生物传感器快速测定生化需氧量的研究.pdf

第33卷
分析化学( FENX I HUAXUE)评述与进展
第3期
2005年3月
Chincsc Joumal ofanalylical Cha istry
405~410
生物传感器快速测定生化需氧量的研究
叶裕才王建龙普利锋
清华大学核能」新能源技术设计研究院环境技术研究室,北京100084)
摘要生化需氧量(BOD)是?种表征水体有机污染程度的综仚指标,泛应用于水体监测和废水处理
的运行控制中。由」BOD的标准测定方法需时5d,不能及时地反映水质状况和反馈处理信息,因此快速测
定BOD的方法和仪器化研究近年米得到广泛的重视。其中利用生物传感器测定BOD足一利有效地快速测
定废水中可生化降解有机物的方法。文章介绍了生物传感器的工作原理及其生物敏感材料,讨论了BOD快
速测定值(BODs0)与标准BOD、值的一致性题。对日前市场上常见的几利BOD测定仪的性能进行了比较
关键词生物传感器,生化需氧量,评述
水中的有机污染物,由于种类繁多,难以分別测定各种组分的定量数值。因此,在水质评价过程中
生化需氧量( biochem ical oxygen de and,BOD)是一种广泛采用的表征有机污染度的综合性指标。在
水体监测和污水处理厂的运行控制中,生化需氧量也是最常用、最重要的指标之ー。由于生化需氧量可
以间接地表示可生物氧化的有机物含量,所以在1936年即被列入美国冰和废水标准检验法》冲,并成
为水污染塎制领域最广泛采用的测定方法之一3。
由于BOD、的标准测定方法需5d,不能及时反映水质状况和反馈处理信息、,所以非常需要
橾作简单、准确、快速、自动化程度高、适用范围厂的新方法来测定BOD。快速BOD测定方法和仪器化
的研究近年来得到广泛的重视。现在虽有库仑滴定法、卡差法和相关计算法,但这些方法均不能很好地
解决上述问题。
本研究小组近年来,对微生物传感器快速测定BOD仪进行了较深入的研究~。现就BOD生物
传感器近作年来的国内外研究进展做一综述。
2BOD生物传感器
2,1生物传感器及其研究历史
国际理论和应用化学联合会(UPAC)对生物传感器的定义为:一种由生物或者与生物相关的敏感
元件和物理化学传感器(换能器)相结合构成的小型分析仪器。这种生物传感器能够対样品中的单
组分或者混和组分进行分析和嗌测,予产生成比例的数字或者电子信号。牛物传感器应用的是牛物机
埋,它与传统化学传感器和离线分析技术相比有许多明显的优势,如高选择性、高灵敏度、较好的稳定
性、低成本以及能在复的体系中进行快速的在线连续监测。因此,牛物传感器在环境保领域有着
阔的应用前景。
1956年Cak?发表了关丁氧电极的论文,首创了在待分析物内部进行监测的方法。1975年美国
Yellow Spring仪器公司再次发布『了基丁安培电流计分析过氧化氢的葡萄糖分析仪,这使得牛物传感器
分析仪首次走上了市场。40多年米,生物传感器的研究一直兴盛不衰,在敏感元件以及传感器两方面
的研究均取得了巨大的进展,井发出了不同种类的敏感元件与信号传感方式,如图1所示。
22BOD生物传感器工作原理
与普通生物传感器相类似,BOD传感器通过微牛物识別元件米感应水体中的有机污染物,产4的
物埋或者生化变化由传感器感应到并表现为检测的电信号或者数字信号。自1977年 Karube等?
首次成功地研制了BOD微4物传感器以米,基丁尘物传感器的快速BOD测定方法的研究已经取得了
200307-18收稿:2004-0603接受
本文系国家自然科学基金科学仪器を项基金资助项日(Na50327802)
分析化学
第33卷
很大的进展。普通的BOD传感器原埋示意图
其典型的响应曲线如图2和3所示山」。、、2。日
电极 Electrode
溶解氧随缓冲溶液通过多孔透膜,进入到生
物膜层,部分的溶解氧被微生物消耗。利余的」合。→ッ
Microbe
ectric s
2
光强测量仪
溶解氧通过可透气的 Teflon F膜而被氧电柲所细
ight signal
Light intensity me
生物质变化
压电设备
Piezoelect
检测到。测量开始时,溶解氧的扩散与微生物
底物
的内源呼吸速率达到平衡的时候可以测到
信号传感器
Si
transducer
个稳定的电流值待测水样加入到传感器.
后,可降解有机物通过多孔渗透膜渗透微生图1不同原理的生物传感器示意图
物层而被微生物氧化、吸收,从而导了做生Fg1 Schematic diagram of bo sensor based on different p rinci
物的呼吸速卒和耗氧速率的提高,于是透过ples
Teflon膜的剩余溶解氧浓度逐渐降低,导致了
氧电柲的电流ド降,直至达到新的半衡。此时可以测量到一个稳定的电流值4,测量结東。再次加川入缓
冲溶液清洗,直倒重新回到初始半衡(4)。因为上述电流变化过程是受水样中可被微生物利川的底物
浓度所控制,所以传感器(氧电枚)的电流信号在适官的范围内写水样中BOD物质的浓度呈线性关系
借此可以进行BOD的测定。
し全o传感器的标准曲线有平衡态法和起始速卒法。平衡态法用上述两个平衡态下的稳定电流之
差△(△I=4-)来描述BOD。该方法的测量时间通常为15~20min之后需要15~60min的恢复
时间,随待测浴液浓度的增加川,恢复肘间需要加长。起始速率法用加入水样后电流的初始变化速率
(△/△の替代传感器的响应过程,这一参数反映的是微生物呼吸速率变化的加川速度,该参数在适官范围
内同样与可被微生物利用的底物浓度星线性关系。在这一?づ式中检测吋问仅为15~30s两次测量之
问的恢复时问小于10min
运用这两种方法的测暈结果具有很高的相关性,在对标准
Clark溶解氧电极
Clark-type DO
electrode
GA溶液(包含150mLL的葡萄糖、150mLL的谷氮酸,具有A
透气的 Teflon膜
200±0mg/L的BOD、值)和食品厂废水的测量中具有高达r=电解液 Electrolyte
098的相关度,在重现性上没有明显的差异;而起始速卒的敏明cas
固定化的微生物
度要高一倍。Liu等指出基丁两种测量方法所得的结果具
microorganisms
含可生物降解有
有很高的一性,在对城市废水、食品加废水和GGA溶液的比MM
机物的待测样品
ample
较中,比率分别是Q981、1.081和0881。与半衡态法相比较
级冲
Buffer solution containing DO
起始速率法具有测量速度快的优点。因此,它更适川于较高频率图2BOD生物传感器的原理示意
的监测和在线的过程控监测。
图
23BOD传感器的组成
F ig 2 Schematic diagram of BOD sens
2.3.1识别元件BOD传感器的生物识別元件可以由不同的微
生物群体构成。这些微生物群包括单一微生物(如 4 ga/ aden in irons, B acillus po小 m yxa D-12, B acillus
subtillis, Hansenu la anom