水体化学需氧量的检测传感器及检测方法

1.本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种水体化学需氧量的检测传感器及检测方法。


背景技术：

2.随着工业的发展和大城市人口的增长，产生了大量的城市废水。但由于人们环境保护意识的缺乏，大量的生活污水和工厂废水会排放至湖库中，导致水体的富营养化。化学需氧量(cod)是衡量水中有机物含量的指标。水的化学需氧量通常用重铬酸钾作为氧化剂来测量，其定义为在一定条件下氧化1升水样中还原性物质所消耗的氧化剂的量，在所有氧化后，其转化为每升水样所需的氧气毫克数，单位为mg/l。这种方法需要使用多种有毒化学试剂，容易造成二次污染，检测时间长，对操作人员要求高，这增加了检测的成本并导致检测结果的不准确。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种检测方便，准确性高，不会对周围环境造成二次污染的水体化学需氧量的检测传感器。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
5.一种水体化学需氧量的检测传感器，包括微流体装置和金三电极，金三电极的表面上覆盖有一层金纳米颗粒层，微流体装置包括固定连接在金三电极表面上的盖模，盖模朝向金三电极的一侧侧面上凹设置有条形凹槽，条形凹槽与金三电极之间形成为反应腔，盖模上分别对应反应腔两端的位置穿设有与反应腔连通的进水流道和出水流道。
6.作为优化，所述金纳米颗粒层的厚度为400
±
50nm。
7.作为优化，所述进水流道包括凹设在所述盖模朝向所述金三电极的一侧侧面上且位于条形凹槽的一端外的进液槽，所述出水流道包括凹设在所述盖模朝向所述金三电极的一侧侧面上且位于条形凹槽的另一端外的出液槽，进液槽和出液槽分别与金三电极之间形成为进液腔和出液腔，所述盖模朝向所述金三电极的一侧侧面上且位于进液槽与所述条形凹槽之间的位置凹设有进口槽，进口槽分别与进液槽和所述条形凹槽连通，进口槽与所述金三电极之间形成为进口流道，所述盖模朝向所述金三电极的一侧侧面上且位于出液槽与所述条形凹槽之间的位置凹设有出口槽，出口槽分别与出液槽和所述条形凹槽连通，出口槽与所述金三电极之间形成为出口流道，所述盖模上分别对应进液槽和出液槽的位置穿设有进液管和出液管，进液管的一端伸入于进液腔内，另一端位于所述盖模外，储液罐的一端伸入于出液腔内，另一端位于所述盖模外。
8.作为优化，所述条形凹槽的槽深为150
±
50μm。
9.本发明还公开了一种水体化学需氧量的检测方法，包括以下步骤：
10.(1)获取金三电极，金三电极的表面上覆盖有一层金纳米颗粒层；
11.(2)配置多份具有不同cod值的水体；
12.(3)将其中一份水体滴在金三电极的表面上，利用电化学工作站检测金三电极上工作电极和对电极回路之间的电流，得到电流响应曲线；
13.(4)将金三电极表面清洗干净后，重复操作步骤(3)，直至将所有的水体检测完成；
14.(5)根据水体的cod值和对应的电流大小，通过线性拟合得到y＝0.15x-2.3，其中x代表电流大小，y代表cod值；
15.(6)将待检测水体滴在金三电极的表面上，根据电化学工作站检测金三电极上工作电极和对电极回路之间的电流大小后，通过步骤(5)中的线性拟合公式计算得到该水体的cod值大小。
16.作为优化，在步骤(1)中使用上述所述的水体化学需氧量的检测传感器。
17.相比现有技术，本发明具有如下有益效果：本发明通过目标分析物和金纳米颗粒之间发生化学反应在电极表面上产生电信号，通过测量电信号的大小间接测量目标分析物的cod值，检测方便，准确性高，具有成本低，不会对周围环境造成二次污染的优点。
附图说明
18.图1为本发明中的检测传感器和裸金三电极的循环伏安曲线图；
19.图2为裸金三电极在纯水以及浓度为50mg/l、100mg/l的葡萄糖溶液中的电流响应曲线图；
20.图3为裸金三电极在浓度为200mg/l、300mg/l和400mg/l的葡萄糖溶液中的电流响应曲线图；
21.图4为裸金三电极在纯水以及浓度为50mg/l、100mg/l、200mg/l、300mg/l和400mg/l的葡萄糖溶液中电流大小与浓度的线性拟合图；
22.图5为本发明中的检测传感器在纯水以及浓度为50mg/l、100mg/l的葡萄糖溶液中的电流响应曲线图；
23.图6为本发明中的检测传感器在浓度为200mg/l、300mg/l和400mg/l的葡萄糖溶液中的电流响应曲线图；
24.图7为本发明中的检测传感器在纯水以及浓度为50mg/l、100mg/l、200mg/l、300mg/l和400mg/l的葡萄糖溶液中电流大小与浓度的线性拟合图。
25.具体实施
26.本具体实施方式中的水体化学需氧量的检测传感器，包括微流体装置和金三电极，金三电极的表面上覆盖有一层金纳米颗粒层，微流体装置包括固定连接在金三电极表面上的盖模，盖模朝向金三电极的一侧侧面上凹设置有条形凹槽，条形凹槽与金三电极之间形成为反应腔，盖模上分别对应反应腔两端的位置穿设有与反应腔连通的进水流道和出水流道。
27.本具体实施方式中，所述金纳米颗粒层的厚度为400nm。
28.本具体实施方式中，所述进水流道包括凹设在所述盖模朝向所述金三电极的一侧侧面上且位于条形凹槽的一端外的进液槽，所述出水流道包括凹设在所述盖模朝向所述金三电极的一侧侧面上且位于条形凹槽的另一端外的出液槽，进液槽和出液槽分别与金三电极之间形成为进液腔和出液腔，所述盖模朝向所述金三电极的一侧侧面上且位于进液槽与所述条形凹槽之间的位置凹设有进口槽，进口槽分别与进液槽和所述条形凹槽连通，进口
槽与所述金三电极之间形成为进口流道，所述盖模朝向所述金三电极的一侧侧面上且位于出液槽与所述条形凹槽之间的位置凹设有出口槽，出口槽分别与出液槽和所述条形凹槽连通，出口槽与所述金三电极之间形成为出口流道，所述盖模上分别对应进液槽和出液槽的位置穿设有进液管和出液管，进液管的一端伸入于进液腔内，另一端位于所述盖模外，储液罐的一端伸入于出液腔内，另一端位于所述盖模外。
29.本具体实施方式中，所述条形凹槽的槽深为150μm。
30.一种水体化学需氧量的检测方法，包括以下步骤：
31.(1)获取金三电极，金三电极的表面上覆盖有一层金纳米颗粒层；
32.(2)配置多份具有不同cod值的水体；
33.(3)将其中一份水体滴在金三电极的表面上，利用电化学工作站检测金三电极上工作电极和对电极回路之间的电流，得到电流响应曲线；
34.(4)将金三电极表面清洗干净后，重复操作步骤(3)，直至将所有的水体检测完成；
35.(5)根据水体的cod值和对应的电流大小，通过线性拟合得到y＝0.15x-2.3，其中x代表电流大小，y代表cod值；
36.(6)将待检测水体滴在金三电极的表面上，根据电化学工作站检测金三电极上工作电极和对电极回路之间的电流大小后，通过步骤(5)中的线性拟合公式计算得到该水体的cod值大小。
37.本具体实施方式中，在步骤(1)中使用上述所述的水体化学需氧量的检测传感器。
38.取20ml(0.5mol/l)的naoh溶液标液于25ml烧杯中，使用电化学工作站分别对检测传感器和裸金三电极进行循环伏安曲线(cv)的测量，如图1所示。检测传感器的电流响应明显大于裸金三电极，表明金纳米颗粒层具有良好的导电性。
39.在测试水质化学需氧量的大小时，通常以葡萄糖溶液作为标准溶液。将已知质量的葡萄糖溶于0.5mol/l的naoh溶液中，配置50mg/l、100mg/l、200mg/l、300mg/l和400mg/l的葡萄糖储备溶液作为化学需氧量标液，取20ml标液于25ml烧杯中，将裸金三电极插入电极适配器上，将电极适配器盖在烧杯上，使裸金三电极部分刚好完全浸入在标液中，使用电化学工作站进行测量。测量裸金三电极在不同浓度的葡萄糖标准溶液引起的电流响应曲线，最后根据电流大小和葡萄糖浓度的变化绘制标准曲线，如图2和图3所示。由图可以看出，葡萄糖溶液的浓度与电流的大小呈线性关系，进行线性拟合，如图4所示，线性范围为0-200mg/l，葡萄糖溶液的浓度y与电流x的关系式为y＝0.0649x+0.21，相关系数为0.998。这说明裸金三电极的电流大小与葡萄糖溶液的浓度的相关性很好，因此可以通过电流大小的变化来判断水体样品的化学需氧量。
40.利用本具体实施方式中的水体化学需氧量的检测传感器测量在不同浓度的葡萄糖标准溶液引起的电流响应曲线，然后根据电流大小和葡萄糖浓度的变化绘制标准曲线，如图5和图6所示。由图可以看出，葡萄糖溶液的浓度与电流的大小呈线性关系，进行线性拟合，如图7所示，线性范围为0-400mg/l，相比未沉积金纳米颗粒的裸金三电极，线性范围增加了一倍。葡萄糖溶液的浓度y与电流x的关系式为y＝0.15x-2.3，相关系数为0.989，本实施例中的检测传感器测量的电流大小与葡萄糖溶液的浓度有较好的线性度。
41.利用本具体实施方式中的水体化学需氧量的检测传感器测量对多个样品进行化学需氧量的检测，如表1所示：
[0042][0043]
表1
[0044]
根据检测传感器的样品的测量结果与国标hj828-2017的测定结果进行对照，每份样品均平行测定3次，两者的相对误差在3.7％-8％之间，表明本方法可适用于一般地表水样cod值的快速测定。
[0045]
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种水体化学需氧量的检测传感器，其特征在于：包括微流体装置和金三电极，金三电极的表面上覆盖有一层金纳米颗粒层，微流体装置包括固定连接在金三电极表面上的盖模，盖模朝向金三电极的一侧侧面上凹设置有条形凹槽，条形凹槽与金三电极之间形成为反应腔，盖模上分别对应反应腔两端的位置穿设有与反应腔连通的进水流道和出水流道。2.根据权利要求1所述的水体化学需氧量的检测传感器，其特征在于：所述金纳米颗粒层的厚度为400
±
50nm。3.根据权利要求1所述的水体化学需氧量的检测传感器，其特征在于：所述进水流道包括凹设在所述盖模朝向所述金三电极的一侧侧面上且位于条形凹槽的一端外的进液槽，所述出水流道包括凹设在所述盖模朝向所述金三电极的一侧侧面上且位于条形凹槽的另一端外的出液槽，进液槽和出液槽分别与金三电极之间形成为进液腔和出液腔，所述盖模朝向所述金三电极的一侧侧面上且位于进液槽与所述条形凹槽之间的位置凹设有进口槽，进口槽分别与进液槽和所述条形凹槽连通，进口槽与所述金三电极之间形成为进口流道，所述盖模朝向所述金三电极的一侧侧面上且位于出液槽与所述条形凹槽之间的位置凹设有出口槽，出口槽分别与出液槽和所述条形凹槽连通，出口槽与所述金三电极之间形成为出口流道，所述盖模上分别对应进液槽和出液槽的位置穿设有进液管和出液管，进液管的一端伸入于进液腔内，另一端位于所述盖模外，储液罐的一端伸入于出液腔内，另一端位于所述盖模外。4.根据权利要求1所述的水体化学需氧量的检测传感器，其特征在于：所述条形凹槽的槽深为150
±
50μm。5.一种水体化学需氧量的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）获取金三电极，金三电极的表面上覆盖有一层金纳米颗粒层；（2）配置多份具有不同cod值的水体；（3）将其中一份水体滴在金三电极的表面上，利用电化学工作站检测金三电极上工作电极和对电极回路之间的电流，得到电流响应曲线；（4）将金三电极表面清洗干净后，重复操作步骤（3），直至将所有的水体检测完成；（5）根据水体的cod值和对应的电流大小，通过线性拟合得到y=0.15x-2.3，其中x代表电流大小，y代表cod值；（6）将待检测水体滴在金三电极的表面上，根据电化学工作站检测金三电极上工作电极和对电极回路之间的电流大小后，通过步骤（5）中的线性拟合公式计算得到该水体的cod值大小。6.根据权利要求5所述的一种水体化学需氧量的检测方法，其特征在于：在步骤（1）中使用权利要求1至4中任意一项所述的水体化学需氧量的检测传感器。

技术总结
本发明公开了一种水体化学需氧量的检测传感器，包括微流体装置和金三电极，金三电极的表面上覆盖有一层金纳米颗粒层，微流体装置包括固定连接在金三电极表面上的盖模，盖模朝向金三电极的一侧侧面上凹设置有条形凹槽，条形凹槽与金三电极之间形成为反应腔，盖模上分别对应反应腔两端的位置穿设有与反应腔连通的进水流道和出水流道。本发明还公开了一种利用检测传感器对水体进行化学需氧量的检测方法。本发明通过目标分析物和金纳米颗粒之间发生化学反应在电极表面上产生电信号，通过测量电信号的大小间接测量目标分析物的COD值，检测方便，准确性高，具有成本低，不会对周围环境造成二次污染的优点。造成二次污染的优点。造成二次污染的优点。


技术研发人员：杨晓占 谢松 冯文林
受保护的技术使用者：重庆理工大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/24