组成图示
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传感器类型
电化学生物传感器
检测对象
可生物降解有机碳（biodegradable organic carbon，以 BOD5 表示）；样品基质：家庭污水（domestic wastewater）
检测原理
污水中的可生物降解有机物（以 BOD5 表示）在阳极碳纸表面的电活性微生物膜中被氧化。微生物通过细胞外电子传递将电子转移到阳极，质子经 Nafion 117 质子交换膜迁移至阴极。阴极碳纸表面的 Pt 催化剂促进空气中 O2 还原，O2 作为最终电子受体。外电路 1 kΩ 电阻上产生电压，电流密度随 BOD5 浓度升高而增大，在 17–78 mg O2/L 范围内线性。该传感器无化学标记放大，信号来自微生物催化氧化底物产生的电子流；温度、pH 和电导率通过影响微生物活性、膜电阻和离子传导改变电流，因此需校正。
检测灵敏度
线性范围: 17±0.5 mg O2/L–78±7.6 mg O2/L；线性方程: j=2.68 i–18.78；R^2 = 0.996
效应效果
传感器在 22±2 °C、1.53±0.04 mS/cm、pH 6.9±0.1 下对 BOD5 317±15 mg O2/L 家庭污水产生稳定电流密度 282±23 mA/m2，开路电压 414±6 mV，最大功率密度 72 mW/m2。BOD5 17–78 mg O2/L 内线性良好（R^2=0.996），最大电流密度 222 mA/m2，响应时间 <30 min 至约 10 h。温度 11–33 °C 内约以 6 mA/(m2·°C) 增加，pH 和电导率也显著影响电流，需校正；作者强调其紧凑、可原位浸入污水，适用于中低有机碳污水实时监测。
传感器的构成
- 阳极电极：Toray carbon paper（E-TEK division, USA），9 cm2，直接接触污水并作为电子收集电极。
- 生物识别/催化层：家庭污水中富集的电活性微生物生物膜，附着于阳极表面，氧化可生物降解有机物并传递电子。
- 质子交换膜：Nafion 117（DuPont Co., USA），热压于阳极与阴极之间，传导质子并分隔阴阳极。
- 阴极电极：5% wet proofed carbon paper，尺寸与阳极相近，接收电子并支持氧还原反应。
- 阴极催化剂：Pt catalyst（0.5 mg/cm2，20% Pt，E-TEK），涂覆于阴极接触膜表面，促进 O2 还原。
- 阴极腔室：非导电聚碳酸酯（polycarbonate）矩形腔，容纳连续通入的空气作为最终电子受体。
- 外部电路：1 kΩ 电阻与 2 mm 直径铜包线，连接阴阳极并产生可测电压/电流。
- 密封结构：橡胶垫圈（rubber gaskets）与不锈钢螺钉（stainless steel screws），组装电极系统并保持密封。
中文摘要
生物需氧量（BOD）是评估水中污染物有机质含量最常用的指标，但传统 BOD 测定耗时长、劳动密集且为离线检测。本研究基于微生物燃料电池（MFC）原理开发了一种 BOD 生物传感器，用于对家庭污水中可生物降解有机碳含量进行在线和原位监测。在 22±2 °C、电导率 1.53±0.04 mS/cm、pH 6.9±0.1 条件下，含 BOD5 为 317±15 mg O2/L 的家庭污水中可获得稳定电流密度 282±23 mA/m2。电流密度与 BOD5 浓度在 17±0.5–78±7.6 mg O2/L 范围内呈线性关系。传感器产流受温度、电导率和 pH 等测量条件影响，因此在不同环境条件下测量时应引入校正因子。这些结果为开发用于污水质量实时原位监测的生物传感器提供了有用信息。
英文摘要
The biological oxygen demand (BOD) may be the most used test to assess the amount of pollutant organic matter in water; however, it is time and labor consuming, and is done ex-situ. A BOD biosensor based on the microbial fuel cell principle was tested for online and in situ monitoring of biodegradable organic content of domestic wastewater. A stable current density of 282±23mA/m(2) was obtained with domestic wastewater containing a BOD(5) of 317±15mg O(2)/L at 22±2°C, 1.53±0.04mS/cm and pH 6.9±0.1. The current density showed a linear relationship with BOD(5) concentration ranging from 17±0.5mg O(2)/L to 78±7.6mg O(2)/L. The current generation from the BOD biosensor was dependent on the measurement conditions such as temperature, conductivity, and pH. Thus, a correction factor should be applied to measurements done under different environmental conditions from the ones used in the calibration. These results provide useful information for the development of a biosensor for real-time in situ monitoring of wastewater quality.