隨著我國城市化與工業(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，水環(huán)境重金屬的污染問題越來越受到人們的關注。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題。此外，在大范圍水域如海洋、湖泊的在線重金屬監(jiān)測，對于維護生態(tài)環(huán)境與人類健康亦具有重要意義。本論文的研究主要使用陽極溶出伏安法，結合微納傳感器陣列，實現水環(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印刷技術的發(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，并對其特性進行了深入的研究，引入多元線性回歸算法進行定量分析。另一方面，采用納米金顆粒對絲網印刷金電極進行表面修飾，并研究了其電化學特性，基于該電極開發(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(jiān)測的無線浮標傳感系統(tǒng)，并驗證了系統(tǒng)的可靠性。研究工作受國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目、國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目和國際合作專項的支持。

本文的主要工作和創(chuàng)新點如下：

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題。基于微加工工藝設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特性的影響。當電極間距為5倍電極直徑時，電極陣列在不同掃描速率下表現出不同程度的線性擴散；而當間距為10倍直徑時，電極表現出整體的非線性擴散。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，實現簡單。而當樣品背景復雜、基線漂移時，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行定量計算，具有抗背景干擾能力強的特點，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干擾問題。針對溶液pH對電化學分析具有顯著影響的問.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，便于與微流控技術結合；NEA-LAPS采用筆插式結構，便于實現電極更換或更新。分別對MEA-LAPS與NEA-LAPS復合傳感器進行電化學特性表征，研究其靈敏度、線性度與重復性。針對MEA-LAPS的特性，引入LAPS的pH檢測值建立多元線性回歸模型，對MEA的重金屬檢測進行校準。多元線性回歸模型的引入，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印刷電極與便攜式重金屬分析儀，實現了便捷的重金屬現場快速檢測。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印刷電極，用于同時檢測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，兩者均可顯著提高傳感器的電流響應。對富集電位與富集時間進行了優(yōu)化，并對傳感器的靈敏度、線性度、重復性及一致性進行了研究，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無線通信的便攜式重金屬分析儀，具有體積小、便攜、操作簡單等特點，初步的對比結果證明儀器具有良好的可靠性，可用于現場、快速的重金屬檢測。

4、設計了可用于太湖重金屬監(jiān)測的無線浮標傳感系統(tǒng)，解決了大范圍水域重金屬實時監(jiān)測的問題?；跓o線傳感網絡技術，設計了基于Wi-Fi無線通信的無線浮標傳感系統(tǒng)，用于太湖現場的重金屬監(jiān)測。該傳感系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、無線路由及控制中心三部分組成，通過Wi-Fi構建無線網絡。傳感器節(jié)點結合MEA-LAPS復合傳感器，搭載于浮標上，實現在線、實時的pH與重金屬檢測?？刂浦行幕跓o線通信的計算機，通過控制軟件實現多個傳感器節(jié)點的管理與控制。對無線浮標傳感系統(tǒng)進行了太湖現場測試，證明其具有良好的可靠性和準確性。