【摘要】：農(nóng)產(chǎn)品是食品的源頭,農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全關(guān)系到人民群眾的身體健康和生命安全,而農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全又直接取決于農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地環(huán)境。近年來,隨著中國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展以及農(nóng)藥化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的過量施用,農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境以及主要農(nóng)產(chǎn)品中的重金屬污染問題日益嚴(yán)重,已成為制約我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)突出問題。開展適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需要的重金屬快速檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究,將會(huì)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境管理、農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈全程可追溯以及保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全具有重要意義。 電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)具有儀器成本低、檢測(cè)速度快、便于操作、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物樣本分析以及食品藥品監(jiān)控等多個(gè)領(lǐng)域。如何利用電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品及其產(chǎn)地環(huán)境中的重金屬污染進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地檢測(cè),是當(dāng)前農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)熱點(diǎn)課題。傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器存在諸如檢測(cè)靈敏度低、穩(wěn)定性差以及抗干擾能力弱等缺點(diǎn),同時(shí)其檢測(cè)儀器體積大、成本高,不合適在一線農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣使用。近年來,電化學(xué)、納米材料學(xué)、微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展及多學(xué)科融合,為上述問題的解決提供了一種新的途徑。 本文以主要農(nóng)產(chǎn)品及其產(chǎn)地環(huán)境中重要的土壤和灌溉水為研究對(duì)象,將納米材料技術(shù)與電化學(xué)傳感技術(shù)相結(jié)合,研究開發(fā)了多個(gè)高靈敏度、低成本的重金屬傳感器；針對(duì)現(xiàn)有電化學(xué)檢測(cè)儀器存在的諸如設(shè)備成本高、體積大等問題,結(jié)合微電子技術(shù)及虛擬儀器技術(shù),研制了用于電化學(xué)重金屬快速檢測(cè)的低功耗、便攜式檢測(cè)儀器；將開發(fā)的重金屬傳感器與便攜式檢測(cè)儀器相結(jié)合,構(gòu)建了一套適合于在農(nóng)村基層諸如鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級(jí)農(nóng)技站使用的快速、高效、低成本的重金屬檢測(cè)平臺(tái)。具體研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 1.研制了一種高靈敏度、低成本的鎘離子電化學(xué)傳感器。采用導(dǎo)電物質(zhì)分子導(dǎo)線作為粘合劑,制作了一種新型碳糊電極,在電極表面進(jìn)一步修飾Nafion膜和錫膜,并采用方波陽極溶出伏安法對(duì)農(nóng)田灌溉水中的鎘離子進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明,利用分子導(dǎo)線制作的碳糊電極具有較好的導(dǎo)電性和電化學(xué)活性。修飾Nafion膜和錫膜使傳感器具備了較好的檢測(cè)靈敏度、穩(wěn)定性以及抗干擾能力。在最優(yōu)檢測(cè)條件下,傳感器的線性工作范圍為1.0～80.0μg/L,線性回歸方程為ip=-0.2065+0.3621c(ip:μA,c:μgL-1),檢測(cè)限為0.13μg/L。利用該電極對(duì)多個(gè)農(nóng)田灌溉水樣本中的重金屬鎘進(jìn)行測(cè)定,檢測(cè)結(jié)果與原子吸收光譜法測(cè)量結(jié)果對(duì)照分析表明,該傳感器具有良好的檢測(cè)準(zhǔn)確性和可靠性。 2.采用新型材料離子液體作為粘合劑,結(jié)合石墨粉制作了一種新型碳糊電極,在電極表面進(jìn)一步修飾金膜,然后采用方波陽極溶出伏安法對(duì)農(nóng)田灌溉水中的汞離子進(jìn)行了檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明,利用離子液體制作的碳糊電極具有較好的離子導(dǎo)電性和電化學(xué)活性。采用金膜對(duì)電極進(jìn)行修飾提高了傳感器對(duì)汞離子的檢測(cè)靈敏性和選擇性。在最優(yōu)檢測(cè)條件下,傳感器的線性工作范圍為1.0～80.0μg/L,線性回歸方程為ip=0.9535+0.4955c=(ip:μA,c:μgL-1),檢測(cè)限為0.16μg/L。利用該傳感器對(duì)農(nóng)田灌溉水樣本中的汞離子濃度進(jìn)行了測(cè)定,檢測(cè)結(jié)果與ICP-MS檢測(cè)結(jié)果對(duì)照分析表明,該傳感器具有很好的檢測(cè)準(zhǔn)確性。 3.研制了一種低成本、高靈敏度的“可拋棄”式電化學(xué)傳感器,并將其用于對(duì)土壤樣本中的鉛和鎘含量進(jìn)行檢測(cè)。首先采用絲網(wǎng)印刷技術(shù),結(jié)合導(dǎo)電性漿料,制作了一種集成式絲網(wǎng)印刷電極,然后在工作電極表面再修飾碳納米管/Nafion復(fù)合材料,采用原位鍍鉍膜的方式結(jié)合方波陽極溶出伏安法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)重金屬鉛和鎘的同步檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明,采用碳納米管/Nafion復(fù)合物質(zhì)對(duì)電極進(jìn)行修飾后,可有效提高傳感器的比表面積以及電子傳輸率,結(jié)合高靈敏、低毒的鉍膜,該傳感器對(duì)重金屬鉛和鎘顯示出了良好的檢測(cè)靈敏性。在最優(yōu)檢測(cè)條件下,傳感器對(duì)鉛和鎘的線性檢測(cè)范圍為1.0～80.0μg/L,鉛離子的線性回歸方程為ip=0.0329+0.3721c(ip:μA,c:μgL-1),檢測(cè)限為0.8μg/L。鎘離子的線性回歸方程為ip=0.0615+0.6634c,檢測(cè)限為0.5μg/L。利用該傳感器對(duì)多個(gè)實(shí)際土壤樣本中的生物有效態(tài)鉛、鎘含量進(jìn)行了測(cè)定試驗(yàn),結(jié)果分析表明該傳感器具有集成度高、準(zhǔn)確性好等優(yōu)點(diǎn),可用于對(duì)農(nóng)田土壤中的鉛和鎘污染進(jìn)行快速檢驗(yàn)和評(píng)估。 4.研制了一種基于石墨烯/聚對(duì)氨基苯磺酸/錫膜復(fù)合修飾的鎘離子電化學(xué)傳感器,并將該傳感器用于對(duì)大米樣本中的鎘含量進(jìn)行檢測(cè)。制備時(shí)以玻碳電極為基底,分別采用電化學(xué)沉積法和電聚合方法在電極表面修飾石墨烯和聚合物膜,然后采用原位鍍錫膜方式,結(jié)合方波陽極溶出伏安法實(shí)現(xiàn)了對(duì)鎘離子的靈敏測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果分析表明,石墨烯修飾層能夠較大的提高電極的比表面積以及表面電子傳輸率,聚合物修飾層能夠提高傳感器的陽離子交換能力和抗干擾能力,結(jié)合高靈敏、低毒的錫膜,該傳感器對(duì)鎘離子顯示出了良好的檢測(cè)靈敏性。在最優(yōu)檢測(cè)條件下,傳感器的線性工作范圍為1.0～70.Oμg/L,線性回歸方程為ip=1.6239c+0.0073(ip:μA,c:μgL-1),檢測(cè)限為0.05μg/L。多個(gè)實(shí)際大米樣本檢測(cè)結(jié)果分析表明,該傳感器具有檢測(cè)速度快、準(zhǔn)確性好、重現(xiàn)性高等優(yōu)點(diǎn),可用于對(duì)農(nóng)產(chǎn)品中的鎘含量進(jìn)行高精度定量分析。 5.將微電子技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合,研發(fā)了一種便攜式重金屬快速檢測(cè)儀器系統(tǒng)。該儀器基于電化學(xué)方波陽極溶出伏安法原理,由上位機(jī)軟件和下位機(jī)硬件電路組成。上位機(jī)軟件基于Labview平臺(tái)開發(fā),主要負(fù)責(zé)完成向儀器硬件發(fā)送檢測(cè)指令和工作參數(shù)、接收下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)以及對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和定量計(jì)算等功能。下位機(jī)以MSP430混合信號(hào)處理器為控制核心,結(jié)合恒電位電路、I/V轉(zhuǎn)換電路、濾波電路、串口通信電路等硬件設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)分析過程中信號(hào)的激發(fā)以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集和傳輸功能。采用該儀器對(duì)多個(gè)實(shí)際土壤以及農(nóng)田灌溉水樣本中的鉛、鎘和汞離子進(jìn)行了測(cè)定試驗(yàn),結(jié)果分析表明,該儀器具有檢測(cè)精度高、準(zhǔn)確性好、速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn),較適合于對(duì)農(nóng)產(chǎn)品及其產(chǎn)地環(huán)境中重金屬進(jìn)行快速檢測(cè)和分析。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TS207.51

【參考文獻(xiàn)】

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1 慈艷柯,陳秀英,吳孫桃,郭東輝;片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)及其研究進(jìn)展[J];半導(dǎo)體技術(shù);2001年07期

2 馬顥s，

本文編號(hào)：2408309