【摘要】：陰陽無機(jī)小離子的同步測定在許多領(lǐng)域都至關(guān)重要,如土壤養(yǎng)分檢測、農(nóng)田面源污染監(jiān)測、水肥一體化灌溉監(jiān)測、空氣顆粒物(PM)監(jiān)測、藥物制劑檢測等。新興的微芯片電泳非接觸電導(dǎo)檢測技術(shù)(ME-C4D)有多離子同步快速檢測、樣品和試劑用量少,檢測成本低等諸多優(yōu)點(diǎn),但由于現(xiàn)有微電泳技術(shù)的局限,目前尚不能廣泛地應(yīng)用于陰陽離子的同步檢測。此外,國內(nèi)外都沒有成熟的、適合野外現(xiàn)場檢測的便攜化儀器產(chǎn)品,使這項有巨大應(yīng)用潛力的技術(shù)目前尚不能大規(guī)模推廣應(yīng)用。鑒于此,本文著重研發(fā)可對多種陰陽離子進(jìn)行同步快速檢測的ME-C4D技術(shù),并進(jìn)行技術(shù)集成和輕量化研究,研制便攜式離子速測儀。本文借鑒毛細(xì)管電泳陰陽離子同步檢測技術(shù),結(jié)合ME-C4D技術(shù)的特點(diǎn),在深入研究微芯片電泳和非接觸電導(dǎo)檢測理論原理的基礎(chǔ)上,提出了利用彎曲和Y型的微電泳管道實現(xiàn)陰陽離子同步檢測的兩種方法,分別研制了相關(guān)的ME-C4D系統(tǒng),并實驗驗證了這兩種檢測方法的可行性。本文對ME-C4D技術(shù)用于陰陽離子同步檢測的方法進(jìn)行了深入研究。首先嘗試將電滲流驅(qū)動的毛細(xì)管電泳方法移植到微芯片電泳,實驗證明該方法僅適用于荷質(zhì)比相差較大的陰陽離子的檢測。我們提出的基于彎曲的電泳微管道的陰陽離子同步檢測方案,使用CTAB試劑抑制電泳微管道中的電滲流,并利用自主研發(fā)的程控高壓發(fā)生電路,實現(xiàn)陰陽離子在電泳微管道中串行朝同一方向以不同的速度遷移,從而實現(xiàn)同一微電泳管道中陰陽離子同步檢測。針對該方案存在的陽離子“回遷”問題,我們提出基于Y型電泳微管道的新檢測方案,使陰陽離子在經(jīng)過檢測位置后進(jìn)入不同的微管道分支,徹底消除離子“回遷”現(xiàn)象。實驗證明了兩種方案均可在140秒內(nèi)完成對K+,Na+,Li+,Cl-,F-和PO43-的同步串行檢測。針對目前電泳微流控芯片普遍存在的制作工藝復(fù)雜、依賴昂貴的微加工設(shè)備的問題,本文提出了一種制作工藝極其簡單的、便于大規(guī)模生產(chǎn)的可拆卸式微電泳芯片,并研制了配套的非接觸電導(dǎo)檢測電路,構(gòu)成完整的新型ME-C4D系統(tǒng)。通過對該非接觸電導(dǎo)檢測系統(tǒng)各模塊深入分析和電泳檢測參數(shù)優(yōu)化研究,成功完成了土壤養(yǎng)分離子及重金屬離子的檢測。在此基礎(chǔ)上,對ME-C4D系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)集成和輕量化,研制出了可野外現(xiàn)場使用的便攜式離子速測儀原理樣機(jī)。本文研究工作解決了當(dāng)前微芯片電泳陰陽離子同步檢測技術(shù)的缺陷,實現(xiàn)了同一微電泳管道中多種陰陽離子同步串行快速檢測,研制出適合野外現(xiàn)場檢測的便攜式離子速測儀樣機(jī),對ME-C4D技術(shù)的實用化和走向大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用具有重要的推動作用。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O652
【圖文】：

邐Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ逡逑Ｖ／Ｏ＾－Ｒｊｆｔ）邐Ｉ邋Ｙ／ｔ）＝－Ｒｉ（ｔ）逡逑圖１－１邋（ａ）接觸和（ｂ）非接觸電導(dǎo)檢測之間的比較。電流ｉ（ｔ）與電極間的電導(dǎo)成比逡逑例，并且該電流可以通過使用電流－電壓轉(zhuǎn)換器（也稱為跨導(dǎo)放大器）被轉(zhuǎn)化為電逡逑壓邋Ｖｏ（ｔ）。逡逑在接觸電導(dǎo)中，如圖ｌ－ｌ（ａ）所示，由于電極與溶液直接接觸，只需將一個逡逑小幅度的低頻率交變信號（例如正弦波）施加到兩個惰性電極上。因為雙電層逡逑（ＥＤＬ）的電容相對較高，大約為每平方厘米幾個ｐＦ［３５］，交流信號的使用也使逡逑對電導(dǎo)率測量的電解效應(yīng)最小化。如果電極放置在容器外（圖ｌ－ｌ（ｂ）），容器壁的逡逑電容將對信號傳輸施加一個極高的阻抗或更準(zhǔn)確地說是一個極高的容抗（Ｘｃ），逡逑Ｘｃ與工作頻率和容器壁的電容（Ｃｗ）成反比，由于Ｃｗ非常小，因此必須向電極逡逑施加高頻信號以克服該容器壁的容抗。逡逑（Ａ）邐ｉ（Ｂ）ｉ．以丨ｉ邋Ｉ逡逑＾邋ｊｒ逡逑圖１－２邋（Ａ）具有典型Ｃ４Ｄ微單元的微流體系統(tǒng)的構(gòu)成層和（Ｂ）其等效電路。逡逑在（Ａ）中，基底分別在其底部和頂部表面包含微通道和電極。Ｃｗ，Ｃ0和Ｒｓ分別逡逑代表壁電容

邐ｉ（Ｂ）ｉ．以丨ｉ邋Ｉ逡逑＾邋ｊｒ逡逑圖１－２邋（Ａ）具有典型Ｃ４Ｄ微單元的微流體系統(tǒng)的構(gòu)成層和（Ｂ）其等效電路。逡逑在（Ａ）中，基底分別在其底部和頂部表面包含微通道和電極。Ｃｗ，Ｃ0和Ｒｓ分別逡逑代表壁電容，雜散電容和溶液電阻。逡逑１０逡逑

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