组成图示
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传感器类型
全细胞生物传感器
检测对象
生化需氧量（BOD，biochemical oxygen demand）；样品基质：废水、食品工业废水、葡萄糖标准液、GGA标准液。
检测原理
该传感器以包埋于海藻酸钙微球中的好氧异养菌 Enterobacter cloacae 为识别元件。当水样中的可生物降解有机物（如葡萄糖或废水BOD组分）进入反应器并与细菌接触时，细菌通过有氧代谢氧化降解有机物，同时消耗溶解氧。Clark型溶氧电极实时监测反应器内DO浓度，样品注入后DO下降形成呼吸峰，峰面积与有机物负荷和耗氧量成正比；随后曝气使DO恢复基线。系统通过数值积分提取峰面积并预测BOD。模型进一步考虑微球内葡萄糖与氧的扩散、Thiele模数和有效因子，选择1 mm微球与0.5 g/L菌浓以降低扩散限制，使响应更稳定。
检测灵敏度
线性范围: 200–1500 ppm BOD；R^2 = 0.99；r = 0.98
效应效果
该一次性呼吸式BOD传感器在食品工业废水中表现出良好应用性。与传统标准BOD法相比，呼吸峰面积与标准BOD值显著相关（p<0.05），废水实测BOD范围为300–1500 ppm时相关系数r=0.98，结论中报告R^2=0.99，可在200–1500 ppm范围内预测BOD。单次测量周期约30 min，远短于传统5天BOD5法。包埋细菌在7天后仍主要存活，说明微球固定化具有一定稳定性。模型选择1 mm微球和0.5 g/L菌浓，使葡萄糖扩散限制轻微（有效因子约0.85），葡萄糖扩散系数为6.4×10^-10 m^2/s。一次性反应器便于在毒性废水导致菌体受损后更换，适合原位或在线监测。
传感器的构成
- 换能器电极：Clark型溶氧电极（Elbau）/DO极谱传感器（WTW Multiline P4），在线检测溶解氧（DO）变化。
- 反应容器：一次性玻璃柱（15 cm×2.7 cm）与硅胶管，构成可更换微反应器并容纳微球与液体。
- 固定化基质：海藻酸钙微球（Ca-alginate beads，1 mm），由1%海藻酸钠（sodium alginate）与50 mM CaCl2交联形成，包埋并保护细菌。
- 识别元件：包埋细菌 Enterobacter cloacae（约2.1×10^8 cells/bead），作为好氧异养菌降解有机物并耗氧。
- 供氧/混合：空气泵经0.22 μm EPA膜过滤空气，10 vvm底部曝气，维持DO接近饱和并混合液体。
- 流动缓冲：0.1 M Tris–HCl缓冲液（pH 7.0，含10 mM CaCl2）以1 mL/min蠕动泵（Ismatec）连续输入/输出，维持体积40 mL。
- 样品入口：水样或葡萄糖/GGA标准液注入，触发微生物耗氧呼吸峰。
- 信号读出：DO下降形成的呼吸峰面积经数值积分（trapezoidal rule）关联BOD。
中文摘要
生化需氧量（BOD）是评价水体中可生物降解有机物含量的常用指标，传统BOD5测定需5天，难以用于在线过程控制。本研究建立数学模型，评估基于一次性海藻酸钙微球包埋细菌的BOD生物传感器用于原位监测的可行性。模型考虑海藻酸微球尺寸和细菌浓度对底物与氧扩散的影响，使传感器可根据废水有机负荷调整。利用Klein和Washausen参数及Lineweaver–Burk图，计算得1 mm直径微球中葡萄糖扩散系数为6.4×10^-10 m^2/s，并观察到轻微扩散限制（n=0.85）。实验结果表明，呼吸峰与标准BOD测定值具有显著相关性（p<0.05），说明该一次性呼吸式生物传感器响应能够代表BOD，可用于快速监测废水中的可生物降解有机物。
英文摘要
Biochemical oxygen demand (BOD) is a measure of the amount of dissolved oxygen that is required for the biochemical oxidation of the organic compounds in 5 days. New biosensor-based methods have been conducted for a faster determination of BOD. In this study, a mathematical model to evaluate the feasibility of using a BOD sensor, based on disposable alginate-entrapped bacteria, for monitoring BOD in situ was applied. The model considers the influences of alginate bead size and bacterial concentration. The disposable biosensor can be adapted according to specific requirements depending on the organic load contained in the wastewater. Using Klein and Washausen parameter in a Lineweaver-Burk plot, the glucose diffusivity was calculated in 6.4 × 10(-10) (m2/s) for beads of 1 mm in diameter and slight diffusion restrictions were observed (n = 0.85). Experimental results showed a correlation (p < 0.05) between the respirometric peak and the standard BOD test. The biosensor response was representative of BOD.