極上微生物膜厚度為130-140μm，且生物豐富、均勻。

實施例2：

一種制備的高穩定微生物電化學傳感器在高溫條件下運行：

在實現快速、連續的水質監測時，外界環境溫度超過生物的最大適宜溫度時，往往限制了檢測系統的穩定運行，造成傳感器系統的生物大量死亡或者脫落，繼而直接影響反應器的運行，造成監測系統癱瘓。

傳感器的池體采用直徑30mm，高30mm的聚四氟乙烯材料構成，向容器內插入工作電極為0.1cm²的玻碳電極、參比電極為3.5M Ag/AgCl電極和對電極為1cm²的鉑片。

向反應器中加入曝氮氣20min厭氧處理的經長期馴化生物相穩定的微生物燃料電池的出水，以0.5g/L乙酸鈉為底物，使用恒電位儀計時電流法進行微生物的培養，待電流增為峰值時，向傳感器體系中加入2mg/mL、pH為9.5的多巴胺鹽酸鹽(Dopamine hydrochloride)的弱堿溶液，反應1h。

將待測水體加入傳感器體系中，保持運行環境溫度45℃運行48h后，取出未修飾聚多巴胺膜的電極和修飾聚多巴胺膜的電極在電鏡下拍攝，如圖3所示，可以明顯看出，未修飾聚多巴胺膜的電極上微生物膜厚度無法辨識，只有極少量的生物存在，相反，修飾聚多巴胺膜的電極上微生物膜厚度為100-200μm，且生物豐富、均勻。

實施例3：

一種制備的高穩定微生物電化學傳感器在低溫條件下運行

在實現快速、連續的水質監測時，外界環境溫度低于生物的最小適宜溫度時，往往限制了檢測系統的穩定運行，造成傳感器系統的生物大量死亡或者脫落，繼而直接影響反應器的運行，造成監測系統癱瘓。

傳感器的池體采用直徑100mm，高200mm的聚四氟乙烯材料構成，向容器內插入工作電極為0.25cm²的玻碳電極、參比電極為3.5M Ag/AgCl電極和對電極為1cm²的鉑片。

向反應器中加入曝氮氣30min厭氧處理的經長期馴化生物相穩定的微生物燃料電池的出水，以0.5g/L乙酸鈉為底物，使用恒電位儀計時電流法進行微生物的培養，待電流增為峰值時，向傳感器體系中加入2mg/mL、pH為8.5的多巴胺鹽酸鹽(Dopamine hydrochloride)的弱堿溶液，反應2h。

將待測水體加入傳感器體系中，保持運行環境溫度15℃運行48h后，取出未修飾聚多巴胺膜的電極和修飾聚多巴胺膜的電極，用滅菌刀刮下電極表面的生物膜于離心管中，如圖4所示，可以明顯看出，未修飾聚多巴胺膜的電極上微生物生物量較小，且顏色變為白色，相反，修飾聚多巴胺膜的電極上生物量較多，且呈粉紅色，與接種的生物保持一致。