一种氯代烯烃测定装置及其检测方法与流程

本发明属于环境监测技术领域，涉及一种氯代烯烃测定装置及其检测方法。

背景技术：

水源不足、水源污染是中国饮用水水源面临的最直接问题，其中饮用水水源污染问题尤为突出。目前中国约有97％城市存在地下水污染，程度分为污染严重、污染中等和污染较轻，基本的清洁地下水只有3％。地下水污染是由于人类活动引起地下水化学成分、物理性质和生物学特性发生改变而使质量下降的现象。地下水污染的原因主要有：工业废水向地下直接排放，受污染的地表水侵入到地下含水层中，人畜粪便或因过量使用农药而受污染的水渗入地下等。污染的结果是使地下水中的有害成分、细菌、有机物等的含量增高。污染的地下水对人体健康和工农业生产都有严重影响。

三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)和二氯乙烯(DCE)是工业上广泛使用的三种氯代烯烃，常被用作金属表面处理剂，电镀清洁剂，脱脂剂和萃取剂，还可用于有机合成、农药的生产。由于不正确的处理和管理，以及其在广泛使用过程中的泄漏，氯代烯烃已成为地下水中最为常见的难降解污染物种类之一。氯代烯烃具有生物毒性，在环境中可通过食物链不断富集，进入人体会损害人的中枢神经系统，引起肝、肾、心脏、三叉神经损害，并具有致癌性，对人类健康具有严重危害。利用微生物修复技术处理地下水中的氯代烯烃受到广泛关注。氯代烯烃可在共基质如甲烷、氨、芳香类化合物存在时，通过好氧和厌氧细菌的共代谢作用得到降解，其中，甲烷氧化菌OB3b是一种常用的降解菌。

生物传感器对生物物质敏感，能够将其浓度转化成电信号进行检测。识别元件为固定化的生物敏感材料，并配有理化换能器和信号放大器等。生物传感器常被用于水环境和大气环境监测领域。由于氯代烯烃是一种挥发性的含氯脂肪族化合物，且很难被微生物直接降解，利用生物传感器测定氯代烯烃的研究极少。传统的测定方法为气相色谱法，其分析时间很长，需要预处理，溶剂的萃取和吹扫捕集等步骤都较为复杂，且实验设备较为昂贵。因此，需要提出一种简单迅速的氯代烯烃测定装置。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是克服现有技术的缺陷，提供一种较为简单、可迅速检测地下水中氯代烯烃的装置，以及一种基于该装置的检测方法，致力于地下水中氯代烯烃污染的有效监测。

为了达到上述目的，本发明提供一种氯代烯烃测定装置，包括水浴装置、生物传感器装置、生物膜装置、电磁搅拌装置和检测装置；其中，所述生物传感器装置包括反应池和氯离子电极，反应池置于水浴装置内，氯离子电极包括AgCl/Ag₂S膜工作电极和Ag/AgCl参比电极，两种电极均浸泡在反应池中；所述生物膜装置包括2个平行布置的多孔硝酸纤维素膜和固定在两层多孔硝酸纤维素膜之间的降解细菌，所述生物膜装置固定在AgCl/Ag₂S膜工作电极底部；电磁搅拌装置分为两部分且分别置于水浴装置下方和生物传感器装置内部，检测装置与生物传感器装置相连接。

作为本发明的进一步改进，所述水浴装置包括：温度计、温控仪、电热单元、出水口以及上端开口的外壳。

作为本发明的进一步改进，所述电磁搅拌装置包括电磁搅拌腔和电磁搅拌子；其中，电磁搅拌腔置于水浴装置下方，电磁搅拌子置于生物传感器装置中反应池的池底。

作为本发明的进一步改进，所述检测装置包括放大器、离子检测仪及电子记录仪；其中，放大器与两种氯离子电极相连，离子检测仪与放大器相连，电子记录仪又与离子检测仪相连。

作为本发明的进一步改进，所述多孔硝酸纤维素膜直径为20mm，孔径为0.45μm；所述降解细菌为甲烷氧化菌OB3b。

基于所述氯代烯烃测定装置的检测方法，包括以下步骤：

(1)向含有磷酸盐缓冲溶剂的反应池中加入待测溶液，待测溶液中的氯代烯烃通过下层多孔硝酸纤维素膜与固定的降解细菌接触，甲烷氧化菌OB3b对氯代烯烃进行降解，释放出氯离子通过上层多孔硝酸纤维素膜被选择性检测氯离子的AgCl/Ag₂S膜工作电极接收；

(2)通过工作电极将离子信号由放大器、离子检测仪和电子记录仪进行监测，将得到的氯离子浓度转换为氯代烯烃的浓度，生物传感器装置的响应通过稳态法进行评估，作出氯代烯烃与氯离子浓度的对应关系图，进而得到待测溶液中氯代烯烃的浓度。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

(1)采用微生物降解测定氯代烯烃含量，避免使用具有危害的化学试剂，安全无毒，不产生二次污染，较为环保，且可以重复使用。

(2)与传统的氯代烯烃检测方法相比，省略了溶剂萃取、吹扫捕集等较为复杂的步骤，操作更为简便，设备装置简单，成本低廉，反应时间得到了极大的缩短，且低于一般的生物传感器。

(3)使用灵敏的生物传感器测定氯代烯烃，检出限较传统方法更低，可再现性较高，为检测结果的准确性提供了保障。

(4)降解细菌甲烷氧化菌OB3b对pH值、温度变化具有一定抗性，测定装置能够在一定范围内实现较高的准确性和敏感性。

(5)电磁搅拌装置使得反应器内水体始终保持流动状态，保证反应器中缓冲液的高混合高扰动，保证降解细菌对氯代烯烃的完全降解，提高检测结果的准确性。

附图说明

图1是氯代烯烃测定装置的结构示意图。

图2是实施例1中三氯乙烯浓度与氯离子浓度的对应关系图。

图3是实施例1中温度与氯离子浓度的对应关系图。

图4是实施例1中pH值与氯离子浓度的对应关系图。

图1中：1.电磁搅拌腔，2.水浴装置，3.温度计，4.反应池，5.AgCl/Ag₂S膜工作电极，6.Ag/AgCl参比电极，7.电磁搅拌子，8.放大器，9.离子检测仪，10.电子记录仪，11.多孔硝酸纤维素膜，12.降解细菌。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种高效灵敏的氯代烯烃测定装置，包括水浴装置2，生物传感器装置，生物膜装置，电磁搅拌装置，检测装置。

进一步地，所述水浴装置包括温度计3、温控仪、电热单元、出水口以及上端开口的外壳；所述水浴装置可通过所述电热单元加热，通过所述温度计3和所述温度传感器检测温度，并通过所述控温仪保持恒温。

进一步地，所述生物传感器装置包括反应池4、选择性检测氯离子的AgCl/Ag₂S膜工作电极5和Ag/AgCl参比电极6；所述反应池4置于所述水浴装置内，所述反应池4内盛有10mM的磷酸盐缓冲液，所述选择性检测氯离子的AgCl/Ag₂S膜工作电极5和Ag/AgCl参比电极6浸泡在所述反应池4中的所述磷酸盐缓冲液中。

进一步地，所述生物膜装置包括2个平行布置的多孔硝酸纤维素膜11以及固定在两层所述多孔硝酸纤维素膜之间的降解细菌12；所述多孔硝酸纤维素膜11直径为20mm，孔径为0.45μm；所述降解细菌12为甲烷氧化菌OB3b；所述生物膜装置用尼龙和O型圈固定在所述选择性检测氯离子的AgCl/Ag₂S膜工作电极5底部。

进一步地，所述电磁搅拌装置包括电磁搅拌腔1和电磁搅拌子7；所述电磁搅拌腔1置于所述水浴装置2下方，所述电磁搅拌子7置于所述生物传感器装置所述反应池4的池底中部；所述电磁搅拌腔1可通过磁力控制所述电磁搅拌子7，从而控制不同转速，使所述反应池4内的缓冲液充分混匀。

进一步地，所述检测装置包括放大器8、离子检测仪9及电子记录仪10；所述放大器8与所述氯离子电极相连，所述离子检测仪9与所述放大器8相连，所述电子记录仪10又与所述离子检测仪9相连。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

利用甲烷氧化菌OB3b对三氯乙烯的降解作用进行三氯乙烯含量的测定，甲烷氧化菌OB3b生长所用培养基成分为：1.0g MgSO₄·7H₂O；0.2g CaCl₂；0.004g乙二胺四乙酸铁盐；1.0g KNO₃；0.05％微量元素溶液(2.86g H₃BO₃，1.81g MnCl₂·4H₂O，0.22g ZnSO₄·7H₂O，0.08g CuSO₄·5H₂O，0.021g Na₂MoO₄，加无菌水定容至1L，最后滴加浓硫酸1滴)，溶解于1L蒸馏水中，并将培养基的pH调整到7.0左右，最后加入2mL无菌的磷酸盐缓冲液(pH 7.0)。在30℃条件下，将甲烷氧化菌OB3b接种到上述培养基中，并在甲烷:空气(1:2)的气体环境中于250rpm的转速下培养至稳定期。

对培养至稳定期的甲烷氧化菌OB3b在4℃，8000rpm的条件下离心5min，并用10mM磷酸盐缓冲液(pH 7.0)冲洗两次；使用注射过滤固定器将上清液中的细胞抽吸到多孔硝酸纤维素膜(直径20mm，孔径0.45μm)上固定。之后，将另外一个多孔硝酸纤维素膜覆盖在固定的微生物膜上，使得甲烷氧化菌OB3b夹在两张膜之间，完成生物膜装置制备。

将工作电极和参比电极首先浸泡在盛有10mM磷酸盐缓冲液(pH 7.0)的反应池内，利用恒温水浴控制反应池的温度保持在30℃，利用电磁搅拌装置对缓冲液进行持续搅拌。当输出信号稳定后，向含有磷酸盐缓冲溶剂的反应池中注入三氯乙烯，三氯乙烯通过下层多孔硝酸纤维素膜与固定的降解细菌接触，甲烷氧化菌OB3b对三氯乙烯进行降解，释放出氯离子通过上层多孔硝酸纤维素膜被选择性检测氯离子的AgCl/Ag₂S膜工作电极接收，并将离子信号通过放大器、离子检测仪和电子记录仪进行监测，将得到的氯离子浓度转换为三氯乙烯的浓度；传感器的响应通过稳态法进行评估，其响应特征如图2所示，在三氯乙烯浓度为0.05-4.5mg/L的范围内进行测定，三氯乙烯浓度和氯离子浓度成线性关系，R²为0.9984；此方法检测三氯乙烯的检出限为0.05mg/L，相对标准偏差为6.65％，再现性较高；在此三氯乙烯浓度范围内传感器的反应时间为6min，反应时间低于一般生物传感器的10min。

设置不同的温度和pH值梯度，对本生物传感器装置测定三氯乙烯浓度的性能进行检测，氯离子浓度随温度的变化如图3所示，氯离子浓度随pH值的变化如图4所示。本装置可在20-40℃的温度范围和6.0-8.5的pH值范围内对三氯乙烯进行准确测定，最适温度为30℃，最适pH值为7.0。