基于UOC-MFC的油存在传感器

使用简单结构的上向开渠式微生物燃料电池（UOC‐MFC）的原位油存在传感器

摘要

现有的海洋或陆地漏油检测方法存在灵敏度低、易受环境影响、高成本和高能耗等缺点。为解决这些问题，开发了一种结构简单的向上开放式通道微生物燃料电池（UOC‐MFC），其中开放式通道的卷状阴极垂直漂浮在电解质溶液表面，同时与空气和水接触。当油的存在覆盖阴极表面时，会阻断阴极上的氧气扩散，从而导致 UOC‐MFC传感器电位读数迅速下降。使用发动机油（EO）进行的油冲击测试表明，电位下降和响应时间与EO量之间表现出优异的线性关系（R² > 0.99），显示出良好的灵敏度。由于阳极与侵入油的分离，UOC‐MFC传感器在EO冲击测试后2.3小时内恢复了外部电位，表明其具有良好的可重复使用性。UOC‐MFC在正常条件下的功率密度为450 mW/m³，在EO冲击后由于内阻从1.29 kΩ增加到3.80 kΩ，功率密度下降至207 mW/m³。UOC‐MFC与电源管理系统（PMS）集成后，理论上可支持电压表和数据发射器。本研究充分展示了UOC‐MFC在实时自持模式下原位检测油存在的巨大潜力。

1. 引言

原油对工业化至关重要，可提炼成汽油、柴油和润滑油等多种关键产品（Kilian 和 Murphy，2014）。然而，在原油生命周期中的海上钻井、储存、油轮运输、管道及车辆运输等环节发生的漏油问题已造成严重的环境污染。过去十年中，全球报告了五十多起重大漏油事件，导致超过47,000吨原油进入生态系统（ITOPF，2017）。泄漏的油类在环境中持久存在，并与固体物质、动植物混合（Jha 等人，2008），从而对生态系统造成深远的负面影响，并进一步威胁人类健康（Liu 等人，2016；Peres 等人，2016；Peterson 等人，2003；Ritchie 等人，2014；Wilson 等人，2015）。在原油生命周期中实现漏油的快速检测，对于应急规划和生态保护恢复至关重要。

已开发出多种不同类型的漏油检测或监测技术。在进行石油钻探和油轮运输的海洋区域，几乎所有可用的油类检测传感器都是使用可见光、红外线、近红外线、紫外线（UV）、雷达、微波以及激光声学和激光‐荧光等遥感技术的离岸传感器（Fingas, 2016）。这些技术具有高精度成像能力，但存在高成本问题（单光谱型为1000美元至50000美元，电磁波型为40万美元至800万美元）（Fingas and Brown, 2005），并且易受水生植物（如海藻）和天气条件（如阳光反光、降雨和云层）引起的虚假图像干扰（Fingas and Brown, 2014），以及传感器数据采集时间长（超过24小时，Jha et al., 2008；Leifer et al., 2012）。另一方面，输油管道通过监测压力、声波、流量和温度等物理特性来实现对漏油或破裂的原位检测（Bown et al., 1987）。这些传感器对较大规模的漏油具有快速响应能力，但存在三类主要问题。第一是受到多种环境因素的干扰，例如风、无线电杂音和多普勒效应（Zhang, 1997）。第二是无法检测缓慢渗漏的漏油情况（Sandberg et al., 1988）。第三是长距离管道数据传输能耗高。因此，应开发下一代自维持、高灵敏度且低成本的传感器，能够检测漏油，同时具备最低维护需求、高耐受性、长耐久性和短响应时间。

微生物燃料电池（MFC）作为一种新型生物电化学装置，已得到广泛研究，其能够在由厌氧阳极和好氧阴极组成的封闭构型中，利用产电细菌将废水中所含的有机物转化为电力。微生物燃料电池（MFCs）的开路电位（OCP）或外部电阻（Rext.）上的外部电位刘等人，2004；洛根，2008，2009；洛根等人，2006）已被发现直接受阳极（厌氧细菌和有机底物）、电解质溶液以及阴极（氧还原反应（ORR）催化剂和氧气含量）的影响范等人，2008。微生物燃料电池产生的电能可被储存，用于自维持传感器运行，这相较于需要外部电源的现有电化学传感器具有优势桑托罗等，2016；孙等，2015。由于这些独特特性，已开发出多种MFC传感器，用于检测污染物浓度的急剧变化，例如生化需氧量（BOD）Kim et al. 2003，2009、化学需氧量（COD）王等，2014、有机物坤兰汉等，2007以及有毒金属刘等人，2014；徐等，2015）。

然而，所有这些微生物燃料电池生物传感器都依赖于在特定冲击下阳极细菌代谢活性的促进或抑制（洛根，2009；孙等，2015；杨等，2015），这可能导致阳极在实际应用中（例如含有大量未知复杂化合物的废水流）变得不稳定。事实上，如果阴极上的氧还原反应（ORR）成为微生物燃料电池传感器电信号变化的检测靶点，则该问题可以得到解决。当油存在于阴极并阻碍氧气扩散时，会抑制氧气从空气向水中的溶解，从而瞬时降低阴极上的氧还原反应，并导致微生物燃料电池传感器的开路电位和外部电位信号迅速且显著下降。研究发现，原油可在几分钟内完全阻隔空气/氧气向水中的渗透（德容，1980；弗兰奇等，2018；拉里等，2016），因此，将阴极直接暴露于水面空气/氧气中的微生物燃料电池一旦在油的存在下使阴极与空气隔离，便可立即表现出电势（毫伏）的下降。

本研究的突破在于向上开放式通道微生物燃料电池（UOC‐MFC）传感器的独特构型，其中阳极浸没在电解质溶液（例如废水）中，而阴极则垂直排列在溶液水面上，一半在水中，一半在空气中。这种位于水‐气界面的独特的开放式垂直阴极相比现有的单室MFC（SC‐MFC）具有优势，因为在SC‐MFC中，空气阴极被插入微生物燃料电池腔室的侧面，仅一侧暴露于空气中（江等，2018），油无法直接接触位于SC‐MFC侧面的空气阴极。相比之下，油可以直接阻断空气向水面的扩散，抑制位于UOC‐MFC顶部阴极上的氧还原反应（ORR），并导致信号输出发生显著变化。与此同时，油不会对厌氧阳极中的微生物造成明显的抑制作用，因此可将UOC‐MFC电位读数（毫伏）变化带来的不确定性降至最低。

本研究包含五个主要任务。首先，利用三维打印技术制备了一种管状UOC‐MFC传感器，其中圆形阴极可在垂直方向上自由漂浮于水‐气界面，并同时接触水和空气。其次，在接种后检测了UOC‐MFC传感器的读数稳定性。第三，通过测量恒定负载下的外部电势、内阻（Rin）和响应时间，确定了UOC‐MFC传感器对不同环氧乙烷（EO）油冲击的响应。建立了UOC‐MFC传感器信号变化（毫伏）与油量（油膜厚度）之间的定量相关性。第四，考察了UOC‐MFC传感器在油冲击后的鲁棒性和恢复性。最后，对UOC‐MFC结合电源管理系统（PMS）的电力储存进行了模拟，以确定该传感器在数据传输方面的自持能力。

2. 材料与方法

2.1. UOC‐MFC传感器的配置与设置

UOC‐MFC传感器由三部分组成：浸没在电解质溶液中的阳极、漂浮在水面的开放式环形阴极以及营养电解液溶液（图1A和图S4）。具体而言，将电解质溶液（100毫升）置于150毫升烧杯中，并根据先前研究（李等人，2016）将碳源维持在1000毫克/升的充足且恒定水平，以确保产电细菌的稳定运行。培养基成分也按照先前研究（李等人，2014）进行配制。然后将用于微生物附着的圆盘形阳极（碳布CC6 Plain 40 cm×40 cm，Fuel Cell Earth，美国；直径：2.5厘米，表面积：4.9 cm²）浸入电解质溶液底部（水面以下5.0厘米）。由于电解质溶液直接暴露于空气中，传感器的阳极为非专性厌氧条件。阴极材料由防水碳纤维（碳布30% Teflon处理过的40 cm × 40 cm，Fuel Cell Earth，美国）卷成管状（高度：5.0厘米，直径：2.2厘米，展开表面积：34.5 cm²）（图1A），并将阴极内表面涂覆一层铂作为氧还原反应催化剂（铂载量：0.5毫克/平方厘米，10%重量比铂负载于Vulcan XC‐72碳上，Fuel Cell Earth，美国），操作步骤依据先前描述的方法（李等人，2014）。随后，将阴极碳纤维粘接到一个浮动装置上（内径：2.2厘米，外径：5.0厘米，壁厚：0.1厘米，有效高度：2.4厘米），该装置使用3D打印机（MG‐M2 MakerGear，美国）和聚合物材料（3D打印机PLA线材1.75毫米，3D Solutech，美国）制成，从而使中空结构阴极可提供最大0.32牛的浮力，确保卷曲的碳纤维稳定地垂直漂浮在溶液表面，一半纤维与水接触，另一半暴露于空气中（图2B中的红色虚线圆圈）。阴极几何中心到阳极的距离为8.0厘米。阳极和阴极通过铜导线连接至外部电阻（Rext.）为9.8 kΩ的闭合电路。在Rext.两端安装电压记录仪（DMM/数据采集/数据记录系统，2700 Keithley，美国），以每10分钟获取一次实时外部电位读数（毫伏）。阳极与铜导线的连接点用硅酮密封胶（透明，GE GE284硅胶）密封以防水。

2.2. 电位读数（毫伏）稳定性的标准

传感器读数的稳定性对于建立基线和最小化测量误差至关重要。当 UOC‐MFC传感器检测到的开路电位或外部电位数据在2小时内绝对变化不超过1毫伏时，认为其处于稳定状态。该稳定判据可描述如下：
$$
|U_{i+j} - U_i| \leq 1 \text{ mV}; \quad (j = 0, 1, …, 6; \Delta t = 10 \text{ min})
$$
其中 $U_i$ 为UOC‐MFC传感器在 时刻记录的电势（例如开路电位或外部电位，毫伏）；$\Delta U_{i \to i+60min}$ 为 时刻与1小时后的 之间的电势变化量（毫伏）。当公式(1)的标准确立时，i时刻被视为稳定期的起点。该标准适用于UOC‐MFC的启动、油冲击阶段和恢复阶段。

2.3. MFC传感器的启动

在进行油冲击测试之前，先将传感器的亲水性阳极碳纤维浸入稳定运行的单室微生物燃料电池（SC‐MFC）的电解质溶液中3小时，使培养良好的产电细菌附着在亲水性阳极碳纤维上。该SCMFC为接种了来自康涅狄格大学污水处理厂缺氧污泥的单室MFC。将接种好的碳纤维置于装有100 mL 1000 mg‐NaAc/L溶液的容器底部，然后在其上方放置带有垂直开放式通道阴极的漂浮装置。随后记录开路电位读数，直至系统达到稳定状态（约1小时）。然后将一个9.8 kΩ的电阻连接到 UOC‐MFC传感器，以记录外部电压。当外部电压稳定后，传感器即可用于进行油冲击测试。两组传感器在启动期间的开路电位和外电压曲线如图S1所示。所有油冲击测试均在24.9 ± 16 °C的室温下进行。

2.4. 油冲击测试和传感器恢复测试

使用发动机油（EO，Premium Heavy Duty 15W40 CJ‐4发动机油，SERVICE PRO，美国）模拟现实世界中的漏油事故，其中原油到达水面并与传感器的有效部分接触，因为大多数发动机油都是由原油制成的由原油衍生的较重且较厚的石油烃类基础油制成（克拉曼等人，1984）。将机油冲击加入位于卷状阴极中心的接触储液区（直径：2.2厘米，截面面积：3.80 厘米²），该区域被视为UOC‐MFC传感器有效容纳油冲击的部分，因为空气中的氧气可同时与阴极催化剂和电解质溶液（1000毫克‐乙酸钠/升）接触（图1A）。在油冲击测试期间，使用位于接触储液区上方2厘米处的移液管，分别缓慢加入0.5 毫升至 3.0 毫升不同量的 EO。加入的油会扩散至整个截面面积，因此油层高度（h）可表示为：
$$
h = \frac{\Delta V}{A}
$$
其中h为油层高度，V为油冲击加注量/剂量，A为截面面积（3.80 cm²）。由此在接触储液区表面形成了厚度范围为1.3毫米至7.9毫米的平均油膜厚度（Allik et al., 2018）。UOC‐MFC传感器的电位读数（毫伏）通过数据采集装置每10分钟记录一次。

当UOC‐MFC传感器的电位读数（毫伏）根据判据方程(1)稳定后，使用洁净移液管将接触储液区中的油膜吸出。然后，小心地将卷状阴极和浮动装置从烧杯中取出，并用去离子水轻轻冲洗至少5次，以清除阴极表面附着的EO。同时，使用小勺仔细去除电解质溶液表面残留的EO。随后，将清洗后的阴极和浮动装置重新放回UOC‐MFC电解质溶液的原始位置，以恢复电压信号，进行下一次EO冲击测试。该清理程序耗时少于3分钟，以尽量减小对测试的影响。

制备了两组UOC‐MFC传感器用于对比，其中一组作为实验组施加不同量的发动机油（EO）冲击，另一组作为对照组加入相同体积的电解质溶液（1000mg‐NaAc/L）。在冲击和恢复实验过程中，对照组在加入电解质溶液前后电势读数未发生变化，表明添加到阴极上的EO是导致UOC‐MFC电势输出急剧下降的唯一因素。

2.5. 极化曲线、功率密度曲线和内阻（Rin）

使用可变电阻箱（Resistor Decade Box, 1% Resistors 0.3W + 0.3Ω Internal, 380400 EXTEH, US）作为可调外部负载（Rext.），以测量UOC‐MFC的依赖性外部电势，从而绘制极化曲线、功率密度曲线并确定内阻（Rin）。电阻箱以逐步且周期性的方式从100kΩ调节至 80Ω。在每个Rext.处，先将电阻箱断开，然后立即设置为特定值，以获得一条从零电压开始持续2分钟到3分钟的上升的外部电势曲线。最终值用作 Rext.两端的电势，然后根据之前描述的方法计算电流密度和功率密度（Liu et al., 2014）。所有测量均进行重复测量，并计算平均值。

2.6. 受环氧乙烷冲击的阴极和阳极的微观结构

由于传感器最有效的部分是空气、液体（EO或水）与催化阴极相交的位置（图1A和B），催化阴极的亲水特性可能会影响接触状态。因此，使用CAM 101光学表面张力计（KSV仪器公司）对涂有铂的清洁阴极分别测量了电解质溶液（1000毫克‐乙酸钠/升）和EO的静态接触角，每种条件重复测量两次（Andresen等人，2006；徐等，2015）。此外，使用数字显微镜观察了EO冲击前后阴极的光学显微镜图像。

阳极在附着产电微生物细胞前后的微观形貌通过扫描电子显微镜（SEM）（FEI Nova NanoSEM 450）进行观察。

2.7. 电源管理系统（PMS)

开发了一种能够稳定组合式UOC‐MFC电源输出的电源管理系统（PMS）。该PMS包含两个过程（图6）：第一个过程是电荷泵/电压放大，第二个过程是电容充电以及用于控制能量存储与释放的数字逻辑（Karra等人，2014）。PMS中使用的电容器为电容值5mF的电容器。

3. 结果与讨论

3.1. UOC‐MFC传感器对机油冲击的响应

与需要在阳极室中保持强制厌氧环境的传统MFCs不同（洛根，2008），本研究开发的UOC‐MFC不需要严格的厌氧阳极条件，因为阴极垂直置于水面，其催化剂（Pt）表面同时接触空气和水溶液（图1B）。空气中的氧气可直接进入活性气液扩散层（空气‐水‐阴极界面），使阴极能够接收从阳极传递来的电子。然而，在传统MFCs中，阳极位于强制厌氧环境中，电解质与空气被阴极隔开（程等人，2006；张等人，2011），因此在氧还原反应（ORR）过程中存在较高的传质阻力，氧气需穿过涂有铂的阴极（图S4）。UOC‐MFC生物传感器的另一个独特优势在于，在生长良好的生物膜中，厌氧细菌被好氧细菌包围（Picioreanu等人，1998），有利于产电细菌的生长，因为在阳极表面的厌氧生物膜与阴极表面具有空气饱和氧的气液扩散层（例如空气‐水‐阴极界面）之间存在电势差（图1B和图4B）。结构简单的UOC‐MFC显著降低了氧气扩散阻力，并加快了驯化期。在UOC‐MFC中，阳极仅需1至2天即可获得高开路电位（超过500毫伏，图S1），而传统MFCs由于阳极和阴极分离，且氧气需克服通过阴极的高传质阻力，通常至少需要3至15天才能完成细菌生长的驯化并达到良好的电压（开路电位 > 300毫伏）（张等人，2005；坤兰汉等，2007；刘等人，2014；王等，2014）。此外，产电细菌良好地聚集并附着在原始阳极的纤维结构上（图S3），表明UOC‐MFC的这种独特结构可提供适宜的生长环境。

UOC‐MFC油存在传感器的机理是，水面上的油（本研究中的电解质溶液表面）阻止了氧气从空气到水的扩散，从而抑制了MFC阴极上的ORR，并立即导致电压信号输出（毫伏）下降（图1B）（洛根，2008；惠特曼，1913）。UOC‐MFC阴极上的功能位点被称为三相交界点，即油相、气相和水相与气液扩散层周长相遇的位置（气‐水‐阴极界面）（图1A 和 B 以及 图4B）。阴极（涂覆铂的碳纤维）在EO冲击前后显微镜图像生动地表明，环氧乙烷气泡滞留在覆盖铂/碳颗粒的碳纤维（棒状）中，阻止了氧气与铂直接接触（图1C），这反映为电压下降。

油冲击实验结果表明，UOC‐MFC传感器在不同量的EO注入后立即表现出显著的外部电位下降，一旦diffEO的不同量（0.5 毫升–3.0 毫升）被注入到由阴极包围的接触储液区（Rext.：9.8 kΩ， 图2A–F）。外部电压的下降程度与EO冲击量之间表现出良好的线性关系（R²=0.99），斜率为32.11 毫伏/毫升（图2G），表明每增加0.5 毫升EO（油层厚度平均增量：1.3 毫米），额外外部电压平均下降16.06 毫伏（相当于正常条件下原始外部电压（450 毫伏）的3.5%）。该电压下降比率（或传感器灵敏度）超过了大多数溢油监测中光学遥感的油反射率（3.0%）（芬加斯和布朗，2014）。此外，一旦加入EO，电压下降立即发生，响应时间（从电压下降起始点到稳定点的响应持续时间）与EO冲击量呈强线性相关（R²=0.99）（图2G），斜率为4.17小时/毫升，表明EO每增加0.5 毫升（油层厚度增量：1.3 毫米），响应持续时间延长2.08 小时，远短于大多数溢油遥感所需的时间（2 小时–24 小时）（布朗和芬加斯，2003； 古德曼，1994）。

UOC‐MFC传感器依赖于油在阴极上造成的氧气阻隔所引起的ORR下降，其电压值变化（40毫伏–117毫伏）大于依赖阳极厌氧微生物急剧变化的MFC生物传感器，在1 mg/L毒素（例如Cr⁶⁺）冲击下仅出现20毫伏下降（刘等人，2014；徐等，2015），表明UOC‐MFC传感器对油的存在具有良好的灵敏度。然而，UOC‐MFC传感器的冲击响应时间（响应持续时间：1.5小时–12.17小时）远长于那些MFC生物传感器（10分钟–60分钟），这是由于这两类MFC传感器的作用机制不同所致。已有报道的MFC生物传感器采用阳极微生物作为检测废水中冲击物的检测靶点（Chang等，2004，2005；金等，2003），而UOC‐MFC传感器则以阴极上的氧还原反应作为检测靶点来检测油的存在，从而不影响产电细菌。废水中的毒素可直接抑制阳极上的微生物代谢，导致废水MFC传感器出现瞬时电压下降（徐等，2015）；而当UOC‐MFC传感器的阴极被油覆盖后，需要更长时间才能达到平衡状态。针对相对较长的响应时间，未来实际应用中可采用电位下降阈值（例如达到总电压下降一半所需的半衰期）进行判断，因此操作人员无需等待电压信号降至稳定状态即可验证油的存在性。若以此阈值为标准，响应时间可缩短至0.33小时 −1–0.27小时（图2），相比当前的漏油监测具有显著优势。

平均电位下降速率保持在相对稳定的11.00 毫伏/小时（5次EO冲击测试的标准差为1.15，在0.05显著性水平下）（图2B）。除第一次在0.5 毫升EO冲击时的响应下降值（26.67 毫伏/小时）外，电位下降速率在单样本T检验中与估计值11.00无显著差异（表S1）。这种较大差异是由水和EO在阴极表面的不同接触角引起的，导致实际油层厚度与预期油层厚度之间存在差异（图4）。清洁阴极上水的接触角为126.4°（疏水性），而清洁阴极上EO的接触角表现为完全润湿（亲油性），这导致在EO冲击前阴极附近存在间隙空间（图4B和1B）。当第一层EO（0.5 毫升）加入到电解质溶液（1000毫克‐醋酸钠/升）表面时，EO首先填充了水与阴极之间的间隙，估算厚度为0.54 毫米，然后在水面扩展，平均厚度为1.3 毫米， resulting in a total thickness of 1.85 mm, which was larger than the expected average thickness (1.3 mm) (图4C)(Ward and Sasges, 1998)。仍存在一个不可避免的问题，尽管阳极性能未直接受到电解质表面油的存在影响，但烃类在电解质中的溶解度不可忽略长期。幸运的是，本研究中的油存在传感器（UOC‐MFC）旨在用作监测装置，用于在可溶性油长期影响阳极细菌之前检测油的有无。

3.2. 建立UOC‐MFC传感器电压变化与油层厚度之间关系的模型

基于静电和物理化学原理建立了数学模型，以验证油冲击实验结果。该模型包含两个假设：（1）浸没在电解质溶液中的阳极具有稳定且充足的电子供体能力，因此漂浮在水‐气界面上的阴极的电子受体能力是UOC‐MFC电压输出的限制因素；(2) 溶解到气‐水扩散层中的氧气是阴极的电子受体。油覆盖气‐水界面会阻碍氧气的吸收，从而降低电子接受效率以及OC‐MFC的电压/电流输出。

外部电压ext.的下降是由电路中的电子还原引起的（克劳利，1986），可描述如下：
$$
I = \frac{n_e \cdot dq}{dt} = \frac{n_e \cdot C_A \cdot dt}{dU \cdot R}
\Rightarrow dU = \frac{n_e \cdot C_A}{R \cdot C} \cdot dt
$$
其中U为外部电压，单位为V； R 是外部电阻， Ω； I 是 OC‐MFC传感器电路 的电流，A； q 是电量，C； t 是电路中的单位时间，s； CA常数是每摩尔电子的电量，为9.647×10⁴ C/mol；ne是电路中的电子数，mol。

水‐气界面上添加的EO层根据菲克定律（Subczynski和Hyde，1984）阻碍了氧气扩散，并可推导如下：
$$
J = -D \cdot \frac{dC}{dz} \Rightarrow dn = -J \cdot L \cdot a \cdot D \cdot \frac{dC}{dz}
$$
其中noxygen是三相交界处的氧气量 并联数量, mol；L、a 分别为三相交界的长度和有效截面面积，m 和 m²；Coxygen是三相交界处的氧气浓度，mol/m³；J 是发动机油中的氧气扩散通量，单位为 mol/(m²·s)；D 是氧气在发动机油中的扩散系数，单位为 m²/s；z 是三相交界处发动机油的厚度，单位为 m。

作为电子受体的氧气每个分子最多可接受4个电子（可描述为 $dn_{oxygen} = 4dn_e$），因此方程 (3) 和 (4) 可以定量关联。外部电位差 U（跨过 R ext. 的外部电位差）与 z（EO油膜厚度）之间的关系如下所示：
$$
dU = -4 \cdot J \cdot L \cdot a \cdot D \cdot C \cdot R \cdot dt / dz = -K \cdot dz
$$
dz之前的项可视为系数K，这是本研究中的常数。因此，dU 和 dz 可以进行积分 obtain equation(6)如下所示：
$$
-U = K \cdot z + C \Rightarrow U = -K \cdot z + C
$$
其中 ‐U 为外部电压降低，V；A 是接触储液区的横截面积，3.80 cm²；VAES 是添加的机油冲击量，L；C 是积分常数/截距，V。

实验结果（图2）表明，电压下降与油层之间的关系可表示为：
$$
-U = 32.11 \cdot V_{AES} + 21.80; \quad R^2 = 0.99
$$
其中 ‐U 为外部电压降低，毫伏；VAES是添加的机油冲击量，毫升；所得方程与数学模型（公式(7)）高度一致，且公式中的系数 K 估计为 12.20 毫伏/毫米（通过 32.11 毫伏/毫升×3.80 厘米² 计算得出）。

3.3. 油存在传感器的可重复使用性

油存在传感器的可重复使用性对于长期运行和从油污染中恢复的实际应用至关重要。关于长期运行，许多研究已经针对不同底物溶液下的阳极细菌活性进行了探讨（洛根等人，2006；闵和洛根，2004；潘特等人，2010），并发现只要电解液中含有足够的可生物降解的化学需氧量，微生物燃料电池就能够持续产生电力以实现连续运行。

就UOC‐MFC传感器的电压恢复而言，受到环氧乙烷冲击的开放式通道阴极被清理后，其电压恢复至原始状态，表明其具有良好的恢复性能。由于UOC‐MFC传感器阳极中的产电微生物未直接暴露于油中，因此在油存在的整个过程中其活性得以维持。电压在2.3小时内恢复至原始值（图3），五次恢复测试的标准差为0.41，显著性水平为0.05。恢复时间与单样本T检验中估计的2.3小时相比无显著差异（表S1）（德温特，2013）。相比之下，其他一些MFC传感器中，毒素损害了阳极室内的厌氧微生物，导致信号恢复周期长达60小时–100小时（江等人，2017； Liu et al., 2014;徐等，2015），由于UOC‐MFC中的阳极隔离使其免受冲击影响，UOC‐MFC传感器表现出优异的恢复能力。此外，恢复后的电势差增加至超过其原始值的峰值点（图3），这是因为在冲击测试后的清理程序中，UOC‐MFC传感器的阴极被从电路中断开导致开路所致；而当UOC‐MFC传感器重新连接后，电势则会突然下降。此外，最终稳定电压相比原始值有轻微增加（图3），这可能是由于产电细菌的生长所致（洛根，2009）。然而，该增加值仅为2.0 毫伏，仅占响应下降值（40 毫伏–117 毫伏）的5%–1.7%。

3.4. UOC‐MFC传感器在油冲击前后的极化曲线和功率曲线

UOC‐MFC传感器在EO冲击（2mL）前后，其在不同Rext.下的电压被记录为阶梯图（图5A）。在外部电阻（Rext）为100 kΩ至40 kΩ范围内，电压曲线呈现出相似的模式，即缓慢上升并符合油冲击前后的阶梯图。该Rext范围被称为“低电流区”，这可能是由于Rext远高于内阻（Rin），相应电流非常低（测试中低于 10μA），而阳极和阴极的氧化还原反应速率相对较高，持续推动电子转移所致。随着Rext减小，某一 Rext下的电压曲线表现出不同的模式。当Rext从20 kΩ降至某一低限时，电压曲线先达到峰值，随后随时间下降，此区域称为“电压下降区”。油冲击前Rext的下限为 200Ω，油冲击后为1 kΩ。先前研究发现，随着电流增加（Rext减小），活化损耗（构成Rin.的一部分）急剧上升，导致外部电压下降（范等人，2008）。在此电压下降区域中，存在两个显著的下降点（向下凹陷）：一个出现在Rext.为10 kΩ时，适用于冲击前后传感器；另一个出现在冲击前传感器为2 kΩ、冲击后传感器为1 kΩ时。第二个下降点对应最大功率的出现（图5B），表明这些下降点可作为快速估算Rin的指标，无需进行繁琐的功率曲线和极化曲线测试。最后，当Rext进一步降低至 80Ω时，电压曲线趋于稳定，此区域称为“稳定区”。营养液（1000 mg‐NaAc/L）足以满足UOC‐MFC传感器中细菌的需求，因此在高电流区域浓度损耗（构成Rin.的一部分）可忽略不计，从而形成稳定的Rin.（范等人，2008）。

UOC‐MFC传感器的极化曲线和功率曲线被绘制出来以计算Rin.，并基于阶梯图（图5B和C）观察发电情况。油冲击前的Rin可粗略估计在0.8 k至2k Ω之间，因为最大功率出现在Rext.等于Rin.时（洛根等人，2006），而油冲击后的Rin.从1k增加到4k Ω。功率密度曲线和外电压曲线随电流密度的变化如下所示，两者均与Rin.相关，因此可用于确定 Rin.：
$$
U = OCP - R_{in.} \cdot V \cdot i
$$
$$
p = OCP \cdot i - R_{in.} \cdot V \cdot i^2
$$
其中U为外部电压（mV），OCP为理论开路电位（mV），R in. 为内阻估计（Ω），V为OC‐MFC传感器的体积（100毫升），i为电流密度（mA/m³），p为功率密度（mW/m³）。根据线性拟合与多项式拟合结果（所有拟合曲线的R² > 0.96（图5B和C）），得到油冲击前 UOC‐MFC传感器的R in. 准确值为1.29 kΩ（由1.5 kΩ和1.08 kΩ取平均）且油冲击后UOC‐MFC传感器R的准确值为3.8 kin.（由3.9 kΩ和3.7 kΩ取平均得到）Ω。R显著增加是由于阴极上覆盖了EO层所致。

UOC‐MFC传感器的最大功率密度在油冲击后从450 mW/m³降至207 mW/m³，这是由R的增加引起的。UOC‐MFC传感器的功率密度达到了该规模（体积：50in–300 mL）其他MFC的平均值（28–495 mW/m³或26–205mW/m²）（伊思迈尔和哈比卜，2017； 刘等人，2004；津纳迪尼等人，2017），这归因于空气‐液体扩散层上氧气的高反应活性以及开放式通道阴极构型的低电阻。应进一步开展研究以降低MFC传感器的内阻并提高电源输出，例如缩短阴阳极间距和增加活性三相界面的长度。

3.5. 集成电源管理系统（PMS）的油覆盖型微生物燃料电池自持性模拟

UOC‐MFC由于具备生物发电能力以及对阴极储层油覆盖的快速响应，具有自维持运行的独特优势。尽管UOC‐MFC的最大功率密度约为450mW/m³(图4B)，其实际电源输出仅为0.045毫瓦，无法驱动微型万用表/电压表（至少需要1.48毫瓦，例如3250数字自动量程万用表，可追溯）（表 S2），也无法驱动无线电压数据发射器（至少需要8.28毫瓦，例如无线低电平电压发射器，诺玛德系列）（表S2）。为了实现数据采集和数据传输的自持运行模式，UOC‐MFC应连接电源管理系统（PMS），以长期储存电能，并在需要进行数据传输时放电（图6B）。在充电泵阶段，电压上升速率可描述如下：
$$
\frac{dU}{dt} = \frac{P_{in} \cdot n \cdot \eta}{C}
$$
其中P in 为单个OC‐MFC的输入功率（0.045毫瓦），n为组合的 OC‐MFC数量， η为整体平均升压式能量传输效率（本研究中设为40%）（多诺万等，2011年），而C为PMS中电容器的电容量（5毫法）。使用单个UOC‐MFC（n=1）作为电源，在2小时内，由UOC‐MFC供电的电荷泵首先被从0V驱动至工作电压（3.6 V），使该电荷泵具备足够的电压以启动并为电容器充电；每次充电（向后续电容器释放能量）后，电压将回落至阈值电压（2.4伏特）。UOC‐MFC将电荷泵从零提升至工作电压的初始时间为18分钟（表S3），而从阈值电压回升至工作电压的通常时间为10分钟（表S3），从而在2小时内实现约10次循环/泵（图 6F）。电容器在每次泵升过程中被充电，并在数字逻辑控制下，经过足够次数的充电循环后以自定义频率f释放电力。由组合式UOC‐MFC供电的电源管理系统的输出功率计算如下：
$$
P_{out} = P_{in} \cdot n \cdot \eta \cdot f \cdot \frac{t_{in}}{t_{out}}
$$
其中Pout为电源管理系统（PMS）的输出功率（毫瓦），Pin为单个油覆盖型微生物燃料电池（OC‐MFC）的输入功率（0.045毫瓦），n为支持单个PMS所联合的OC‐MFC数量，tin为充电时间（2小时）， η为能量传输的整体平均升压转换效率（本研究中设定为40%）（多诺万等，2011年），以及f为电压记录和信号传输的频率（每2小时次数），假设每次持续5秒（例如tout），这也符合电压记录仪和数据发射器每次读取的工作时间（表S2）。

集成式UOC‐MFC‐PMS系统支持万用表和数据发射器的能力在不同数量的UOC‐MFC（n=1、5和10）情况下进行了模拟（图6F）。在图 6F中，通过使用PMS的输出（在对数坐标下），组合式（或单个） UOC‐MFCs的输出功率与检测频率呈线性关系，三条直线分别代表单个 UOC‐MFC、五个并联组合的UOC‐MFCs以及十个并联组合的 UOC‐MFCs。当满足正常工作所需的最低输出功率限制（10毫瓦，表 S2，图6F中的虚线）时，单个OC‐MFC情况每2小时只能测试一次，而在五个OC‐MFC的情况下，系统每2小时最多可运行6次。当十个 OC‐MFC组合在一起时，系统每2小时可工作10次，意味着信号终端每12分钟就会接收到一个电压信号来监测油的存在，这比目前需要超过2–24小时延迟的油传感技术更为频繁（芬加斯，2016）。

3.6. UOC‐MFC传感器的意义及未来工作

本研究开发的结构简单的UOC‐MFC传感器在理论和实践层面可提供两项主要创新。首先，新型开放式通道MFC结构在无需厌氧条件的情况下仍能确保足够的功率输出，从而使MFC技术更易启动。基于静电和质量扩散理论的量化分析可为在相关环境扰动下对微生物燃料电池外部电压的快速估算和精确测定提供新的思路。其次，UOC‐MFC是首个能够实时快速检测油的存在并准确量化油量且具备良好自我维持能力的原位传感器，显示出在原油生命周期（包括石油钻探、石油储存和输油管道）中长期监测漏油的巨大潜力。

关于UOC‐MFC传感器的机制和应用，有几个问题引起了我们的关注。阴极生物污染（图S5）或其他影响生物产电系统电势的因素，必须通过引入一个参比UOC‐MFC传感器来消除。事实上，在本研究中，阴极生物污染并未对传感器读数造成实质性影响，主要是因为聚集的生物膜提供了新的空气‐水（生物膜和水）‐阴极界面，取代了原有的界面（图S5）。此外，必须通过机械或工程手段（如软管供料线）实现对电解质溶液的底物定期补充。另外，考虑到距离、电流和风等多种因素可能影响油层厚度，可开发两种解决方案以最小化UOC‐MFCs的读数误差。第一种解决方案是将反应区与外部环境隔离，第二种解决方案是使用UOC‐MFC传感器阵列网络和实时数据分析。

4. 结论

本研究开发了一种新型结构简单的UOC‐MFC传感器，可用于原位监测漏油。与传统的基于遥感和图像传感的漏油检测技术相比，UOC‐MFC漏油生物传感器具有结构简单、低成本、易于部署和操作、响应快、良好的选择性、良好的自持性和可重复使用性以及低维护需求等优点。实验表明，当油覆盖其有效阴极区域时，UOC‐MFC生物传感器能够立即响应。UOC‐MFC生物传感器的电位下降与油量（油层厚度）之间呈现出明显的线性关系。由于阳极微生物的完整性，在经历油冲击后，UOC‐MFC的电位读数可以轻松恢复。理论上，UOC‐MFC与 PMS的集成至少可支持每2小时一次的微型万用表和电压变送器工作。该研究明确表明，UOC‐MFC生物传感器能够实现长期实时油污监测，并以自维持方式对漏油进行定量测量。