一种原位测量生物膜厚度的装置的制作方法

本实用新型属于电化学测量领域，尤其是涉及一种原位测量生物膜厚度的装置。

背景技术：

金属腐蚀是金属材料与所处的环境介质之间发生一定程度地化学、电化学或物理作用，从而引发的变质的现象。金属材料的腐蚀问题涉及到国家经济发展中的各个领域，无论是在农业、工业、制造业和建筑业等生产行业中，涉及到金属材料的场合都不同程度地存在材料的腐蚀问题。金属材料的腐蚀对国家经济生产、资源环境和社会公共安全等方面都产生了严重影响。金属腐蚀主要分为化学腐蚀、电化学腐蚀、微生物腐蚀和物理腐蚀。金属材料周围环境介质的湿度、温度、溶解氧、pH值、酸碱盐和微生物等因素都会影响金属材料的腐蚀状况，微生物腐蚀与化学腐蚀过程往往同时发生，两者很难截然分开。水、土壤、大气等环境中存在着种类繁多的微生物，它们是倾向于吸附在各种工程材料表面，形成生物膜而不断繁衍生存。微生物生长和繁殖覆盖在金属表面导致的腐蚀作用主要包括：原电池腐蚀；影响电化学腐蚀的阳极或阴极反应；金属表面点蚀；局部厌氧腐蚀；微生物新陈代谢产生的酸等物质侵蚀金属表面。

据资料显示，我国每年因金属材料腐蚀造成的损失占GDP的5％，每年约造成的经济损失达5000亿元，其中微生物腐蚀约占所有金属和建筑材料腐蚀破坏的20％。微生物腐蚀常发生在石油、化工、航空、机械、核能、电力、工业用水和循环冷却水系统等领域的设备腐蚀中。在石油化工、农业、造纸等工业中，金属设备的损害、有害物质泄漏的现象时有发生，严重污染周边环境，威胁公众健康。同时，因为金属材料腐蚀造成的灾难性事故，从而破坏公共安全的现象屡见不鲜，如：天然气井的套管因应力腐蚀裂开，造成井喷和爆炸；化工厂乙烯原料储蓄罐因为硫化物质腐蚀而引发大火，造成人员伤亡等。

材料表面的生物膜是一个复杂的、动态变化的微生物生存环境。由于生物膜具有一定厚度，环境中营养物质或溶解氧等从液相主体到生物膜内部的传递过程中，其浓度会随着生物膜的厚度持续降低。生物膜内部溶解氧、pH 值、各种元素浓度与外部环境完全不同，且这些物质浓度影响着微生物的新陈代谢作用及其腐蚀作用。生物膜的生长过程决定了生物膜空间上的异质性，而且生物膜厚度也在不断变化。生物膜厚度的原位监测对于生物膜的传质过程和界面腐蚀过程研究具有重要意义。因此，亟待研发一种能够原位地测量腐蚀评估反应器中金属材质上生物膜厚度的技术，从而促进微生物腐蚀过程研究和腐蚀防护技术的开发应用。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种原位测量生物膜厚度的装置，实现原位无损地测量生物膜厚度，且测试简单，装配快捷，成本低廉。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种原位测量生物膜厚度的装置，包括釜体，在釜体内轴向设置旋转支撑体，所述旋转支撑体与釜体之间存在环形间隙；所述旋转支撑体的下端通过转轴与电机相连；所述旋转支撑体的上端设置连接轴，所述釜体上设置顶盖，所述顶盖包括内盖和外环盖，所述内盖与连接轴固定相连，所述外环盖与釜体固定相连；所述旋转支撑体外壁设置卡槽，所述卡槽内对应插接匹配的测试滑片；所述滑片包括样品片，在样品片上分别设置两条竖直的薄膜电极，所述薄膜电极分别通过导线贯穿内盖上的贯穿孔。

进一步，所述旋转支撑体设置为圆柱形，所述卡槽沿旋转支撑体的圆周均匀设置若干个，其内盖上对应设置卡槽两倍个数的贯穿孔。

进一步，所述滑片还包括卡固片，所述卡固片的尺寸大于样品片的尺寸，所述卡固片和样品片之间螺钉紧固。

进一步，所述薄膜电极的材质采用Cr、Ti、Cr/Au合金或Ti/Au合金中的一种。

进一步，所述卡槽包括第一卡槽和第二卡槽，所述第一卡槽靠近旋转支撑体内侧，所述第一卡槽与旋转支撑体内壁存在间隙。

进一步，所述第二卡槽与第一卡槽靠近一侧设置为让位倾斜面，其让位倾斜面与竖直面之间具有30-50°的夹角。

进一步，所述导线的末端分别设置导电夹，所述导线通过导电夹伸出贯穿孔外部。

进一步，还包括检测分析仪，所述检测分析仪的正测试极和负测试极分别通过导线与对应的导电夹相连。

进一步，所述釜体外部设置保温夹层。

进一步，所述外环盖突出釜体的外缘下端设置支撑螺杆，所述支撑螺杆沿外环盖圆周均匀设置若干个。

相对于现有技术，本实用新型所述的一种原位测量生物膜厚度的装置具有以下优势：

当运行一段时间后，停止旋转支撑体的转动，只需将检测分析仪与导线相连即可，装置简单，成本较低，且测试方便快捷。

顶盖包括内盖和外环盖，内盖和外环盖之间留有环形间隙，使内盖和外环盖分离，内盖上设置贯穿孔，内盖随着连接轴与旋转支撑体一起转动，保证插入贯穿孔内的导线与卡槽上的薄膜电极一一对应，不会发生相对转动。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的一种原位测量生物膜厚度的装置爆炸示意图；

图2为本图1中局部A放大示意图；

图3为本实用新型实施例所述的检测分析仪与薄膜电极导线连接示意图。

附图标记说明：

1-釜体；2-旋转支撑体；21-第一卡槽；22-第二卡槽；3-滑片；31-卡固片；32-样品片；33-薄膜电极；4-连接轴；5-顶盖；51-内盖；52-外环盖； 53-贯穿孔；6-支撑螺杆；7-导电夹；8-检测分析仪。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图1-3，一种原位测量生物膜厚度的装置，包括釜体1，在釜体1内轴向设置旋转支撑体2，所述旋转支撑体2与釜体1之间存在环形间隙；所述旋转支撑体2的下端通过转轴与电机相连；所述旋转支撑体2的上端设置连接轴4，所述釜体1上设置顶盖5，所述顶盖5包括内盖51和外环盖52，所述内盖51与连接轴4固定相连，所述外环盖52与釜体1固定相连；所述旋转支撑体2外壁设置卡槽，所述卡槽内对应插接匹配的测试滑片3；所述滑片3包括样品片32，在样品片32上分别设置两条竖直的薄膜电极33，所述薄膜电极33分别通过导线贯穿内盖51上的贯穿孔53。

釜体1与旋转支撑体2之间存在环形间隙，注入一定实验用液体，供其生物膜的生长；所述卡槽沿径向并列设置两个，且卡槽沿轴向延伸；卡槽和滑片3的匹配设置，插接固定简单方便；并且滑片3在旋转支撑体2的带动下保持一定转速运行，模拟在液体流的持续剪切力下，液体中某些化学指标或微生物因素对滑片3的腐蚀作用，使其更接近实际情况。

顶盖5包括内盖51和外环盖52，内盖51和外环盖52之间留有环形间隙，使内盖51和外环盖52分离，内盖51上设置贯穿孔53，内盖51随着连接轴4与旋转支撑体2一起转动，保证插入贯穿孔53内的导线与卡槽上的薄膜电极33一一对应，不会发生相对转动。

当运行一段时间后，停止旋转支撑体2的转动，只需将检测分析仪8与导线相连即可，装置简单，成本较低，且测试方便快捷。

外环盖52的设置，起到防护罩的作用；保证旋转支撑体2与釜体1之间的环形间隙为稳定的环境，不会有其他异物的进入。

其中，釜体1设置为圆筒形，材质为玻璃缸；其旋转支撑体2设置为圆柱形，旋转支撑体2与釜体1之间设置为环形间隙，实验用液体注入于其内。

旋转支撑体2上的卡槽沿圆周外壁均匀设置若干个，其适宜的个数为20 个。

所述旋转支撑体2设置为圆柱形，所述卡槽沿旋转支撑体2的圆周均匀设置若干个，其内盖51上对应设置卡槽两倍个数的贯穿孔53。

每一个卡槽上插接一个滑片3，每个滑片3的样品片32上设置两条竖直的薄膜电极33，每条薄膜电极33通过导线单独插入贯穿孔53内，所以贯穿孔53的数量为卡槽数量的两倍。

所述滑片3还包括卡固片31，所述卡固片31的尺寸大于样品片32的尺寸，所述卡固片31和样品片32之间螺钉紧固。

卡固片31的材质为聚四氟乙烯，样品片32的材质为金属；卡固片31 的尺寸大于样品片32的尺寸，方便插接固定，在径向上不会发生移动，在轴向上方便插接安装与拆卸；

实施例：样品片32的尺寸为宽1.27cm，长13cm，厚0.35cm；卡固片31的尺寸为长15cm，宽1.67cm，厚0.5cm。

所述薄膜电极33的材质采用Cr、Ti、Cr/Au合金或Ti/Au合金中的一种。

样品片32上设置两条竖直的薄膜电极33，其制备方法为：用激光刻蚀的方法制备掩模版，在样品片32表面涂抹一层薄的光刻胶，将掩模版与样品片32精确对准，然后进行曝光、显影和直流磁控溅射沉积薄膜层后制作完成薄膜电极33的制备。其薄膜电极33的宽度为1mm，长13cm，导电层厚度为10μm，两个薄膜电极33之间的间距为0.8cm。其中导电层的材质采用 Cr、Ti、Cr/Au合金或Ti/Au合金中的一种。

所述卡槽包括第一卡槽21和第二卡槽22，所述第一卡槽21靠近旋转支撑体2内侧，所述第一卡槽21与旋转支撑体2内壁存在间隙。所述第二卡槽22与第一卡槽21靠近一侧设置让位倾斜面，其让位倾斜面与竖直面之间具有30-50°的夹角。

第一卡槽21与旋转支撑体2内壁间存在间隙，与设置让位倾斜面，两种设计均是为了使受腐蚀的滑片3能够自如的抽取，避免受腐蚀滑片3表面的腐蚀产物充涨紧紧贴合卡槽，导致滑片3无法抽出的问题。

其中让位倾斜面与竖直面之间适宜角度设置为45°。

所述导线的末端分别设置导电夹7，所述导线通过导电夹7伸出贯穿孔 53外部。

导电夹7的作用，一方面起到固定的作用，另一方面起到连接的作用，且防止漏电，提高安全性能。

还包括检测分析仪8，所述检测分析仪8的正测试极和负测试极分别通过导线与对应的导电夹7相连。

所述检测分析仪8采用Keithley 2700万用表，Keithley 2700万用表的正测试极和负测试极分别连接导线，旋转支撑体2转动运行一段时间后，停止旋转，导线与暴露于贯穿孔53外部的导电夹7相连，即可导通；实现原位地测量两个薄膜电极33之间由于生物膜生长造成的电流变化。

所述釜体1外部设置保温夹层。保温夹层内充置一定温度的液体，使其反应器在一定恒温条件下运行。使其更好的模拟实际情况。

测试原理：样品片32上两个导电的薄膜电极33之间是金属基底上生长的生物膜。随之旋转支撑体2运行，釜体1内液体中的营养物质使得金属基底上生长出微生物膜，随着生物薄膜厚度的不同会使得两电极之间的电阻发生变化，在保持外加电压不变的情况下会使得Keithley 2700万用表系统采集到的电流发生变化。因此可原位地测量某时刻两个薄膜电极33之间由于生物膜生长造成的电流变化，利用Labview系统记录数据，根据欧姆定律即可计算出该金属材料表面生长的生物膜厚度。

样品片32上微生物膜的电阻、电压和电流3个参数的关系服从欧姆定律，其表达式为：

R＝V/I＝(ρ)L/A＝(ρ)L/(W×D)

式中R为生物膜的电阻，V为电压，I为电流，ρ为生物膜的电阻率，L 为生物膜长度，A为生物膜的截面积，W为生物膜宽度，D为生物膜厚度。微生物膜的电阻率可以通过相关手册查得，生物膜长度L和生物膜宽度W或生物膜的截面积A即为样品片32上薄膜电极33为边界的长度、宽度和截面积。所以通过计算即可获得该时刻样品片32上生长的生物膜的厚度D。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型范围之内。