人工鼻与人工舌及其在环境检测中应用的研究

论文摘要

随着社会经济的迅速发展和环境资源的过度开发，环境污染问题越来越引起人们的极大关注。如有毒有害气体污染和各种水体中的重金属污染已经危害到了人们的生活而日益受到社会的重视。因此，对有毒有害气体污染和重金属污染的在线和快速检测迫在眉睫。另一方面，随着人工嗅觉与味觉和化学传感器技术研究的快速发展，人工鼻与人工舌的研究已成为目前国际上一个研究的热点，并在气体检测和液相离子检测中得到逐步的应用。气体和重金属离子检测传感器的研究及其实时分析技术也是目前国际上一个重要的前沿研究课题。基于上述原因，本论文以光纤化学传感器为基础的光学人工鼻和以重金属离子选择性传感器为基础的人工舌作为主要研究内容，并将研究结果应用到环境检测。该研究得到了国家863高技术项目、国家自然科学基金委国际合作中俄专项基金以及浙江省科技厅重点项目的资助。本文所作的主要工作如下：1．提出了一种具有仿生特点的光学人工鼻实验系统。采用生物嗅觉的仿生设计方法，利用光纤传感器与多种聚合物敏感材料相结合实现了多种聚合物敏感材料与荧光试剂的定量配制。研究了具有不同选择性的气味光纤传感器阵列。此外，将生物嗅觉机理模型用于人工鼻系统的设计过程，采用模拟生物嗅觉的感受器-嗅球-线性延迟神经网络算法，实现了从光纤传感器阵列的响应数据中分离出混合气味的成分和浓度信息。2．研制出了一种基于LAPS和脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD）技术的晶体态结构的Cd离子选择薄膜传感器。以硫属玻璃Cd离子选择电极（Cd—ISE）的敏感材料作为PLD的靶材，在LAPS上制备了一种晶体态结构的Cd薄膜传感器（Cd—LAPS）。该传感器的线性区间为10-4～10-7mol／L，检测下限为1.15×10-7mol／L，适宜pH范围4～7，时间不超过2min，2周内可连续重复使用。3．研制出了一种基于LAPS和PLD技术的玻璃态结构的Cu离子选择薄膜传感器。以硫属玻璃Cu离子选择电极（Cu—ISE）的敏感材料作为PLD的靶材，在LAPS上制备了一种玻璃态结构的Cu薄膜传感器（Cu—LAPS）。该传感器的线性区间为10-4～10-6mol／L，检测下限为5.44×10-7mol／L，适用pH范围4～6，响应时间不超过2min，1周内可连续重复使用。4．结合微透镜阵列技术和LAPS薄膜传感器，研制了两种类型的LAPS离子阵列传感器，这两种LAPS阵列传感器分别实现了对Cu2+、Cr6+、pb2+与Fe3+4种重金属离子和Cr6+、pb2+与Fe3+3种重金属离子的同时检测。5．计算并讨论了汞在溶液体系中的存在形态，获得了稳定的低浓度自由汞离子实际浓度以及溶液中自由汞离子浓度和总汞浓度之间的关系。通过对汞离子选择电极（Hg-ISE）在模拟海水的缓冲溶液体系实验测试及分析，确定了在自由汞离子浓度高于10-19mol／L时，总汞浓度和自由汞浓度之间的线性关系，研究了Zn-ISE在缓冲体系下的特性，确定了该方法可以使Zn-ISE的检测下限延伸到10-8mol／L。6．完成了一台用于环境监测的人工舌实验装置的设计，采用膜电极、LAPS和离子选择电极等检测技术实现了水环境重金属离子的现场检测。通过实验表明该实验装置已经满足了设计要求。7．对环境检测中气体和重金属传感器及其分析方法进行了展望。指出了光纤气体检测网络和流动注射分析、毛细管电泳、微机电系统以及微全分析系统或微流控芯片在重金属离子在线定点监测的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 人工鼻与人工舌的国内外研究现状
• 1.1.1 人工鼻与人工舌原理描述
• 1.1.2 人工鼻和人工舌国内外研究进展
• 1.1.2.1 人工鼻研究进展
• 1.1.2.2 人工舌研究进展
• 1.2 环境检测方法和传感技术发展
• 1.3 本文研究内容
• 1.4 本章参考文献
• 第二章 人工鼻与人工舌的仿生设计研究
• 2.1 生物嗅觉的模型
• 2.1.1 生物嗅觉机理
• 2.1.2 嗅觉系统行为特性的研究
• 2.2 生物味觉的模型及其应用
• 2.2.1 生物味觉机理
• 2.2.2 味觉系统行为特性的研究
• 2.3 人工鼻与人工舌的仿生设计
• 2.3.1 人工鼻与人的嗅觉系统之间对应关系
• 2.3.2 传感器信号提取
• 2.3.3 模式识别的评价参数
• 2.4 模式识别技术的应用
• 2.4.1 引言
• 2.4.2 统计识别方法
• 2.4.3 人工神经网络模式识别
• 2.5 结论
• 2.6 本章参考文献
• 第三章 仿生光学人工鼻的研究
• 3.1 引言
• 3.2 光纤传感器和光学鼻的检测原理
• 3.3 光学鼻的实验研究
• 3.3.1 系统构成
• 3.3.2 传感器模块设计
• 3.3.3 光纤表面成膜方法
• 3.3.4 采用（OSN-OB-DLNN）嗅觉系统模型的气体识别
• 3.3.4.1 嗅觉感觉神经元 OSN
• 3.3.4.2 嗅球模型OB
• 3.3.4.3 Hopfield神经编码解码原理
• 3.3.4.4 延迟线网络 DLNN
• 3.3.4.5 OSN-OB-DLNN网络结构
• 3.4 实验结果和讨论
• 3.4.1 OB模块
• 3.4.2 DLNN延迟线网络
• 3.4.2.1 DLNN网络对相同气体不同浓度的结果
• 3.4.2.2 DLNN对不同气体的响应结果
• 3.4.2.3 讨论
• 3.5 结论
• 3.6 本章参考文献
• 第四章 重金属离子选择性薄膜传感器的研究
• 4.1 光寻址电位传感器（LAPS）的研究
• 4.1.1 LAPS的发展
• 4.1.2 LAPS的结构和基本原理
• 4.1.3 EIS结构LAPS界面模型
• 4.1.4 LAPS优化设计
• 4.1.5 MLAPS的设计
• 4.2 重金属离子选择性薄膜传感器的制备及分析
• 4.2.1 薄膜制备技术概况
• 4.2.2 离子选择薄膜传感器的制备
• 4.2.2.1 LAPS器件的设计
• 4.2.2.2 LAPS的制备工艺
• 4.2.2.3 PLD制备敏感膜
• 4.2.3 LAPS测试系统
• 4.3 Cd-LAPS的研究
• 4.3.1 实验
• 4.3.1.1 Cd-LAPS薄膜传感器的制备
• 4.3.1.2 传感器特性测试
• 4.3.2 结果和讨论
• 4.3.2.1 光源频率的影响
• 4.3.2.2 pH的影响
• 4.3.2.3 干扰离子
• 4.3.2.4 Cd-LAPS的 I-V曲线
• 4.3.2.5 Cd-LAPS的标准曲线
• 4.4 Cu-LAPS的研究
• 4.4.1 实验
• 4.4.1.1 Cu-LAPS薄膜传感器的制备
• 4.4.1.2 传感器特性测试
• 4.4.2 结果和讨论
• 4.4.2.1 光源频率的影响
• 4.4.2.2 pH的影响
• 4.4.2.3 干扰离子
• 4.4.2.4 Cu-LAPS的I-V曲线
• 4.4.2.5 Cu-LAPS的标准曲线
• 4.5 结论
• 4.6 本章参考文献
• 第五章 重金属 LAPS阵列传感器的研究
• 5.1 引言
• 5.2 微透镜阵列的制备
• 5.3 I型LAPS阵列传感器的制备和实验研究
• 5.3.1 I型LAPS阵列传感器的制备
• 5.3.2 I型LAPS阵列传感器测试系统
• 5.3.3 实验结果分析
• 5.4 II型LAPS阵列传感器的制备和实验研究
• 5.4.1 II型LAPS阵列传感器的制备
• 5.4.2 多频率调制盘制备
• 5.4.3 II型LAPS阵列测试系统
• 5.4.4 实验结果分析
• 5.4.4.1 频域分辨
• 5.4.4.2 特性曲线
• 5.4.4.3 实验结果
• 5.5 结论
• 5.6 本章参考文献
• 第六章 ISE在痕量重金属离子测量中的研究
• 6.1 引言
• 6.2 离子选择电极
• 6.3 痕量汞离子的测量
• 6.3.1 汞络合平衡的基本原理
• 6.3.2 缓冲溶液的配置和传感器标定
• 6.3.3 模拟海水溶液的标定
• 6.4 痕量锌的测量
• 6.5 结论
• 6.6 本章参考文献
• 第七章 环境检测人工舌的设计
• 7.1 引言
• 7.2 系统硬件功能和结构
• 7.2.1 电化学测量系统
• 7.2.2 离子选择电极测量系统
• 7.2.3 LAPS测量系统
• 7.3 系统的软件流程
• 7.4 实验检测结果
• 7.5 结论
• 7.6 本章参考文献
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 8.3 本章参考文献
• 致谢
• 博士期间发表论文和科研成果
• 发表论文
• 科研成果