集成Ag/AgCl参比电极的多参数水质监测阵列传感器的研制

论文摘要

水体污染已被认为是人类生存环境主要威胁之一，对其进行监测和控制势在必行。氧化还原电位、pH、电导率、温度等作为反应水质好坏的重要参数，在环境水质检测中是必须要求的。目前对这些指标的检测主要依赖于现场采样和单独检测分析，不能获得实时、连续的数据，因此研制出小型的、多参数集成、易于维护、检测迅速准确，能适应复杂、恶劣的现场检测环境且成本低的在线检测传感器，将会给水质监测提供极大的便利。参比电极作为稳定电位的提供者在电化学测试中不可或缺，而实现参比电极的集成化将有效解决传感器集成化、微型化的问题。本论文主要是利用MEMS工艺制作出Pt集成微电极，通过电化学修饰，制备了IrOx金属氧化物的pH测试电极；在集成微电极的一个裸露电极上制备一层Ag/AgCl薄膜，用聚二甲基硅氧烷（PDMS）形成微空腔对内参比液进行封装，形成了集成参比电极；最终以电化学检测的方法，实现对水体温度、电导率、氧化还原电位和pH值的在线实时测定。本论文主要完成了以下工作：1.传感器的设计与制作：基于微细加工技术的特点和电化学修饰电极的基本原理的综合考虑，设计了集成微阵列传感器的加工工艺流程及电化学修饰电极的步骤，完成了集成传感器的制备；2.集成参比电极的性能测试：用电化学工作站对集成的参比电极的电化学性能进行测试，伏安特性曲线显示了很好的重复性、稳定性和可逆性；并对该参比电极电位的稳定性、重现性及电极电位对氯离子和温度的响应均做了测试，实验结果表明：参比电极电位漂移在0.2mV内且具有较高的重现性，对氯离子和温度均符合能斯特响应；3.微阵列传感器的测试：基于电化学工作站分别对pH、氧化还原电位、电导率和温度传感器分别做了测试，实验结果表明：pH传感器的能斯特斜率达-78.19mV/pH，具有较高的灵敏度且响应时间一般为35s；在校准液中氧化还原电位的标准斜率为0.99733，接近于理论值1.0000，可以准确的表征水体氧化还原电位值；电导率传感器的电极常数为2.723，可以对一般水体的电导率进行测定；Pt温度传感器的电阻与温度的线性关系良好，TCR值为0.00190Ω/℃，满足温度测量精度的需求；4.传感器的应用：基于GPRS技术建立的在线测试平台对青草沙水域的水质进行监测，实现了监测的实时性和在线性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 微电极技术
• 1.2.1 微电极概述
• 1.2.2 微电极的优点
• 1.2.2.1 充电电流衰减快
• 1.2.2.2 较高的法拉第电流和充电电流比
• 1.2.2.3 欧姆降 IR 低
• 1.2.3 微电极的应用
• 1.2.3.1 生物细胞分析
• 1.2.3.2 单分子分析
• 1.2.3.3 固体电化学中应用
• 1.2.3.4 化学动力学参数的测定
• 1.2.3.5 痕量物质检测
• 1.2.3.6 流动体系分析
• 1.2.4 微细加工技术
• 1.2.4.1 MEMS 的特征
• 1.2.4.2 MEMS 技术及应用
• 1.3 化学修饰电极
• 1.3.1 化学修饰电极概述
• 1.3.2 化学修饰电极的制备方法
• 1.3.3 化学修饰电极的应用
• 1.3.3.1 化学修饰电极在分析化学中的应用
• 1.3.3.2 化学修饰电极在水质检测中的应用
• 1.4 参比电极
• 1.4.1 参比电极的选用原则及常用参比电极
• 1.4.1.1 参比电极的选用原则
• 1.4.1.2 常用参比电极
• 1.4.2 Ag/AgCl 参比电极的微型化
• 1.4.2.1 底层金属沉积
• 1.4.2.2 AgCl 层的修饰
• 1.4.2.3 扩散介质
• 1.5 水质自动监测技术
• 1.6 本课题研究思路
• 1.7 本章小结
• 第二章 集成微电极的设计与制作
• 2.1 集成微电极的设计原则
• 2.2 集成微电极的制作
• 2.2.1 材料和仪器
• 2.2.2 微阵列电极的制作流程
• 2.2.3 电化学修饰集成 Ag/AgCl 参比电极
• 2.2.3.1 电沉积银
• 2.2.3.2 修饰氯化银
• 2.2.3.3 内参比液的封装
• 2.2.4 电化学修饰集成 pH 电极
• 2.2.4.1 电镀液的配置
• 2.2.4.2 缓冲溶液的配置
• 2.2.4.3 阳极电沉积 IrOx 薄膜
• 2.2.4.4 修饰 Nafion 膜
• 2.3 制作工艺过程的讨论
• 2.3.1 微阵列电极制作的讨论
• 2.3.2 电化学修饰过程的讨论
• 2.4 本章小结
• 第三章 集成参比电极的性能测试
• 3.1 参比电极的电化学表征
• 3.2 参比电极稳定性及重现性测定
• 3.3 参比电极与氯离子的能斯特响应
• 3.4 参比电极的温度响应
• 3.5 本章小结
• 第四章 微阵列传感器的测试实验
• 4.1 电化学测试方法的建立
• 4.2 氧化还原电位传感器的测试
• 4.2.1 氧化还原电位测量原理
• 4.2.2 ORP 传感器测试
• 4.2.3 ORP 测试中影响因素讨论
• 4.2.3.1 电极材料
• 4.2.3.2 温度补偿
• 4.2.3.3 测试手段
• 4.3 电导率传感器的测试
• 4.3.1 电导率测量原理及传感器测试
• 4.3.2 电导率测量中问题探讨
• 4.4 温度传感器的测试
• 4.5 pH 传感器的测试
• 4.5.1 IrO2 薄膜电极响应机理及 pH 响应测试
• 4.5.2 pH 传感器的响应时间
• 4.5.3 实际样品的测试
• 4.5.4 pH 传感器测试中的问题讨论
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 发表文章
• 已申请专利
• 致谢