本文關(guān)鍵詞：用于水環(huán)境重金屬檢測的微納傳感器及系統(tǒng)研究

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【摘要】：隨著我國城市化與工業(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,水環(huán)境重金屬的污染問題越來越受到人們的關(guān)注。而如何準確、快速地檢測水環(huán)境中的重金屬是亟待解決的問題。此外,在大范圍水域如海洋、湖泊的在線重金屬監(jiān)測,對于維護生態(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極溶出伏安法,結(jié)合微納傳感器陣列,實現(xiàn)水環(huán)境的重金屬檢測。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)計了微電極陣列并結(jié)合不同的算法用于重金屬離子的現(xiàn)場檢測。之后集成光尋址電位傳感器、微納電極陣列與對電極,形成多傳感器陣列,并對其特性進行了深入的研究,引入多元線性回歸算法進行定量分析。另一方面,采用納米金顆粒對絲網(wǎng)印刷金電極進行表面修飾,并研究了其電化學(xué)特性,基于該電極開發(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)場檢測。基于多傳感器陣列的復(fù)合傳感器,設(shè)計了用于太湖水域重金屬監(jiān)測的無線浮標傳感系統(tǒng),并驗證了系統(tǒng)的可靠性。研究工作受國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目和國際合作專項的支持。本文的主要工作和創(chuàng)新點如下：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題�；谖⒓庸すに囋O(shè)計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傳感器電化學(xué)特性的影響。當電極間距為5倍電極直徑時,電極陣列在不同掃描速率下表現(xiàn)出不同程度的線性擴散；而當間距為10倍直徑時,電極表現(xiàn)出整體的非線性擴散。在Cd2+與Pb2+的定量分析中,對于背景單一的樣品引入偏最小二乘法建立回歸模型,僅需單次檢測即可完成定量分析,實現(xiàn)簡單。而當樣品背景復(fù)雜、基線漂移時,偏最小二乘法預(yù)測結(jié)果不理想,提出局部最優(yōu)值法,并結(jié)合標準加入法進行定量計算,具有抗背景干擾能力強的特點,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,可實現(xiàn)Cd2+與Pb2+快速、準確的定量分析。2.原創(chuàng)性地研制了具有校準功能的多參數(shù)檢測的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中的pH干擾問題。針對溶液pH對電化學(xué)分析具有顯著影響的問.題,分別設(shè)計了基于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),便于實現(xiàn)電極更換或更新。分別對MEA-LAPS與NEA-LAPS復(fù)合傳感器進行電化學(xué)特性表征,研究其靈敏度、線性度與重復(fù)性。針對MEA-LAPS的特性,引入LAPS的pH檢測值建立多元線性回歸模型,對MEA的重金屬檢測進行校準。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,實現(xiàn)了便捷的重金屬現(xiàn)場快速檢測。使用一種參比電極、對電極與金工作電極三電極集成的絲網(wǎng)印刷電極,用于同時檢測Pb2+與Cu2+。研究了電極活化及納米金顆粒修飾對電極特性的影響,兩者均可顯著提高傳感器的電流響應(yīng)。對富集電位與富集時間進行了優(yōu)化,并對傳感器的靈敏度、線性度、重復(fù)性及一致性進行了研究,對比了集成偽參比電極、對電極與商用電極的特性差異。基于該傳感器,設(shè)計了一種基于ZigBee無線通信的便攜式重金屬分析儀,具有體積小、便攜、操作簡單等特點,初步的對比結(jié)果證明儀器具有良好的可靠性,可用于現(xiàn)場、快速的重金屬檢測。4.設(shè)計了可用于太湖重金屬監(jiān)測的無線浮標傳感系統(tǒng),解決了大范圍水域重金屬實時監(jiān)測的問題。基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù),設(shè)計了基于Wi-Fi無線通信的無線浮標傳感系統(tǒng),用于太湖現(xiàn)場的重金屬監(jiān)測。該傳感系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、無線路由及控制中心三部分組成,通過Wi-Fi構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點結(jié)合MEA-LAPS復(fù)合傳感器,搭載于浮標上,實現(xiàn)在線、實時的pH與重金屬檢測�？刂浦行幕跓o線通信的計算機,通過控制軟件實現(xiàn)多個傳感器節(jié)點的管理與控制。對無線浮標傳感系統(tǒng)進行了太湖現(xiàn)場測試,證明其具有良好的可靠性和準確性。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O657.1;TP212

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1 劉國文;微波消解在重金屬檢測中的應(yīng)用[N];中國包裝報;2009年

2 黃喜祖　謝漢杰;1—9月東山輸臺水產(chǎn)品30.6萬噸[N];中國食品安全報;2011年

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1 王偉;面向重金屬檢測的無線傳輸系統(tǒng)的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

2 高小明;水環(huán)境重金屬檢測儀器的硬件設(shè)計[D];浙江大學(xué);2010年

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4 付靜;水環(huán)境重金屬檢測的電化學(xué)傳感器的研究[D];浙江大學(xué);2007年

5 徐銀榮;新穎螯合樹脂的合成及在重金屬檢測中的應(yīng)用[D];浙江工商大學(xué);2008年

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本文編號：1272253