隨著(zhù)我國城市化與工業(yè)化的發(fā)展，由于重金屬具有不易代謝、生物富集作用及高毒性的特點(diǎn)，水環(huán)境重金屬的污染問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。而如何準確、快速地檢測水環(huán)境中的重金屬是亟待解決的問(wèn)題。此外，在大范圍水域如海洋、湖泊的在線(xiàn)重金屬監測，對于維護生態(tài)環(huán)境與人類(lèi)健康亦具有重要意義。本論文的研究主要使用陽(yáng)極溶出伏安法，結合微納傳感器陣列，實(shí)現水環(huán)境的重金屬檢測。

結合傳感器微型化、集成化、納米材料修飾及絲網(wǎng)印刷技術(shù)的發(fā)展現狀，首先設計了微電極陣列并結合不同的算法用于重金屬離子的現場(chǎng)檢測。之后集成光尋址電位傳感器、微納電極陣列與對電極，形成多傳感器陣列，并對其特性進(jìn)行了深入的研究，引入多元線(xiàn)性回歸算法進(jìn)行定量分析。另一方面，采用納米金顆粒對絲網(wǎng)印刷金電極進(jìn)行表面修飾，并研究了其電化學(xué)特性，基于該電極開(kāi)發(fā)了便攜式的重金屬分析儀，可用于快速、便捷的重金屬現場(chǎng)檢測?；诙鄠鞲衅麝嚵械膹秃蟼鞲衅?，設計了用于太湖水域重金屬監測的無(wú)線(xiàn)浮標傳感系統，并驗證了系統的可靠性。研究工作受?chē)腋呒夹g(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目、國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目和國際合作專(zhuān)項的支持。

本文的主要工作和創(chuàng )新點(diǎn)如下：

1、提出偏最小二乘法與局部最優(yōu)值法相結合的算法，解決了微電極陣列用于不同樣品中鎘與鉛定量分析的問(wèn)題?；谖⒓庸すに囋O計了不同尺寸的金微電極陣列，確定了電極的工作電位窗為-0.6V至0.9V，并研究了不同間距對傳感器電化學(xué)特性的影響。當電極間距為5倍電極直徑時(shí)，電極陣列在不同掃描速率下表現出不同程度的線(xiàn)性擴散；而當間距為10倍直徑時(shí)，電極表現出整體的非線(xiàn)性擴散。在Cd2+與Pb2+的定量分析中，對于背景單一的樣品引入偏最小二乘法建立回歸模型，僅需單次檢測即可完成定量分析，實(shí)現簡(jiǎn)單。而當樣品背景復雜、基線(xiàn)漂移時(shí)，偏最小二乘法預測結果不理想，提出局部最優(yōu)值法，并結合標準加入法進(jìn)行定量計算，具有抗背景干擾能力強的特點(diǎn)，但操作較復雜、成本較高。結合兩種應用于不同樣品環(huán)境的算法，可實(shí)現Cd2+與Pb2+快速、準確的定量分析。

2、原創(chuàng )性地研制了具有校準功能的多參數檢測的LAPS與MEA的復合傳感器陣列，有效地解決了傳感器在重金屬檢測中的pH干擾問(wèn)題。針對溶液pH對電化學(xué)分析具有顯著(zhù)影響的問(wèn).題，分別設計了基于MEA-LAPS與NEA-LAPS的復合傳感器。其中，MEA-LAPS復合傳感器采用PDMS或有機玻璃腔封裝，便于與微流控技術(shù)結合；NEA-LAPS采用筆插式結構，便于實(shí)現電極更換或更新。分別對MEA-LAPS與NEA-LAPS復合傳感器進(jìn)行電化學(xué)特性表征，研究其靈敏度、線(xiàn)性度與重復性。針對MEA-LAPS的特性，引入LAPS的pH檢測值建立多元線(xiàn)性回歸模型，對MEA的重金屬檢測進(jìn)行校準。多元線(xiàn)性回歸模型的引入，提高了在不同pH環(huán)境下重金屬分析的準確度，并提高傳感器的抗pH干擾能力。

3、研制了納米金修飾的絲網(wǎng)印刷電極與便攜式重金屬分析儀，實(shí)現了便捷的重金屬現場(chǎng)快速檢測。使用一種參比電極、對電極與金工作電極三電極集成的絲網(wǎng)印刷電極，用于同時(shí)檢測Pb2+與Cu2+。研究了電極活化及納米金顆粒修飾對電極特性的影響，兩者均可顯著(zhù)提高傳感器的電流響應。對富集電位與富集時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化，并對傳感器的靈敏度、線(xiàn)性度、重復性及一致性進(jìn)行了研究，對比了集成偽參比電極、對電極與商用電極的特性差異?；谠搨鞲衅?，設計了一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)通信的便攜式重金屬分析儀，具有體積小、便攜、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，初步的對比結果證明儀器具有良好的可靠性，可用于現場(chǎng)、快速的重金屬檢測。

4、設計了可用于太湖重金屬監測的無(wú)線(xiàn)浮標傳感系統，解決了大范圍水域重金屬實(shí)時(shí)監測的問(wèn)題?；跓o(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，設計了基于Wi-Fi無(wú)線(xiàn)通信的無(wú)線(xiàn)浮標傳感系統，用于太湖現場(chǎng)的重金屬監測。該傳感系統由傳感器節點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)路由及控制中心三部分組成，通過(guò)Wi-Fi構建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。傳感器節點(diǎn)結合MEA-LAPS復合傳感器，搭載于浮標上，實(shí)現在線(xiàn)、實(shí)時(shí)的pH與重金屬檢測?？刂浦行幕跓o(wú)線(xiàn)通信的計算機，通過(guò)控制軟件實(shí)現多個(gè)傳感器節點(diǎn)的管理與控制。對無(wú)線(xiàn)浮標傳感系統進(jìn)行了太湖現場(chǎng)測試，證明其具有良好的可靠性和準確性。