基于光谱分析的光学式pH传感器

摘要

pH值是溶液中氢离子浓度的一种标度，也就是人们所熟知的溶液酸碱度的衡量标准。在环保、工业、医药和食品等行业的应用中，pH值是非常重要的参数。目前在pH检测过程中得到广泛应用的是pH玻璃电极。玻璃电极的优点是测量范围宽、精度高，但其寿命短，容易受到电磁和无线电频率干扰，在恶劣环境（高温、高压和高腐蚀等）中使用时容易被污染或中毒，导致测试结果不稳定或者失效。基于此，各种非玻璃型pH传感器的研究正逐渐成为热点，其中光学式pH传感器由于性能优越，近年来逐渐受到研究者和用户的重视。
　　光学式pH传感器是由pH指示剂和光纤相结合构成的一种pH传感器。与传统测量技术相较，光学式pH传感器具有测量信号稳定，便于携带，抗电磁干扰性强，无污染等优点。国内现有光学式pH传感器使用单一pH指示剂，通过检测溶液的光学参数变化来测量溶液的pH值。此方法在使用时受环境因素影响较大，测量范围和精度有限。基于光学式pH传感器的研究现状，本文提出基于光谱分析的光学式pH传感器。
　　本文的研究内容主要包括以下四个方面:
　　(1)根据现有光学式pH传感器的检测原理，结合倏逝波理论构建了基于溶胶-凝胶的光学式pH传感器理论模型。利用光源、光纤、和USB2000+光谱仪等设计搭建光谱采集装置。
　　(2)利用溶胶-凝胶的方法，将刚果红、溴酚蓝、甲酚红及氯酚红四种指示剂包埋于正硅酸乙酯(TEOS)与醋酸纤维素交联形成的有机载体内，制备了具有宽检测范围的光学式pH传感器。
　　(3)探究了传感器敏感膜胶液前驱体中正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水及盐酸的最优配比。利用正交试验对制备传感器敏感膜的各物料:醋酸纤维素、DMF、指示剂、盐酸及前驱体胶液用量进行了优化。通过傅里叶红外光谱仪及场发射扫描电子显微镜对优化敏感膜进行了表征，对所制备的pH传感器线性度、测量精度、重复性与稳定性及响应时间进行测试。
　　(4)建立了基于改进nu-SVR模型结合RBF核函数的pH光谱模型，利用光谱采集装置所获得的光谱信息对pH光谱模型进行训练和预测，实验结果表明，本文提出的基于光谱分析的光学式pH传感器测量精度为0.1pH，与传统pH玻璃电极相较具有较好的稳定性及重复性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状和发展趋势

1．2．1 pH传感器国内外研究现状

1．2．2 光谱分析的国内外研究现状

1．3 本文的主要研究内容、思路和创新点

1．3．1 本文的研究内容和思路

1．3．2 创新点

1．4 本文章节安排

第二章 光学式pH传感器检测原理及光谱采集装置设计

2．1．2 基于反射的光学式pH传感器

2．1．3 基于荧光的光学式pH传感器

2．2 光学式pH传感器的光学原理

2．2．1 子午光线的传播原理

2．2．2 偏斜光线的传播原理

2．3 倏逝波传感理论

2．4 溶胶-凝胶光学式pH传感器理论模型

2．5 光学式pH传感器光谱采集装置

2．6 本章小结

第三章 基于溶胶-凝胶的光学式pH传感器制备及性能测试

3．1 光纤预处理

3．2 溶胶-凝胶技术

3．2．3 改性溶胶-凝胶制备原理

3．3 溶胶-凝胶pH敏感膜的制备及优化

3．3．2 不同pH值缓冲液的配制

3．3．3 溶胶-凝胶pH敏感膜的优化

3．4 溶胶-凝胶pH敏感膜的表征

3．4．1 傅里叶红外光谱表征

3．4．2 场发射扫描电子显微镜(SEM)表征

3．5．1 线性度

3．5．2 测量精度

3．5．3 稳定性及重复性实验

3．5．4 响应时间

3．6 本章小结

第四章 基于支持向量机的pH光谱模型

4．1 光谱信息采集与预处理

4．2 支持向量机(SVM)理论基础

4．2．1 线性可分向量机

4．2．2 近似线性可分支持向量机

4．2．3 线性不可分支持向量机

4．3 基于SVM的吸光度—pH模型建立

4．4 实验测试

4．5 实验结果对比分析

4．5．1 与传统pH玻璃电极的比较分析

4．5．2 与功率-pH拟合直线测量精度的比较分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士期间的研究成果

致谢