一種基于集成微傳感器的土壤重金屬檢測(cè)方法及系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于集成微傳感器的土壤重金屬檢測(cè)方法及系統(tǒng)，本發(fā)明專利技術(shù)的土壤重金屬檢測(cè)方法首先對(duì)土壤樣本進(jìn)行浸提處理，并將過(guò)濾后的土壤浸提液注入傳感器樣本池，然后采用差分脈沖溶出伏安技術(shù)對(duì)土壤中的鉛、鎘重金屬進(jìn)行定量和定性檢測(cè)，配合重金屬快速檢測(cè)儀使用，實(shí)現(xiàn)土壤中鉛、鎘的快速實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有實(shí)用性強(qiáng)、攜帶方便、檢測(cè)精度高、分析速度快，容易操作等特點(diǎn)，非常適合于對(duì)土壤中的重金屬污染物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。土壤重金屬檢測(cè)系統(tǒng)包括集成微傳感器和重金屬檢測(cè)儀，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單精巧，高度集成化，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、便于攜帶、成本低、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了傳統(tǒng)傳感器由于多次使用造成的樣本交叉污染問(wèn)題。

Method and system for detecting soil heavy metal based on integrated micro sensor

The invention discloses a heavy metal detection method and system of integrated micro sensor based on soil heavy metals, the detection method of the invention firstly extracted soil samples, and the filtered soil extracts into sensor sample pool, and then by differential pulse stripping voltammetry of lead and cadmium in soil the quantitative and qualitative detection of heavy metals, with the use of rapid detection of heavy metals, to achieve rapid real-time detection of lead and cadmium in soil, has strong practicability, convenient carrying, high detection precision, fast analysis speed, easy operation, very suitable for on-site rapid detection of heavy metal pollutants in soil. The soil heavy metal detection system includes integrated micro sensors and heavy metal detector has the advantages of simple design, compact, highly integrated, has the advantages of compact structure, small volume, easy carrying, low cost, high sensitivity and strong anti-interference ability, while avoiding the traditional sensor due to sample cross contamination problems caused by repeated use.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種基于集成微傳感器的土壤重金屬檢測(cè)方法及系統(tǒng)
本專利技術(shù)涉及一種基于集成微傳感器的土壤重金屬檢測(cè)方法及系統(tǒng)，屬于環(huán)境污染物檢測(cè)

技術(shù)介紹
近年來(lái)，土壤重金屬污染問(wèn)題日益引起人們的重視。重金屬有數(shù)十種之多，其中鉛和鎘是世界衛(wèi)生組織認(rèn)定的一級(jí)環(huán)境污染物，主要隨著礦山開采、工業(yè)污水排放以及含重金屬的化肥農(nóng)藥的使用進(jìn)入到土壤環(huán)境中。重金屬在土壤中很難分解，被植物吸收后可通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體體內(nèi)，危及人類健康。實(shí)時(shí)、快速地對(duì)土壤中的鉛和鎘元素進(jìn)行檢測(cè)和分析，對(duì)于保證農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全具有非常重要的意義。傳統(tǒng)的土壤重金屬檢測(cè)方法是對(duì)土壤進(jìn)行取樣后送專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，采用原子吸收光譜法(AAS)、原子發(fā)射光譜法(AES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)等進(jìn)行檢測(cè)。這些方法都具有較好的檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性，但主要缺點(diǎn)是儀器體積大、價(jià)格昂貴、分析時(shí)間長(zhǎng)、流程復(fù)雜。我國(guó)國(guó)土面積廣大，急需一種快速、廉價(jià)、便于操作的方法對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行快速檢測(cè)和評(píng)估。傳統(tǒng)電化學(xué)重金屬檢測(cè)采用的傳感器為棒狀玻碳電極，體積大，成本高，使用之前需要進(jìn)行打磨，重復(fù)使用過(guò)程中還容易造成樣本的污染。傳統(tǒng)電極在使用時(shí)需要配備專用的電解池，進(jìn)一步提高了設(shè)備成本，降低了設(shè)備的便攜性以及用于野外測(cè)量的可操作性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)提出了一種基于集成微傳感器的土壤重金屬檢測(cè)方法及系統(tǒng)，不僅能夠快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便地進(jìn)行重金屬的檢測(cè)，而且檢測(cè)裝置具有便于攜帶、價(jià)格低廉和使用方便的特點(diǎn)。本專利技術(shù)解決其技術(shù)問(wèn)題采取的技術(shù)方案是：一種基于集成微傳感器的土壤重金屬檢測(cè)方法，其特征是，包括以下過(guò)程：一、土壤樣本浸提處理：首先將采集的被檢查土壤經(jīng)80℃烘干1h，利用研缽粉碎并研磨后過(guò)80目篩，制成均勻的粉末狀土壤樣本；然后稱取1g粉末狀土壤樣本，加入40ml濃度為0.2mol/L的醋酸和檸檬酸1:1混合溶液，并進(jìn)行超聲浸提處理1h；最后利用0.2um過(guò)濾器對(duì)浸提處理后的樣本溶液進(jìn)行兩次過(guò)濾，并采用0.2mol/L醋酸鈉緩沖液將樣本溶液pH值調(diào)節(jié)至4.5；二、重金屬檢測(cè)：首先將pH值為4.5的樣本溶液直接注入集成微傳感器的樣本池中，集成微傳感器的工作電極、參比電極和對(duì)電極位于樣本池內(nèi)底部；然后將集成微傳感器的電極導(dǎo)線與重金屬檢測(cè)儀連接，采用差分脈沖溶出伏安技術(shù)進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)，檢測(cè)參數(shù)為：沉積電勢(shì)-1.2V；沉積時(shí)間：120s，掃描起始電位-1.2V；掃描結(jié)束電位0V；掃描頻率：20Hz；掃描脈沖幅度：50mV；掃描脈沖寬度：20mV；掃描振幅：50mV；掃描步進(jìn)電勢(shì)：5mV；最后重金屬檢測(cè)儀將獲得的溶出伏安圖和重金屬檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。進(jìn)一步地，所述采用差分脈沖溶出伏安技術(shù)進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)的過(guò)程包括以下步驟：S1.將集成微傳感器的工作電極、參比電極和對(duì)電極分別通過(guò)導(dǎo)線與重金屬檢測(cè)儀的相連；S2.設(shè)置檢測(cè)參數(shù)；S3.重金屬檢測(cè)儀產(chǎn)生電壓激勵(lì)信號(hào)并加載到集成微傳感器的參比電極和對(duì)電極上；S4.重金屬檢測(cè)儀采集工作電極在檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的電流信號(hào)并對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行差分脈沖伏安檢測(cè)；S5.重金屬檢測(cè)儀將獲得溶出伏安圖和重金屬檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。進(jìn)一步地，溶出伏安圖和重金屬檢測(cè)結(jié)果的顯示過(guò)程為：將溶出伏安圖按照預(yù)先建立的重金屬濃度與峰電流之間的線性關(guān)系對(duì)鉛和鎘進(jìn)行定量分析，并采用重金屬溶出伏安曲線表示，重金屬溶出伏安曲線上-0.8V左右的溶出峰對(duì)應(yīng)重金屬鎘，-0.6V左右的溶出峰對(duì)應(yīng)重金屬鉛。本專利技術(shù)還提供了一種基于集成微傳感器的土壤重金屬檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是，包括集成微傳感器和重金屬檢測(cè)儀，集成微傳感器由一個(gè)圓柱狀樣本池和一個(gè)片狀微電極組成，片狀微電極采用混合印刷漿料通過(guò)絲網(wǎng)印刷工藝制作，片狀微電極上設(shè)置有工作電極、參比電極和對(duì)電極，所述工作電極為設(shè)置在圓柱狀樣本池底部中心位置的圓盤形工作電極，圓盤形工作電極的外圍是圓弧條狀參比電極和圓弧條狀對(duì)電極，所述圓弧條狀參比電極和圓弧條狀對(duì)電極位于圓盤狀工作電極的兩側(cè)且關(guān)于圓盤狀工作電極端對(duì)稱；所述工作電極、參比電極和對(duì)電極對(duì)應(yīng)連接有電極導(dǎo)線；所述工作電極的表面從里向外分別設(shè)置有對(duì)氨基苯磺酸高分子膜和鉍金屬薄膜；所述重金屬檢測(cè)儀包括信號(hào)處理電路、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器和控制器；所述信號(hào)處理電路用以對(duì)集成微傳感器的工作電極在檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的電流信號(hào)進(jìn)行采集并發(fā)送給模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以及用以將控制器發(fā)送的電壓激勵(lì)信號(hào)加載到集成微傳感器的參比電極和對(duì)電極上；所述模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用以將信號(hào)處理電路發(fā)送的電流信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送給控制器進(jìn)行差分脈沖伏安檢測(cè)；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器用以對(duì)控制器產(chǎn)生的電壓激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換并發(fā)送給信號(hào)處理電路；所述控制器用以產(chǎn)生電壓激勵(lì)信號(hào)并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送給信號(hào)處理電路，以及對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理后進(jìn)行差分脈沖伏安檢測(cè)獲得溶出伏安圖和重金屬檢測(cè)結(jié)果。優(yōu)選地，所述信號(hào)處理電路包括電壓跟隨電路、電流緩沖電路、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路和濾波電路，所述電壓跟隨電路分別與參比電極和數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接，用以將控制器發(fā)送的電壓激勵(lì)信號(hào)加載到參比電極上；所述電流緩沖電路分別與對(duì)電極和控制器連接，用以對(duì)對(duì)電極上的電流進(jìn)行傳導(dǎo)和緩沖；所述電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的一端與工作電極連接，另一端經(jīng)過(guò)濾波電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，用以采集工作電極在檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)，并對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換以及信號(hào)放大、濾波處理。優(yōu)選地，所述電壓跟隨電路采用OPA124運(yùn)算放大器，用以保證參比電極的電勢(shì)跟隨電壓激勵(lì)信號(hào)的輸出電壓變化，同時(shí)保證參比電極上沒有電流通過(guò)；所述電流緩沖電路采用OPA2277運(yùn)算放大器，用以對(duì)對(duì)電極提供電流導(dǎo)出和緩沖；所述電流/電壓轉(zhuǎn)換電路包括反向運(yùn)算放大電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器和反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，所述反向放大電路采用OP07運(yùn)算放大器，所述模擬多路轉(zhuǎn)換器采用MAX308模擬多路復(fù)用器，所述反饋電阻網(wǎng)絡(luò)由一只100KΩ電阻、一只1MΩ電阻、一只10MΩ電阻和一只100MΩ電阻組成；所述濾波電路由一只10KΩ電阻和一只1μF電容組成。優(yōu)選地，所述控制器包括處理器、存儲(chǔ)器、顯示屏和操作按鍵，所述的存儲(chǔ)器、顯示屏和操作按鍵分別與處理器連接，所述處理器用以產(chǎn)生電壓激勵(lì)信號(hào)，以及接收采集的工作電極在檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的電流信號(hào)，并對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理后進(jìn)行差分脈沖伏安檢測(cè)獲得溶出伏安圖和重金屬檢測(cè)結(jié)果；所述存儲(chǔ)器用以存儲(chǔ)溶出伏安圖和重金屬檢測(cè)結(jié)果；所述顯示屏用以顯示溶出伏安圖和重金屬檢測(cè)結(jié)果；所述操作按鍵用以設(shè)置參數(shù)和功能操作。本專利技術(shù)還提供了一種應(yīng)用于集成微傳感器的片狀微電極制作方法，其特征是，所述集成微傳感器為應(yīng)用于上述所述土壤重金屬檢測(cè)系統(tǒng)的集成微傳感器，片狀微電極的制作方法包括以下過(guò)程：(a)分別配制工作電極、對(duì)電極和參比電極的印刷漿料；(b)首先利用絲網(wǎng)印刷機(jī)在聚四氟乙烯基片上分別印刷圓盤狀工作電極、圓弧條狀參比電極和圓弧條狀對(duì)電極及對(duì)應(yīng)的電極引線，然后在電極引線上覆蓋一層聚乙烯薄膜，最后放入烘箱中100℃干燥2h，取出后進(jìn)行室溫冷卻；(c)圓盤狀工作電極、圓弧條狀參比電極和圓弧條狀對(duì)電極表面經(jīng)乙醇和超純水清洗后，利用電沉積方法在工作電極表面依次修飾對(duì)氨基苯磺酸高分子膜和鉍金屬薄膜；(本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于集成微傳感器的土壤重金屬檢測(cè)方法，其特征是，包括以下過(guò)程：一、土壤樣本浸提處理：首先將采集的被檢查土壤經(jīng)80℃烘干1h，利用研缽粉碎并研磨后過(guò)80目篩，制成均勻的粉末狀土壤樣本；然后稱取1g粉末狀土壤樣本，加入40ml濃度為0.2mol/L的醋酸和檸檬酸1:1混合溶液，并進(jìn)行超聲浸提處理1h；最后利用0.2um過(guò)濾器對(duì)浸提處理后的樣本溶液進(jìn)行兩次過(guò)濾，并采用0.2mol/L醋酸鈉緩沖液將樣本溶液pH值調(diào)節(jié)至4.5；二、重金屬檢測(cè)：首先將pH值為4.5的樣本溶液直接注入集成微傳感器的樣本池中，集成微傳感器的工作電極、參比電極和對(duì)電極位于樣本池內(nèi)底部；然后將集成微傳感器的電極導(dǎo)線與重金屬檢測(cè)儀連接，采用差分脈沖溶出伏安技術(shù)進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)，檢測(cè)參數(shù)為：沉積電勢(shì)?1.2V；沉積時(shí)間：120s，掃描起始電位?1.2V；掃描結(jié)束電位0V；掃描頻率：20Hz；掃描脈沖幅度：50mV；掃描脈沖寬度：20mV；掃描振幅：50mV；掃描步進(jìn)電勢(shì)：5mV；最后重金屬檢測(cè)儀將獲得的溶出伏安圖和重金屬檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于集成微傳感器的土壤重金屬檢測(cè)方法，其特征是，包括以下過(guò)程：一、土壤樣本浸提處理：首先將采集的被檢查土壤經(jīng)80℃烘干1h，利用研缽粉碎并研磨后過(guò)80目篩，制成均勻的粉末狀土壤樣本；然后稱取1g粉末狀土壤樣本，加入40ml濃度為0.2mol/L的醋酸和檸檬酸1:1混合溶液，并進(jìn)行超聲浸提處理1h；最后利用0.2um過(guò)濾器對(duì)浸提處理后的樣本溶液進(jìn)行兩次過(guò)濾，并采用0.2mol/L醋酸鈉緩沖液將樣本溶液pH值調(diào)節(jié)至4.5；二、重金屬檢測(cè)：首先將pH值為4.5的樣本溶液直接注入集成微傳感器的樣本池中，集成微傳感器的工作電極、參比電極和對(duì)電極位于樣本池內(nèi)底部；然后將集成微傳感器的電極導(dǎo)線與重金屬檢測(cè)儀連接，采用差分脈沖溶出伏安技術(shù)進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)，檢測(cè)參數(shù)為：沉積電勢(shì)-1.2V；沉積時(shí)間：120s，掃描起始電位-1.2V；掃描結(jié)束電位0V；掃描頻率：20Hz；掃描脈沖幅度：50mV；掃描脈沖寬度：20mV；掃描振幅：50mV；掃描步進(jìn)電勢(shì)：5mV；最后重金屬檢測(cè)儀將獲得的溶出伏安圖和重金屬檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。2.如權(quán)利要求1所述的一種基于集成微傳感器的土壤重金屬檢測(cè)方法，其特征是，所述采用差分脈沖溶出伏安技術(shù)進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)的過(guò)程包括以下步驟：S1.將集成微傳感器的工作電極、參比電極和對(duì)電極分別通過(guò)導(dǎo)線與重金屬檢測(cè)儀的相連；S2.設(shè)置檢測(cè)參數(shù)；S3.重金屬檢測(cè)儀產(chǎn)生電壓激勵(lì)信號(hào)并加載到集成微傳感器的參比電極和對(duì)電極上；S4.重金屬檢測(cè)儀采集工作電極在檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的電流信號(hào)并對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行差分脈沖伏安檢測(cè)；S5.重金屬檢測(cè)儀將獲得溶出伏安圖和重金屬檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。3.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于集成微傳感器的土壤重金屬檢測(cè)方法，其特征是，溶出伏安圖和重金屬檢測(cè)結(jié)果的顯示過(guò)程為：將溶出伏安圖按照預(yù)先建立的重金屬濃度與峰電流之間的線性關(guān)系對(duì)鉛和鎘進(jìn)行定量分析，并采用重金屬溶出伏安曲線表示，重金屬溶出伏安曲線上-0.8V左右的溶出峰對(duì)應(yīng)重金屬鎘，-0.6V左右的溶出峰對(duì)應(yīng)重金屬鉛。4.一種基于集成微傳感器的土壤重金屬檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是，包括集成微傳感器和重金屬檢測(cè)儀，集成微傳感器由一個(gè)圓柱狀樣本池和一個(gè)片狀微電極組成，片狀微電極采用混合印刷漿料通過(guò)絲網(wǎng)印刷工藝制作，片狀微電極上設(shè)置有工作電極、參比電極和對(duì)電極，所述工作電極為設(shè)置在圓柱狀樣本池底部中心位置的圓盤形工作電極，圓盤形工作電極的外圍是圓弧條狀參比電極和圓弧條狀對(duì)電極，所述圓弧條狀參比電極和圓弧條狀對(duì)電極位于圓盤狀工作電極的兩側(cè)且關(guān)于圓盤狀工作電極端對(duì)稱；所述工作電極、參比電極和對(duì)電極對(duì)應(yīng)連接有電極導(dǎo)線；所述工作電極的表面從里向外分別設(shè)置有對(duì)氨基苯磺酸高分子膜和鉍金屬薄膜；所述重金屬檢測(cè)儀包括信號(hào)處理電路、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器和控制器；所述信號(hào)處理電路用以對(duì)集成微傳感器的工作電極在檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的電流信號(hào)進(jìn)行采集并發(fā)送給模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以及用以將控制器發(fā)送的電壓激勵(lì)信號(hào)加載到集成微傳感器的參比電極和對(duì)電極上；所述模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用以將信號(hào)處理電路發(fā)送的電流信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送給控制器進(jìn)行差分脈沖伏安檢測(cè)；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器用以對(duì)控制器產(chǎn)生的電壓激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換并發(fā)送給信號(hào)處理電路；所述控制器用以產(chǎn)生電壓激勵(lì)信號(hào)并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送給信號(hào)處理電路，以及對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理后進(jìn)行差分脈沖伏安檢測(cè)獲得溶出伏安圖和重金屬檢測(cè)結(jié)果。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于集成微傳感器的土壤重金屬檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是，所述信號(hào)處理電路包括電壓跟隨電路、電流緩沖電路、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路和濾波電路，所述電壓跟隨電路分別與參比電極和數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接，用以將控制器發(fā)送的電壓激勵(lì)信號(hào)加載到參比...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王志強(qiáng)，楊曉婧，李彩虹，史慶瑞，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：山東理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：山東,37