基于表面等离子体共振的甲烷水溶液测量系统

摘要

甲烷气体是天然气的主要成分，同时甲烷气体与水蒸气、氧化亚氮，二氧化碳、臭氧等都属于温室气体。研究表明，水环境中的甲烷是大气中甲烷的重要来源，监测水环境中甲烷的浓度变化对于了解该水区域的生态环境具有重要的意义。与气相色谱法和原位甲烷浓度检测法等测量甲烷浓度的方法相比较，将表面等离子体共振传感技术与具有对中性小分子有识别作用的穴番-A分子相结合，使得整个传感器系统具有特异性强，实时动态检测等优点。本文主要设计并且完成一套基于表面等离子体共振技术的甲烷水溶液测量系统，主要研究内容包括甲烷水溶液的数据采集系统，温度控制系统，数据处理以及甲烷水溶液的测试与分析，具体内容如下:　　设计并构建了一套基于表面等离子体共振传感器的甲烷水溶液数据采集系统，系统包括微控制器最小系统模块、蠕动泵控制模块、传感器模块、数据传输模块、按键与显示模块等。该系统将MSP430F149作为微控制器，利用蠕动泵模块进行待测液体的抽送，通过传感器模块实现了对传感器数据的采集，并且将数据利用数据传输模块发送至上位机，并且系统通过按键模块进行响应，利用显示模块实现了操作的显示。为了减少温度对传感器数据采集的影响，本文设计了基于半导体制冷器的温度控制系统，温度控制系统包括微控制器最小系统模块、数模转换模块、温度传感器模块、按键与显示模块、半导体制冷器模块等。　　本文研究了表面等离子体共振传感器光谱信号的数据处理方法，包括利用参考通道进行表面等离子体共振传感器光谱信号的归一化预处理，得到表面等离子体共振传感器的归一化数据信号曲线，利用多项式拟合的算法对表面等离子体共振传感器的归一化数据信号曲线进行平滑，通过动态基线算法计算得到传感器系统的共振像素。　　最后完成对甲烷水溶液的测试与分析，包括对传感器系统进行校准，得到被测物质的折射率的计算公式;通过三步化学方法合成穴番-A分子，并且进一步通过核磁共振验证，在传感器金膜表面制作了含有穴番-A分子的PDMS薄膜;利用传感器系统测试甲烷水溶液包括PDMS薄膜测试，去离子水测试，甲烷溶液测试以及对甲烷的解吸实验，证明了整套设计方案的可行性。

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