[发明专利]一种快速检测水体BOD的微流控微生物电化学传感器及应用

说明书

一种快速检测水体BOD的微流控微生物电化学传感器的设计和应用，具有检测速度快(BOD常规检测是5天，COD是2‑3小时)，便携，易操作免维护，可以实现实时在线监测，制作成本及操作维护成本极低的特点。本发明通过合理的结构设计，制作出微升体积的BOD微生物反应器，用于水质生化需氧量的传感与测试，该传感器响应周期最短缩至1‑5分钟，大大降低了测试时间。本设计适合大规模生产，由于其较宽的监测范围和极低的制作运行维护成本，适合大范围和大面积的应用。在污水厂的运行管理和地表/地下水监测包括垃圾渗滤液监测等领域有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于微生物电化学传感器领域，特别涉及一种通过微细加工技术制备的微流控微生物电化学传感器用来快速评估水质生化需氧量的方法。

背景技术

污水水质指标尤其是水体生化需氧量的实时监测，不仅能够提供实时的水质信息，而且能够在地表/地下水管理和污水处理厂的运行中发挥核心作用，水质指标的及时反馈可以有效降低饮用水安全隐患，并且可以有效提高污水处理厂的运行管理和污水处理效率，降低运维成本，以满足环境生态系统的自净能力和政策法规的要求。国家标准测试法的“五日生化需氧量法”耗时长、误差大，不能满足水质信息及时反馈的需求。

BOD微生物传感器阳极附着产电微生物在代谢有机物的同时生成电流，因此有潜力用于快速测定水体生化需氧量的应用中。但是制作成本高、响应时间相对较长等因素制约了其大面积的推广应用，而微体积的微生物传感器具有制作成本低、响应时间快以及便于在线监测等特点是解决这一问题的有效措施。

BOD微生物传感器基本处在实验室研究阶段，而制约其投入实际生产应用的主要原因是设备制作过程复杂、成本高且对水质生化需氧量的响应时间相对较慢，不能够对水质变化做出及时可靠的响应。而缩小微生物电化学传感器的体积是提高生物传感器性能、降低响应时间的有效措施。但是目前基于微流控技术的常见微制造方法包括光刻技术、软光刻技术以及激光烧灼技术等虽然能有效降低反应器体积到微升(uL)级别且精度较高，但是这些技术往往需要特定的精密仪器、无菌的操作环境以及良好的专业训练，往往不能达到批量化生产，且操作门槛较高。所以我们需要找到一种低成本、制作周期短、操作简单的微制造技术应用于微生物电化学传感器的设计和制作，并最终用于水质传感器的构建，考察响应时间、测试范围等指标，以进一步实现产品化和推广于实际的应用。

发明内容

为解决上述技术中存在的问题，本发明提供一种操作简单、制作成本低、周期短且适于批量生产的一种微制造技术，通过合理的设计，制作出微升体积的微生物电化学反应器，并用于水质生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand，BOD)的传感与测试，评估其适用性和应用前景。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案获得：

一种快速检测水体BOD的微流控微生物电化学传感器，该传感器包括阳极室1、离子交换膜d、阴极室2、阳极液入口3、阳极液出口4、阴极液入口5、阴极液出口6、阳极导线7和阴极导线8；所述阳极室1与阴极室2通过离子交换膜d隔开；

其中，所述阳极室1由阳极层a、阳极碳布层b及阳极腔室层c叠加构成；所述阴极室2由阴极层g、铂薄膜层f及阴极腔室层e叠加构成；

所述阳极液入口3与阳极液出口4为阳极层a上两个圆孔通过黏贴有PDMS立体块9构成；阴极液入口5和阴极液出口6为阳极层a上另外两个圆孔通过黏贴有PDMS立体块9构成；所述PDMS立体块9有硅胶导管穿入并与圆孔位置对应；

所述阳极层a和阳极腔室层c对应贯穿的圆孔组成阳极液通道；所述阳极层a、阳极腔室层c、离子交换膜d和阴极腔室层e上对应的贯穿的圆孔组成阴极液通道；

所述阳极导线7通过与阳极碳布层b接触并穿过阳极层a中椭圆形小孔；所述阴极导线8依次通过贯穿于阴极腔室层e、离子交换膜d、阳极腔室层c和阳极层a另一侧的椭圆小孔穿出；