水环境重金属的光学与LAPS传感器检测方法及仪器的研究

摘要

由于近几年我国经济的粗犷式发展，导致了水环境重金属污染严重。重金属污染不仅对人体健康造成很大影响，而且会对生态环境造成严重破坏。因此国家越来越重视对重金属的检测。虽然现在有很多成熟的方法可用于重金属的检测，但是这些方法一般具有仪器体积庞大，检测时间长，检测成本高等缺点而不适用于重金属的现场检测。
　　本文研究了基于分光光度法和光寻址电位传感器(Light AddressablePotentiometric Sensor，LAPS)实现重金属检测的方法。本文首先介绍了水环境重金属的污染现状和几种主要的重金属检测方法以及LAPS传感器的发展和应用，然后设计了基于分光光度法自动化铜离子检测仪器，基于LAPS小型化分析仪器和多通道LAPS检测系统，最后探索了基于LAPS检测系统的H+扩散图像检测方法。
　　本文的主要工作和创新点包括如下几个方面:
　　1.设计了基于分光光度法对铜离子的自动化检测仪器。
　　本文研究了基于分光光度法的水环境中的Cu2+检测方法，利用晶体管控制蠕动泵的开启和关闭，并利用光电传感器完成液滴检测，实现了仪器自动化进样。结合可自动调节光强的光学检测系统，实现了自动化检测仪器样机设计。分析了仪器的进样系统和最佳测试条件，得到较好的Cu2+线性曲线，并与标准的分光光度计仪器进行比对，结果表明，本仪器完成了对溶液的精确进样，实现了对Cu2+的自动化检测，Cu2+的检出限为6μg/L，低于标准仪器的检出限。
　　2.设计了基于LAPS传感器的小型分析仪器，实现了重金属的检测.
　　本文采用了基于AD630芯片的同步检波电路，实现方波乘法器对被测信号的解调，从而降低了一般模拟乘法电路产生的直流漂移。并设计了时间常数为300ms，衰减率为12dB/oct的低通滤波器，实现了锁相放大。设计了LED激发光源及其信号发生电路，编写了分析和控制软件，完成了基于LAPS的小型分析仪器。通过在LAPS表面固定Cu2+敏感膜，实现了对Cu2+的检测。实验结果表明该仪器具有检测重金属的功能和小型方便的特点。
　　3.设计了多通道的LAPS检测系统，结合软件完成双相位锁相放大算法，实现了多参数检测。
　　本文设计了基于数据采集卡USB-6211的多通道LAPS检测系统，包括多路光源激发不同LAPS传感器和软件实现双相位锁相放大算法，实现同时检测多种参数的功能。软件锁相放大算法中采用巴特沃斯滤波器作为前置带通滤波器，结合正弦信号乘法和椭圆低通滤波器实现双相位锁相放大，并对结果求平均值，从而提高了系统信噪比。该系统实现了对Pb2+和H+的同时检测。实验结果表明，软件实现的锁相放大算法很好的完成了对多通道LAPS信号的检测，实现了基于LAPS的多参数检测。
　　4.探索了基于LAPS检测系统的H+扩散图像检测方法。
　　研制了基于MAC6000的X-Y扫描控制器结合LAPS的H+动态扩散图像检测系统，开发了该系统的扫描控制软件和分析算法。通过在LAPS上固定琼脂基质，扫描其中的H+扩散图像，从而实现了H+扩散过程的动态检测。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 水环境重金属污染现状

1．2 重金属检测技术

1．3 LAPS的应用

1．4 本文研究主要内容

第二章 重金属铜离子光学自动检测仪器的设计

2．1 分光光度法的重金属检测技术

2．2 系统结构

2．2．1 水路系统

2．2．2 光学检测系统

2．3 嵌入式软件设计

2．4 仪器的组装调试与结果

2．4．1 恒流源精度测试

2．4．2 水路系统测试

2．4．3 DDTC用量

2．4．4 反应时间

2．4．5 标准曲线

2．4．6 仪器的检测指标

2．5 本章小结

第三章 LAPS的单通道小型化仪器设计

3．1 LAPS原理

3．2 LAPS芯片的制备

3．2．1 pH敏感膜制备

3．2．2 重金属薄膜的制备

3．3 检测系统设计

3．3．1 偏置电压

3．3．2 光源调制电压

3．3．3 I／V转换和放大电路

3．3．4 锁相放大电路

3．4 下位机检测流程

3．5 LabVIEW实现上位机软件

3．6 测量结果

3．6．1 仪器重复性测试

3．6．2 pH测试

3．6．3 铜离子测试

3．7 本章小结

第四章 基于LAPS的多通道仪器与软件设计

4．1 基于数据采集卡的多通道LAPS仪器设计

4．1．1 USB-6211简介

4．1．2 偏置电压

4．1．3 数据采集卡控制放大电路

4．1．4 采集电压

4．2 微弱信号软件处理

4．2．1 双相位锁相放大器的原理

4．2．2 LabVIEW实现双相位锁相放大算法

4．2．3 LabVIEW控制界面

4．3 结果分析

4．3．1 双路激光同时检测同一芯片

4．3．3 双路激光同时检测不同芯片

4．4 本章小结

第五章 LAPS用于H+扩散图像研究

5．1 LAPS离子图像检测原理

5．2 LAPS用于成像的检测仪器

5．3 LAPS的H+扩散图像测试

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历及研究成果

致谢