用于水環(huán)境重金屬檢測(cè)的微納傳感器及系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著我國(guó)城市化與工業(yè)化的發(fā)展，由于重金屬具有不易代謝、生物富集作用及高毒性的特點(diǎn)，水環(huán)境重金屬的污染問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。而如何準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)水環(huán)境中的重金屬是亟待解決的問(wèn)題。此外，在大范圍水域如海洋、湖泊的在線重金屬監(jiān)測(cè)，對(duì)于維護(hù)生態(tài)環(huán)境與人類健康亦具有重要意義。
　　本論文的研究主要使用陽(yáng)極溶出伏安法，結(jié)合微納傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境的重金屬檢測(cè)。結(jié)合傳感器微型化、集成化、納米材料修飾及絲網(wǎng)印刷技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，首先設(shè)計(jì)了微

2、電極陣列并結(jié)合不同的算法用于重金屬離子的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。之后集成光尋址電位傳感器、微納電極陣列與對(duì)電極，形成多傳感器陣列，并對(duì)其特性進(jìn)行了深入的研究，引入多元線性回歸算法進(jìn)行定量分析。另一方面，采用納米金顆粒對(duì)絲網(wǎng)印刷金電極進(jìn)行表面修飾，并研究了其電化學(xué)特性，基于該電極開(kāi)發(fā)了便攜式的重金屬分析儀，可用于快速、便捷的重金屬現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)?；诙鄠鞲衅麝嚵械膹?fù)合傳感器，設(shè)計(jì)了用于太湖水域重金屬監(jiān)測(cè)的無(wú)線浮標(biāo)傳感系統(tǒng)，并驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。研究工作受國(guó)家

3、高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目和國(guó)際合作專項(xiàng)的支持。
　　本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.提出偏最小二乘法與局部最優(yōu)值法相結(jié)合的算法，解決了微電極陣列用于不同樣品中鎘與鉛定量分析的問(wèn)題。
　　基于微加工工藝設(shè)計(jì)了不同尺寸的金微電極陣列，確定了電極的工作電位窗為-0.6V至0.9V，并研究了不同間距對(duì)傳感器電化學(xué)特性的影響。當(dāng)電極間距為5倍電極直徑時(shí)，電極陣列在不同

4、掃描速率下表現(xiàn)出不同程度的線性擴(kuò)散;而當(dāng)間距為10倍直徑時(shí)，電極表現(xiàn)出整體的非線性擴(kuò)散。在Cd2+與Pb2+的定量分析中，對(duì)于背景單一的樣品引入偏最小二乘法建立回歸模型，僅需單次檢測(cè)即可完成定量分析，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。而當(dāng)樣品背景復(fù)雜、基線漂移時(shí)，偏最小二乘法預(yù)測(cè)結(jié)果不理想，提出局部最優(yōu)值法，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行定量計(jì)算，具有抗背景干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但操作較復(fù)雜、成本較高。結(jié)合兩種應(yīng)用于不同樣品環(huán)境的算法，可實(shí)現(xiàn)Cd2+與Pb2+快速、準(zhǔn)確的定

5、量分析。
　　2.原創(chuàng)性地研制了具有校準(zhǔn)功能的多參數(shù)檢測(cè)的LAPS與MEA的復(fù)合傳感器陣列，有效地解決了傳感器在重金屬檢測(cè)中的pH干擾問(wèn)題。
　　針對(duì)溶液pH對(duì)電化學(xué)分析具有顯著影響的問(wèn)題，分別設(shè)計(jì)了基于MEA-LAPS與NEA-LAPS的復(fù)合傳感器。其中，MEA-LAPS復(fù)合傳感器采用PDMS或有機(jī)玻璃腔封裝，便于與微流控技術(shù)結(jié)合;NEA-LAPS采用筆插式結(jié)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)電極更換或更新。分別對(duì)MEA-LAPS與NEA-LA

6、PS復(fù)合傳感器進(jìn)行電化學(xué)特性表征，研究其靈敏度、線性度與重復(fù)性。針對(duì)MEA-LAPS的特性，引入LAPS的pH檢測(cè)值建立多元線性回歸模型，對(duì)MEA的重金屬檢測(cè)進(jìn)行校準(zhǔn)。多元線性回歸模型的引入，提高了在不同pH環(huán)境下重金屬分析的準(zhǔn)確度，并提高傳感器的抗pH干擾能力。
　　3.研制了納米金修飾的絲網(wǎng)印刷電極與便攜式重金屬分析儀，實(shí)現(xiàn)了便捷的重金屬現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。
　　使用一種參比電極、對(duì)電極與金工作電極三電極集成的絲網(wǎng)印刷電極，用

7、于同時(shí)檢測(cè)Pb2+與Cu2+。研究了電極活化及納米金顆粒修飾對(duì)電極特性的影響，兩者均可顯著提高傳感器的電流響應(yīng)。對(duì)富集電位與富集時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)傳感器的靈敏度、線性度、重復(fù)性及一致性進(jìn)行了研究，對(duì)比了集成偽參比電極、對(duì)電極與商用電極的特性差異?；谠搨鞲衅鳎O(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線通信的便攜式重金屬分析儀，具有體積小、便攜、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，初步的對(duì)比結(jié)果證明儀器具有良好的可靠性，可用于現(xiàn)場(chǎng)、快速的重金屬檢測(cè)。
　　4.設(shè)

8、計(jì)了可用于太湖重金屬監(jiān)測(cè)的無(wú)線浮標(biāo)傳感系統(tǒng)，解決了大范圍水域重金屬實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。
　　基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于Wi-Fi無(wú)線通信的無(wú)線浮標(biāo)傳感系統(tǒng)，用于太湖現(xiàn)場(chǎng)的重金屬監(jiān)測(cè)。該傳感系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線路由及控制中心三部分組成，通過(guò)Wi-Fi構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)合MEA-LAPS復(fù)合傳感器，搭載于浮標(biāo)上，實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)的pH與重金屬檢測(cè)。控制中心基于無(wú)線通信的計(jì)算機(jī)，通過(guò)控制軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的管理與控制。對(duì)無(wú)