[发明专利]一种实时监测水体中硝酸盐浓度的传感器

说明书

本发明公开一种实时监测水体中硝酸盐浓度的传感器，包括依次连接的脱氧系统、电极系统和信号处理系统，其中，脱氧系统包括分离膜，该分离膜两侧存在压差、能够选择性透过水中氧气的同时阻止水分透过；电极系统包括固定化硝酸盐还原酶的膜以及测试水体中硝酸盐浓度变化的电极；水体进入脱氧系统，经分离膜脱氧后进入电极系统，在硝酸盐还原酶作用下水样中硝酸盐发生还原反应，引起电流变化，电极产生电信号传递至信号处理系统处理。本发明采用分离膜对进水脱氧，脱氧后，水中的氧气浓度显著降低且无明显的波动，消除了硝酸盐还原的抑制因素，使传感器能够长期有效地保持监测精度；同时，传感器整体更精简，设备更便携，成本更低。

技术领域

本发明涉及一种硝酸盐浓度监测装置，特别涉及一种实时监测水体中硝酸盐浓度的传感器。

背景技术

我国水体中硝酸盐污染十分严重，水体中过高的硝酸盐浓度会导致一系列的健康与环境风险。因此发展高效、经济的水体中硝酸盐的监控设备已是当务之急。现有的监测方法主要基于分光光度法和电极法。分光光度法是一种标准的监测方法，但是存在设备价格高，检测过程繁琐等问题。电极法监测精度低、易受温度、离子等的干扰。

申请人在先申请的名称为“一种基于生物燃料电池和产电细菌的硝酸盐浓度传感器”的发明专利中公开了一种价格低廉、可实时、精确监测水体中硝酸盐浓度的监测设备。但是，水体中硝酸盐的生物还原过程容易受到水中溶氧浓度、硝酸盐还原菌的生理状况和营养环境因子的影响，水体中溶解氧浓度达到一定程度后会抑制硝酸盐还原菌还原硝酸盐的过程；进水中溶氧浓度出现波动或较高时，在先申请的公开的硝酸盐浓度传感器的监测精度会显著降级。而且，该硝酸盐浓度传感器中直接接种了硝酸盐还原菌，硝酸盐的生物还原效率易受硝酸盐还原菌的生理状况的影响，该传感器中营养液的营养丰富利于微生物的生长，使体系易受杂菌污染，从而影响监测精度。

发明内容

发明目的：针对现有硝酸盐浓度传感器未考虑水中溶氧浓度等的影响导致监测精度会逐渐减低等问题，本发明提供一种实时监测水体中硝酸盐浓度的传感器。

技术方案：本发明所述的一种实时监测水体中硝酸盐浓度的传感器，包括依次连接的脱氧系统、电极系统和信号处理系统，其中，脱氧系统包括分离膜，该分离膜两侧存在压差、能够选择性透过水中氧气的同时阻止水分透过；电极系统包括固定化有硝酸盐还原酶的膜以及测试水体中硝酸盐浓度变化的电极；水体进入脱氧系统，经分离膜脱氧后进入电极系统，在硝酸盐还原酶作用下水样中硝酸盐发生还原反应，引起电流变化，电极产生电信号传递至信号处理系统处理。

其中，分离膜包括透过侧和截留侧，水体进入截留侧除氧，截留侧水体中溶解氧的分压大于透过侧气体中的氧气分压，从而可使水体中的溶解氧透过分离膜、水样脱氧。优选的，脱氧系统还包括风机及脱氧设备，分离膜透过侧连接风机与脱氧设备，透过侧、风机、脱氧设备之间形成闭合的循环气路；水体中的氧气及其他气体透过分离膜、进入其透过侧，透过侧的气体由风机送入脱氧设备，在脱氧设备中完成脱氧，脱氧后的气体在气路中循环，且脱氧后透过侧气体中的氧气分压始终小于截留侧水体中溶解氧分压，从而可使水体中的溶解氧不断进入到透过侧，持续不断地脱氧。进一步的，该脱氧设备中含有脱氧剂或燃料电池，以降低透过侧气体中的氧分压。

较优的，能够选择性透过水中氧气的同时阻止水分透过的分离膜可为疏水膜，如硅酮橡胶膜、聚丙烯疏水平板膜、聚丙烯中空纤维疏水膜等。疏水膜只能透过气体，不能透过水；气体通常是从浓度高的一次向低浓度一侧转移，因此可通过控制分离膜两侧氧分压实现水体中溶解氧浓度的降低。

本发明的传感器中，电极系统至少包括工作电极和参比电极，固定化有硝酸盐还原酶的膜包覆在工作电极和参比电极表面，当水体中硝酸盐在硝酸盐还原酶的作用下还原反应时，电极表面实时产生电流变化发出电信号。

进一步的，本发明的传感器还包括与电极系统和信号处理系统分别连接的A/D转换器，A/D转换器接收电极发出的电信号转化为数字信号，并传递至信号处理系统处理；信号处理系统可为微处理器。