基于微流控芯片的惡臭氣體在線檢測(cè)理論方法和實(shí)驗(yàn)研究
本文關(guān)鍵詞:基于微流控芯片的惡臭氣體在線檢測(cè)理論方法和實(shí)驗(yàn)研究
更多相關(guān)文章: 微流控芯片 氣相色譜 惡臭氣 在線檢測(cè) 色譜柱 氣體檢測(cè)器
【摘要】:隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展和城市化水平的不斷提高,環(huán)境污染中的惡臭污染事件日益增多,在環(huán)境投訴中位居第二,已經(jīng)嚴(yán)重地影響了人們的正常生活。因此,我國(guó)《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“十二五”規(guī)劃綱要》中明確提出要“加強(qiáng)惡臭污染物治理”。而研究惡臭氣體檢測(cè)的理論和方法,開發(fā)惡臭氣體在線檢測(cè)儀器是惡臭治理中亟需解決的問題。因此,開展這項(xiàng)研究工作一方面可以為我國(guó)惡臭在線檢測(cè)儀器的開發(fā)提供理論方法和經(jīng)驗(yàn)積累,同時(shí)也可以為環(huán)境管理部門提供一種高效、實(shí)時(shí)的惡臭檢測(cè)儀器。氣相色譜技術(shù)因其具有分離效率高、檢測(cè)速度快、選擇性高、分析精度高等優(yōu)良特性被廣泛于應(yīng)用于氣體檢測(cè)之中。隨著微機(jī)電系統(tǒng)、微流控芯片、微制造技術(shù)等新興技術(shù)不斷成熟,如何將微氣體分離器件、微檢測(cè)器以及微控制器應(yīng)用到氣相色譜儀中,已經(jīng)成為氣相色譜儀器向著小型化、便攜化、在線檢測(cè)方向發(fā)展的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。本論文首先就氣相色譜技術(shù)研究領(lǐng)域發(fā)展?fàn)顩r,詳細(xì)歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)外氣相色譜儀器及其所涉及的氣體分離器、檢測(cè)器等一些關(guān)鍵技術(shù)的研究歷史、最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì),隨后,開展了基于微流控芯片的氣相色譜檢測(cè)理論、方法與仿真研究,并依據(jù)這一研究基礎(chǔ)確立了惡臭氣體檢測(cè)方案,開發(fā)出了基于微流控芯片的惡臭氣組分在線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),利用這一實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了惡臭氣體組分檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。本研究課題得到了國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)支持,旨在完成“惡臭自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警儀器開發(fā)及應(yīng)用示范”(NO.2012YQ060165)。本課題主要開展的工作和取得的研究成果如下:以氣相色譜基礎(chǔ)理論—色譜柱塔板理論為出發(fā)點(diǎn)開展了色譜柱的速率理論研究,建立了氣體經(jīng)過色譜柱分離后流出時(shí)的濃度模型,并利用COMSOL仿真軟件對(duì)濃度流出模型進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),針對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中需要開發(fā)的微流控芯片色譜柱各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)合仿真結(jié)果分析和研究了影響微流控芯片色譜柱分離效果的參數(shù)。根據(jù)仿真結(jié)果提出了采用微流控芯片作為氣相色譜氣體分離器這一方法。對(duì)惡臭氣體在線檢測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)—?dú)怏w分離器進(jìn)行了深入研究,從微流控芯片色譜柱需要的材料、制造方法、溝道的設(shè)計(jì)到芯片內(nèi)固定相材料選取、涂覆液幾個(gè)方面都作深入研究。最后,分別開發(fā)設(shè)計(jì)了兩類微流控芯片色譜柱:第一種為微流控芯片填充柱,第二種為微流控芯片毛細(xì)柱。對(duì)惡臭氣體在線檢測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件--光離子化檢測(cè)器進(jìn)行了開發(fā)研究。針對(duì)惡臭氣體的特點(diǎn)和系統(tǒng)在線檢測(cè)的要求,選擇了光離子化檢測(cè)器作為氣相色譜檢測(cè)單元,開發(fā)完成了光離子化檢測(cè)器紫外燈的高壓、射頻電源和氣體離子化濃度檢測(cè)信號(hào)的濾波、放大等調(diào)理電路以及光離子化氣室。在理論方法研究和關(guān)鍵技術(shù)的研究基礎(chǔ)上,確定了惡臭氣體在線檢測(cè)方案,開發(fā)完成了用于惡臭氣體在線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),包括:載氣壓力檢測(cè)、流量自動(dòng)控制單元;樣氣自動(dòng)進(jìn)給單元;微流控芯片色譜柱;光離子化檢測(cè)器;計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集、處理單元。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)硬件、軟件開發(fā)及氣體成分的定性、定量標(biāo)定方法也在論文中進(jìn)行了詳細(xì)介紹。針對(duì)不同的微流控芯片色譜柱在檢測(cè)系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。首先對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和重復(fù)性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;對(duì)兩種不同類型的微流控芯片色譜柱進(jìn)行了氣體分離效果的實(shí)驗(yàn)研究,并對(duì)氣體分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,得到了微流控芯片色譜柱的分離度和理論塔板數(shù)等柱效參數(shù);然后對(duì)涂覆不同固定液和不同尺寸的微流控芯片毛細(xì)柱分離實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較研究;最后進(jìn)行了不同溫度、不同壓力下惡臭氣體在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)混合氣體的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。論文最后對(duì)研究工作進(jìn)行了總結(jié)。經(jīng)過理論方法和實(shí)驗(yàn)研究的分析,證明了基于微流控芯片氣體分離技術(shù)進(jìn)行惡臭氣體的在線檢測(cè)的可行性。研究成果為我國(guó)惡臭氣體檢測(cè)儀器的小型化、便攜化、實(shí)時(shí)在線檢測(cè)提供了新的技術(shù)方法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。論文也對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在的不足提出了今后的改進(jìn)措施。
【關(guān)鍵詞】:微流控芯片 氣相色譜 惡臭氣 在線檢測(cè) 色譜柱 氣體檢測(cè)器
【學(xué)位授予單位】:河北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2015
【分類號(hào)】:X851;TN492
【目錄】:
- 摘要4-6
- ABSTRACT6-12
- 第一章 緒論12-30
- 1.1 課題研究的意義與目的12-14
- 1.1.1 課題研究的意義12-13
- 1.1.2 課題研究的目的13-14
- 1.2 惡臭檢測(cè)儀器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)14-22
- 1.2.1 電子鼻發(fā)展現(xiàn)狀14-17
- 1.2.2 氣相色譜檢測(cè)儀器的發(fā)展現(xiàn)狀17-20
- 1.2.3 惡臭檢測(cè)相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀20-22
- 1.3 惡臭氣分離技術(shù)的研究現(xiàn)狀22-25
- 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)25-30
- 1.4.1 主要研究?jī)?nèi)容25-27
- 1.4.2 關(guān)鍵技術(shù)27-30
- 第二章 惡臭氣分離的基礎(chǔ)理論與仿真30-60
- 2.1 混合氣體的分離原理30-32
- 2.2 混合氣體分離的理論基礎(chǔ)—塔板理論32-46
- 2.2.1 色譜峰及色譜參數(shù)32-33
- 2.2.2 氣相色譜的塔板理論33-37
- 2.2.3 氣相色譜有關(guān)參數(shù)的意義37-46
- 2.3 氣相色譜的速率理論46-49
- 2.3.1 渦流擴(kuò)散項(xiàng)46-47
- 2.3.2 縱向擴(kuò)散項(xiàng)47-48
- 2.3.3 傳質(zhì)阻力相48-49
- 2.4 微流控芯片色譜柱的色譜過程建模與仿真49-55
- 2.4.1 仿真軟件Comsol Multiphysics簡(jiǎn)介49-50
- 2.4.2 基于位置的色譜過程建模50-53
- 2.4.3 基于位置的色譜過程仿真53-55
- 2.5 微流控芯片色譜柱的動(dòng)力學(xué)建模與仿真55-58
- 2.5.1 微流控芯片色譜柱的動(dòng)力學(xué)建模55-56
- 2.5.2 微流控芯片色譜柱的動(dòng)力學(xué)仿真56-58
- 2.6 本章小結(jié)58-60
- 第三章 微流控芯片色譜柱的研究與開發(fā)60-92
- 3.1 微流控芯片技術(shù)60-70
- 3.1.1 微流控芯片基質(zhì)材料60-62
- 3.1.2 微流控芯片通道加工方法62-68
- 3.1.3 微流控芯片鍵合方式68-70
- 3.2 氣相色譜柱技術(shù)70-79
- 3.2.1 氣相色譜柱的材料、大小和形狀70-72
- 3.2.2 氣相色譜柱的固定相72-78
- 3.2.3 氣相色譜柱固定液的涂覆78-79
- 3.3 微流控芯片氣相色譜柱研究與開發(fā)79-90
- 3.3.1 微流控芯片色譜柱的溝道設(shè)計(jì)80-83
- 3.3.2 微流控芯片色譜柱的連接方式83-86
- 3.3.3 微流控芯片色譜柱的開發(fā)86-90
- 3.4 本章小結(jié)90-92
- 第四章 惡臭氣體檢測(cè)器的研究與開發(fā)92-120
- 4.1 惡臭氣體檢測(cè)方法及其研究進(jìn)展92-102
- 4.1.1 三點(diǎn)比較式臭袋法92-93
- 4.1.2 氣體傳感器陣列法93-94
- 4.1.3 氣相色譜檢測(cè)法94-102
- 4.2 光離子化檢測(cè)器的工作原理和研究進(jìn)展102-106
- 4.2.1 光離子化檢測(cè)器理論模型102-105
- 4.2.2 光離子化檢測(cè)器的研究進(jìn)展105-106
- 4.3 光離子化檢測(cè)器開發(fā)106-118
- 4.3.1 紫外燈與電極材料的選擇107-109
- 4.3.2 基于光離子化原理的離子化室的研發(fā)109-111
- 4.3.3 光離子化檢測(cè)器氣室的設(shè)計(jì)111-113
- 4.3.4 紫外燈驅(qū)動(dòng)電路開發(fā)113-114
- 4.3.5 光離子化檢測(cè)器信號(hào)調(diào)理電路的開發(fā)114-118
- 4.4 本章小結(jié)118-120
- 第五章 惡臭在線檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)120-144
- 5.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成120-121
- 5.2 系統(tǒng)各單元功能介紹121-125
- 5.2.1 氣路單元121-122
- 5.2.2 自動(dòng)進(jìn)樣單元122-123
- 5.2.3 分離單元123-124
- 5.2.4 檢測(cè)單元124
- 5.2.5 控制單元124
- 5.2.6 數(shù)據(jù)采集和處理單元124-125
- 5.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件開發(fā)125-129
- 5.3.1 微控制器C8051F020126-127
- 5.3.2 A/D采集127-128
- 5.3.3 通訊128-129
- 5.4 惡臭氣體在線檢測(cè)系統(tǒng)的軟件開發(fā)129-135
- 5.4.1 下位機(jī)軟件開發(fā)129-130
- 5.4.2 上位機(jī)的軟件開發(fā)130-135
- 5.5 定性和定量的分析135-143
- 5.5.1 定性分析方法135-136
- 5.5.2 定量分析方法136-140
- 5.5.3 峰面積和峰高測(cè)量方案探討140-143
- 5.6 本章小結(jié)143-144
- 第六章 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究144-168
- 6.1 PID穩(wěn)定性與線性的實(shí)驗(yàn)研究144-148
- 6.1.1 PID檢測(cè)單元的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)144-146
- 6.1.2 PID檢測(cè)單元線性度的實(shí)驗(yàn)146-148
- 6.2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性與重復(fù)性實(shí)驗(yàn)148-149
- 6.2.1 系統(tǒng)的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)148
- 6.2.2 系統(tǒng)的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)148-149
- 6.3 毛細(xì)色譜柱的實(shí)驗(yàn)研究149-153
- 6.3.1 毛細(xì)色譜柱1的分離測(cè)試實(shí)驗(yàn)150
- 6.3.2 毛細(xì)色譜柱2的分離測(cè)試實(shí)驗(yàn)150-151
- 6.3.3 毛細(xì)色譜柱3的分離測(cè)試實(shí)驗(yàn)151-152
- 6.3.4 串聯(lián)毛細(xì)色譜柱的分離測(cè)試實(shí)驗(yàn)152-153
- 6.4 微流控芯片色譜柱的分離實(shí)驗(yàn)研究153-163
- 6.4.1 微流控芯片填充柱與不銹鋼填充柱分離效果的對(duì)比實(shí)驗(yàn)154-156
- 6.4.2 微流控芯片填充柱測(cè)試實(shí)驗(yàn)156-157
- 6.4.3 微流控芯片毛細(xì)柱測(cè)試實(shí)驗(yàn)157
- 6.4.4 固定相對(duì)微流控芯片毛細(xì)柱分離效果影響的實(shí)驗(yàn)157-163
- 6.5 溫度對(duì)系統(tǒng)分離效果影響的實(shí)驗(yàn)163-164
- 6.6 壓力對(duì)系統(tǒng)分離效果影響的實(shí)驗(yàn)164-166
- 6.7 本章小結(jié)166-168
- 第七章 總結(jié)與展望168-174
- 7.1 完成的主要工作168-170
- 7.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)170-171
- 7.3 下一步研究工作的展望171-174
- 參考文獻(xiàn)174-184
- 攻讀學(xué)位期間所取得的相關(guān)科研成果184-186
- 致謝186
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10 李志勇;基于微流控芯片的微納光纖傳感器研究[D];浙江大學(xué);2015年
中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條
1 申瑞霞;基于透氣鋼的微流控芯片氣動(dòng)吸脫模系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[D];中南大學(xué);2009年
2 于虹;集成化混合和驅(qū)動(dòng)單元的微流控芯片研究[D];湖南大學(xué);2010年
3 蔡秋蓮;環(huán)烯烴共聚物微流控芯片的功能化及應(yīng)用[D];蘭州大學(xué);2011年
4 陳斌;固定化酶陣列微流控芯片應(yīng)用于藥物代謝篩選的研究[D];第二軍醫(yī)大學(xué);2007年
5 富景林;微流控芯片高靈敏度激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)系統(tǒng)的研究及其在集成生化分析系統(tǒng)中的應(yīng)用[D];浙江大學(xué);2006年
6 李麗瀟;微流控芯片細(xì)胞培養(yǎng)和藥物誘導(dǎo)凋亡的研究[D];東北大學(xué);2008年
7 何艷;微流控芯片中功能化器件的制備研究[D];吉林大學(xué);2012年
8 李紹前;面向雙顆粒捕捉的介電電泳微流控芯片研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年
9 任玉敏;微流控芯片技術(shù)在電泳及微球制備中的研究和應(yīng)用[D];青島大學(xué);2013年
10 王艷;層粘連蛋白/巖藻聚糖類基膜微環(huán)境的構(gòu)建及微流控芯片內(nèi)應(yīng)用[D];西南交通大學(xué);2015年
,本文編號(hào):907896
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