基于MEMS技术的总磷微传感器研究

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本论文针对水环境监测中总磷检测的重大需求,研究基于微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS)技术的电化学总磷微传感器,重点研究微传感器的检测机理与方法、微电极表面纳米材料修饰和增敏方法、微电极的设计和制备、基于微流控的在线总磷检测芯片系统、以及实际水样的检测方法等,为总磷的便携式检测和在线监测提供了新的手段。  针对现有总磷现场检测仪器体积庞大、运行成本高的现状,提出了基于电化学原理的电位型总磷检测方法,使用过硫酸钾消解法,将待测水样中不同形态的含磷化合物全部转化为磷酸盐。利用纳米钴对消解后水样中的磷酸根离子的混合电位响应特性,测量响应电位的大小,实现水样总磷浓度的检测。探索了以恒流沉积法制备磷酸根敏感钴微电极的方法,对敏感电极的制备结果进行表征,研究了磷酸根离子在电沉积的钴质材料表面发生混合电位响应的增敏效应。以此为工作原理,成功研制了便携式总磷微传感器系统,实现了总磷检测仪器的小型化和低成本。使用该系统对多地的湖库、河流水样进行了检测,测试结果显示,该传感器系统对实际水样的检测结果与专业水质检测机构的测试结果基本吻合,能够实现对不同地域水样总磷浓度的有效测量。  面向水环境中总磷浓度的分布式、在线监测需求,利用金电极对磷钼杂多酸的还原性电流响应,通过测量还原电位下的电流响应大小来检测溶液中的磷酸根浓度。结合热辅助紫外消解仪器,实现水样总磷浓度的检测。以此为工作原理,基于超微阵列电极理论和微流控技术,成功研制了集成式磷酸根检测微流道传感芯片,大幅提高了电流响应和灵敏度,为实现总磷的分布式实时在线监测系统提供了有效技术方案。与总磷消解微芯片相结合,有望实现总磷检测的微型化和集成化。
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