专利名称：一种新型的检测镉离子的微生物传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于微生物微电极领域，具体涉及一种新型的检测镉离子的微生物传感器。
背景技术：
镉是一种毒性很大的重金属，其化合物也大都属毒性物质，因此被认为是一种危险的环境污染物。极微量的镉就可对人体造成伤害，它通过食物链富集，具有稳定、积累和不易消除的特点。近年各项研究证明，无论是从毒性还是蓄积作用来看，镉都将是继汞、铅之后污染人类环境、威胁人类健康的第三种重金属元素。镉在电镀、汽车及航空、颜料、油漆、印刷等行业都有广泛的应用，工厂排出的含镉废水是水体镉污染的主要污染源。比如电 镀工业、军工生产排放的废水(含镉量约O. 065mg/L)和硫酸矿石制取硫酸、磷矿石制取磷肥等工艺排出的废水(含镉量高达O. 089mg/L)等对水体污染尤为严重。震惊世界的日本“痛痛病”就是水田污染的典型事例，因镉污染而致，被称为“全球十大环境污染事件”。镉对人体的危害已经引起了世界各国的重视，各国均制定了相应的国家标准。我国规定工业废水中镉的最高排放浓度为O. lmg/L(饮用水中镉含量上限为O. 005mg/L)，所以含镉废水在排放之前必须进行处理，以达到排放的要求，避免污染中毒事件的发生。因此，含镉废水的有效处理刻不容缓，对水中镉离子进行快速实时检测是预防和杜绝镉污染的首要问题。传统检测镉离子等重金属的方法是需要现场采样后送到实验室进行分析，耗费高，效率低，而且由于没有及时检测，水样在送检途中可能已发生变化，或水样传输过程中已受到污染，这都会影响到检测结果的客观性。而大部分现代重金属分析系统，如原子吸收光谱、电感耦合等离子体原子发射光谱等，虽然能提供准确的检测结果，但是仪器价格昂贵、体积巨大、结构复杂且需要较长的样品预处理和分析过程，不能作现场检测，造成预警预报效果严重滞后。众所周知，传感器技术是一种简单的、无需繁琐的样本预处理的检测方法，而电位法检测重金属离子传感器更是低成本、高灵敏度和快速反应的仪器，它轻便易携，可以进行现场实时检测，从而提高测量准确度。

发明内容
本发明的目的是提供一种简单易用、成本低廉、便于携带、探测响应快，灵敏度高，检测下限低，使用寿命长的新型的检测镉离子的微生物传感器。本发明的新型的检测镉离子的微生物传感器，其特征在于，包括PC检测底板，在PC检测底板表面具有一条合金涂层传导通道，合金涂层传导通道一端与引线相连，另外一端为检测涂层，在检测涂层上方覆盖有一层PC盖板，在PC盖板上，与检测涂层相对应的位置设有检测池，检测涂层成为检测池的底面，在检测池的检测涂层表面敷有一层镉离子感应层；所述的镉离子感应层是由石墨粉、小球藻属绿藻冻干粉和液体石蜡按照质量比45:45:10组成，将三者混合均匀后，平铺于检测涂层表面。
所述的检测涂层优选呈圆盘状，其直径为l(Tl5mm。这种直径的圆盘状检测涂层可使绿藻有效地附着在上面，避免电信号损失，又能保持其良好的灵敏性，且节省空间。所述的合金涂层传导通道优选是用合成黄金、钼金或银电镀而成，其起电信号传导作用。所述的PC检测底板和PC盖板指的是其材质为PC (聚碳酸酯)材质制成的检测底板和盖板。所述的镉离子感应层的厚度优选为< 1mm。本发明的新型的检测镉离子的微生物传感器可以通过引线与多通道数据采集仪相连，实现对样品中镉离子的快速、有效分析检测。本发明用冻干小球藻属绿藻制备电极，并通过分析电极的电势差值来得知溶液中 镉离子含量，从而达到检测镉离子的作用。本发明的制备方法不仅打破了以往用活性生物制备传感器的传统方法，保留了生物传感器对检测物高选择性的优点，同时弥补了活性生物传感器低稳定性的缺点，延长了传感器的使用寿命，也为生物传感器向全固态结构发展及建立现场、实时、简易的检测方法奠定了基础。另外本发明实现了样品需要量少、检测时间短、灵敏度高、检测下限低等特点，极易携带，便于实时监测；最重要的是制作成本低廉，可大批量生产。并且，本发明与相关的测试技术及数据处理软件相结合，将可进一步实现原位、在线的微分析系统，给传统环境检测带来根本的变革。本发明的小球属绿藻(Chlorella Vulgaris)来源于中科院典型培养物保藏委员会淡水藻种库(地址湖北省武汉珞珈山东湖南路7号中科院水生生物研究所淡水藻种库)，其保藏编号是FACHB-1227，该藻种是对外销售的，任何人都可以从这里购买到该藻种。


图I是本发明的新型的检测镉离子的微生物传感器的结构示意图；图2是本发明的新型的检测镉离子的微生物传感器的使用示意图；图3是新型的检测镉离子的微生物传感器(冻干绿藻附着电极)对不同浓度的镉离子溶液的响应曲线；图4是冻干绿藻附着电极灵敏度测试(浓度/电压)标准曲线；图5是冻干绿藻附着电极长期稳定性测试曲线；图6是冻干绿藻附着电极对不同浓度的镉离子溶液的响应曲线；图7是冻干绿藻附着电极浓度/电压标准曲线；图8是冻干绿藻附着电极对含镉水质标准样品的响应曲线。其中1、PC检测底板；11、镉离子合金涂层传导通道；111、镉离子检测涂层；112、银引线；2、PC盖板；3、镉离子检测池；4、多通道数据采集仪；5、银-氯化银参比电极。
具体实施例方式以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。实施例I :
一、新型的检测镉离子的微生物传感器的制备I.小球藻属绿藻的培养与冻干粉的制备方法I)取30mL处于对数生长期的小球藻属绿藻藻种接到3000mL已灭菌去离子水配制而成的OE⑶淡水藻类培养基(pH 6 9)中，置于光照强度为44401x 88801x的光照培养箱中培养144h 168h，温度230C ±2°C ；2)将3000mL培养液分装于IOOOmL离心管中，8000rpm离心lh，弃上清，取绿藻沉淀；3)将绿藻沉淀冷冻抽干，得到小球藻属绿藻冻干粉。2.制备离子传导成金涂层 如图I所示，以一块50 X 75 X Imm (长X宽X厚)的聚碳酸酯底板(PC板)作为PC检测底板1，在PC检测底板I上用合金材料(主要的成分是铜和镍)电镀一条用于传导电信号的“火柴型”通道，即镉离子合金涂层传导通道11。镉离子合金涂层传导通道11是由直径为10_的圆形涂层和7X60_ (长X宽)的矩形涂层连接而成，圆形涂层处作为检测涂层，即为镉离子检测涂层111，将此处定为检测位点，矩形涂层起传输信号作用；然后在PC检测底板I下部50X55mm (长X宽)的范围内均匀地涂一层约400 μ m厚度的环氧树脂，镉离子检测涂层111上不涂覆环氧树脂，接着，将一块50 X 55 X Imm (长X宽X厚)的PC盖板2覆盖于PC检测底板I下部的上面，使其粘附在环氧树脂上面，环氧树脂主要起粘附和绝缘的作用，并在此PC盖板2上对应镉离子检测涂层111的位置开出直径为IOmm的圆形孔洞，孔洞部分和检测涂层就形成检测池，即为镉离子检测池3，检测涂层111位于镉离子检测池3的底面。3.制备镉离子感应层镉离子感应层的配制方法是镉离子感应层的原料是由石墨粉、小球藻属绿藻冻干粉和液体石蜡按照质量比45:45:10组成的。按照上述质量比，称取小球藻属绿藻冻干粉、石墨粉和液体石蜡，将三者混合彻底搅拌均匀，得绿藻混合物。用纯水冲洗镉离子检测池3，再用氮气枪吹喷以去除残留水滴；然后取O. 5g绿藻混合物薄薄地、平整地、均匀地涂于镉离子检测涂层111上，涂于镉离子检测涂层111上的绿藻混合物即为镉离子感应层，其厚度大约为1_，整个检测装置称为绿藻石墨附着电极。在镉离子合金涂层传导通道11上端分别安上简易插头以及银引线112，由此而得到本发明的新型的检测镉离子的微生物传感器，最后保存在干净的玻璃器皿内。二.新型的检测镉离子的微生物传感器的性能检测在实验前，用氮气通入50mL 10^mol/L Tris-HCl溶液(pH=6. 7)中去除氧气；然后，滴加IOyL 10^mol/L CdCl2溶液(pH=5)至Tris-HCl溶液内，搅匀；再将新型的检测镉离子的微生物传感器浸入含有微量镉离子(浓度约为10_5mol/L)的Tris-HCl溶液里，浸泡15分钟(浸泡过程需磁力转子搅拌)以激活电极。浸泡过后用纯水彻底清洗干净镉离子感应层。如图2所示，电极的镉离子合金涂层传导通道11通过银引线112与多通道数据采集仪4 (Keithly 2700型)的高端电势接口(H)连接，银-氯化银参比电极5 (上海雷磁218型)与多通道数据采集仪4的低端电势接口(L)连接并与新型的检测镉离子的微生物传感器一同浸入IOOmL硝酸钾底液(浓度0· lmol/L,pH=6)中。随后，依次添加10 μ L、100 μ L、1000 μ L l(T3mol/L CdCl2溶液和 100 μ L、1000 μ L liTW/L CdCl2溶液；最后，得出镉离子的浓度范围是10_7mol/L 10_3mol/L。该新型的检测镉离子的传感器根据对不同浓度的镉离子溶液的检测，得出与之相对应的电势差值。如图3所示，电势差值随着浓度的升高而升高，并呈现出有规律性的、阶梯状的上升趋势；而图4则是浓度/电压的标准曲线，反映传感器测出的电势差值与镉离子浓度的线性关系。在10_7mol/L至10_5mol/L Cd2+浓度范围下，传感器灵敏度是28mV/pCd (理论值30mV/dec);在10_5mol/L至10_3mol/L Cd2+浓度范围下，传感器灵敏度是13mV/pCd ;对镉离子的最低检测限为O. 08 μ mol/L,响应时间小于90s。并且本发明能重复使用，使用时长达15周或以上(见图5)。三.新型的检测镉离子的微生物传感器对含镉水质标准样品的检测首先，按照上述的实验方法，用本次发明的传感器分别对10_7mOl/L、10_6mOl/L、10_5mol/L、10_4mol/L和10_3mol/L浓度的含镉溶液进行检测，根据其测出的电压值，画出浓度/电压的标准曲线(图6、7)。然后，将传感器浸入含镉样品(批号201422，标准值64. 6±5. 3yg/L，相对浓度58±5ymol/L)中，测出电压值为63mV (图8)。根据标准曲线图7所不，58±5 μ mol/L镉离子浓度所对应的电压值为55± ImV,与传感器检测含镉标准样 品时所得的电压值非常相近(误差约为14%)。由此证明本发明的新型的检测镉离子的微生物传感器是可靠的，可用于监测工业含镉废水(我国规定工业废水中镉的最高排放浓度为
0.9μπιΟ1/1，相当于O. lmg/L)。并且，根据浓度/电压标准曲线得知检测所得电势差值与之对应的离子浓度是否达到或超过国家规定工业污水的安全标准，有效地、有针对性地开展必要的更深层次的安全性分析，以及采取适当的措施；也可以根据检测结果，初步确定污水污染的状况和污染源，避免盲目投入，造成过多人力物力的浪费，这是符合我国国情的水源安全性评估发展趋势。
权利要求
1.一种新型的检测镉离子的微生物传感器，其特征在于，包括PC检测底板，在PC检测底板表面具有一条合金涂层传导通道，合金涂层传导通道一端与引线相连，另外一端为检测涂层，在检测涂层上方覆盖有一层PC盖板，在PC盖板上，与检测涂层相对应的位置设有检测池，检测涂层成为检测池的底面，在检测池的检测涂层表面敷有一层镉离子感应层； 所述的镉离子感应层是由石墨粉、小球藻属绿藻冻干粉和液体石蜡按照质量比45:45:10组成，将三者混合均匀后，平铺于检测涂层表面。
2.根据权利要求I所述的新型的检测镉离子的微生物传感器，其特征在于，所述的检测涂层呈圆盘状，其直径为l(Tl5mm。
3.根据权利要求I所述的新型的检测镉离子的微生物传感器，其特征在于，所述的合金涂层传导通道是用合成黄金、钼金或银电镀而成。
4.根据权利要求I所述的新型的检测镉离子的微生物传感器，其特征在于，所述的镉离子感应层的厚度< 1mm。
全文摘要
本发明公开了一种新型的检测镉离子的微生物传感器。它包括PC检测底板，在PC检测底板表面具有一条合金涂层传导通道，合金涂层传导通道一端与引线相连，另外一端为检测涂层，在检测涂层上方覆盖有一层PC盖板，在PC盖板上，与检测涂层相对应的位置设有检测池，检测涂层成为检测池的底面，在检测池的检测涂层表面敷有一层镉离子感应层；所述的镉离子感应层是由石墨粉、小球藻属绿藻冻干粉和液体石蜡按照质量比45:45:10组成，将三者混合均匀后，平铺于检测涂层表面。本发明实现了样品需要量少、检测时间短、灵敏度高、检测下限低等特点，极易携带，便于实时监测；最重要的是制作成本低廉，可大批量生产。
文档编号G01N27/00GK102937608SQ201210473579
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者郭诗韵, 许玫英, 张国霞, 孙国萍, 郭俊, 曾国驱 申请人:广东省微生物研究所, 佛山市环境健康与安全评价研究中心