[发明专利]生物需氧量传感器

说明书

相关申请

本申请要求2011年6月14日提交的美国临时申请号61/496,608的权益，所述临时申请以引用的方式整体并入本文。

发明领域

本发明涉及生物需氧量(BOD)传感器。BOD传感器可以用于(例如)监测水中有机污染物。

背景

生物需氧量(BOD)是流体(通常是水)中需氧生物有机体所需用以分解存在的有机物质的溶解氧量。BOD通常被表示为给定流体样本在给定温度下、在给定时间段上所需要的氧量。由于BOD涉及生物活性，因此所引用的BOD值并非很精确，但它给出了对流体中有机质含量的良好指示。

BOD测量最常用于监测水的有机质含量，例如，废水、工业过程水、农业过程水、农业径流、地表水的有机质含量。尽管水中的有机物可能来自多种“天然”来源，例如，水生植物或者落叶，但是水中的有机物最经常源自动物粪便或使用化学品的工业过程中的污染。有机污染还可以包括(例如)食品加工废料、碳氢化合物、个人护理产品或杀虫剂。因此，测量水的BOD给出水清洁度和其可饮用性的一般含义。如挥发性脂肪酸(VFA)的一些有机化合物仅与动物粪便相关联并且发出可能存在危险微生物(例如，霍乱)的信号。要求定期监测水质的大多数机构会测量BOD以及悬浮固体和氨含量。

用于在废水处理过程和工业中监测BOD的当前实践要求BOD₅测试，其以获得结果所需的五天而命名。由于它的实施需要五天，因此在采集样本与获取BOD测量结果之间存在显著延迟，从而使得不可能进行实时监测。另外，BOD₅测试的准确度可疑并且具有非再现性，同时耗时耗力。参见DiLorenzo等，Water Research，43(2009)3145-3154，其以引用方式整体并入本文。

因此，人们极大地关注用于BOD监测的改进的实时传感器。这些传感器将通过允许开发条件进行更快速的调整、同时降低成本来大大益于综合水管理方法。理想的传感器是廉价、稳健、准确的，并且具有传感器所有效的大范围的样本浓度。

概述

本发明提供改进的BOD传感器，所述BOD传感器尤其适用于监测工艺废水、工业过程水以及农业过程水的质量。本发明包括：传感器；包括所述传感器的系统；使用所述传感器来测量BOD的方法；以及与本发明的所述系统一起使用的稀释液。所述传感器优于先前BOD传感器之处在于它们廉价、稳健、对BOD变化响应迅速并且能够检测大范围的BOD。

本发明包括生物需氧量(BOD)传感器，其并有至少三个工作电极、至少一个反电极、稀释液储槽以及用于测量从所述工作电极流至所述反电极的电流或电压的传感器。所述BOD传感器通常也将包括至少一种安置在所述工作电极附近的电活性微生物。本发明的BOD传感器可以另外包括接收将监测BOD的样本的混合腔室，其中所述样本经过稀释以制成至少三个不同稀释物，测量所有所述至少三个不同稀释物的BOD。通过对至少三个样本测量BOD，可能快速确定BOD值，同时仍然保持测量大范围的BOD值的能力。在本发明的一些实施方案中，电压来源可操作地连接在所述工作电极与所述反电极之间。

本发明包括用于确定样本生物需氧量(BOD)的方法，所述方法包括：用稀释液稀释所述样本以获得所述样本的至少三个不同稀释物；使用生物电化系统(BES)测量所述至少三个不同稀释物的每个的BOD以获得至少三个BOD值；以及比较所述至少三个BOD值以确定所述样本的BOD。测量程序通常将使来自BES的电流或电压测量结果与BOD值相关联，例如，通过参照BES的校准曲线进行所述关联。在一个实施方案中，所述方法在1小时内完成。

本发明包括用于测定目标有机化合物的存在的另一类型的传感器。这种传感器包括：第一电极和第二电极；可操作地连接至所述第一电极和第二电极上的电压来源；可操作地连接至所述第一电极和第二电极并能测量所述第一电极与第二电极之间的电流的电流传感器；以及产电细菌的培养物，其代谢式使用有机物质作为电子供体的能力大致上限于目标有机化合物。在一个实施方案中，这种传感器另外包括用于所述第一电极和第二电极的壳体，其中所述壳体限制所述第一电极或所述第二电极附近的有氧代谢。所述传感器可使用如硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)的产电细菌。这种传感器将极适用于测量如在城市废水和厌氧消化器中所见的挥发性脂肪酸。