[发明专利]一种用于BOD快速检测的集成式微流控电化学传感器芯片及其制备和BOD检测方法

说明书

本发明提供了一种用于BOD快速检测的集成式微流控电化学传感器芯片及其制备和BOD检测方法，涉及BOD检测技术领域。本发明提供的芯片包括：单晶硅基底；叠加在单晶硅基底表面内部设置有微流通道系统的PDMS层，微流通道系统包括待测液进口、微流通道、生物膜反应器、电化学检测池和废液出口；设置于单晶硅基底和PDMS层之间呈叉指超微电极阵列排布的三电极体系；和设置于单晶硅基底底面的铂薄膜温度传感器，铂薄膜温度传感器的表面粘附有微型加热铜电极。本发明采用微流控技术在同一芯片上实现了生物膜反应器与电化学电极两个功能单元的有效集成，实现了传感器的微型化和水样BOD的快速、稳定、准确和连续自动化监测。

技术领域

本发明涉及生化需氧量检测技术领域，特别涉及一种用于BOD快速检测的集成式微流控电化学传感器芯片及其制备和BOD检测方法。

背景技术

生化需氧量(又称为BOD)是表示水中有机物等需氧污染物含量的一个综合指标，它说明水中有机物由于微生物的生化作用进行氧化分解过程中所消耗水中溶解氧的总数量，其单位以mg/L表示，其值越高，说明水中有机污染物越多，污染也就越严重。BOD的测定是模拟天然水体的生物降解和好氧生化处理过程，是评价污水可生化处理的主要手段，也是水质评价的必测项目。快速、准确测定水体中BOD一直是环境监测中的一大难题。

近十多年来，BOD快速测定方法发展迅速，其中微生物膜电极法研究最多。根据这种方法，微生物膜固定在氧电极表面，在不含有机物的样品，溶解氧电极的读数保持稳定，而当样品中包含有机物时，固定于膜中的微生物会消耗溶解氧以分解有机物，因此溶解氧浓度会随包含有机物的浓度的增大而减小，有机物浓度的差值与溶解氧的减少值存在定量关系，据此可换算出水中BOD。2002年该方法被我国列为BOD快速测定的行业标准，为该类仪器的市场准入制定了标准。虽然该类仪器和方法操作简单且检测快速(通常在30分钟以内)，但也有其自身的问题：第一，以溶解氧为检测对象，由于溶解氧在水中的溶解度很低，使得微生物降解有机物效率受到限制，造成氧电极信号微弱，给传感器后端电路检测系统带来挑战；第二，压密的微生物膜覆盖在氧电极表面，更换电极的同时会影响微生物系统，传感器的长期稳定性难以保证，无法实现BOD的连续在线监测；第三，由于固定氧电极表面的微生物膜厚度较薄，膜上的微生物种类、数量有限，在实际应用中很容易遇到超出固定微生物所能分解的有机物成分，从而造成测试结果偏低的问题。

早在20世纪90年代，就有学者研究利用生物反应器的方法实现水样中BOD的快速测定，其原理是将微生物置于一个装有测试水样的密闭容器里，待孵化反应一段时间后，再用氧电极检测溶解氧的消耗量进而得出BOD的浓度，这种方法最大的优点是实现了电极与微生物的分离，微生物系统不再受电极更换的影响，电极表面的大小也不再受微生物的限制，能够保证传感器较好的稳定性。然而，由于微生物分散悬浮在水样中，在不同水样检测过程中，微生物清洗耗时耗力，导致这种方法无法应用于现场检测。2012年初，中国科学院长春应用化学研究所董绍俊研究小组提出一种基于生物膜反应器的BOD电化学检测方法，其原理是将微生物菌群固定成膜的形式置于密闭的玻璃管中构成生物膜反应器，这样就使得微生物清洗方便快捷，该传感器检测寿命达17个月。然而，无论是传统的生物反应器，还是目前提出的生物膜反应器，其结构较为复杂，体积较大，难以实现检测仪器的微型化。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种用于BOD快速检测的集成式微流控电化学传感器芯片及其制备和BOD检测方法。本发明采用微流控技术在同一芯片上实现了生物膜反应器与电化学电极两个功能单元的有效集成，实现了传感器的微型化和水样BOD的快速、稳定和连续自动化监测。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种用于生化需氧量快速检测的集成式微流控电化学传感器芯片，包括：

单晶硅基底1，