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生物阻抗参数测量与特性分析
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新型和高通量电阻脉冲微粒检测技术研究,脉冲电阻,电阻脉冲功率,水泥电阻 脉冲功率,电阻最大脉冲功率,高压脉冲电阻,电阻最大脉冲电压,电阻脉冲功率测试仪,高通量测序,高通量
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新型和高通量电阻脉冲微粒检测技术研究
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3秒自动关闭窗口本文对纳米材料催化发光测定苯系物气体进行了研究。结果表明，苯系物气体在纳米材料上能产生较强的催化发光信号，据此设计的传感器对检测苯系物气体具有较好的灵敏度和选择性，可应用于监测环境空气中低含量苯系物。
课题来源与背景：1、课题来源：重大科技攻关国际合作项目“化学毒物快速检测的生物反应器研究”()2、研究背景：研究人员已尝试应用大肠杆菌SOXS∷LACZ融合基因、SOXS∷LUXCDABE融合基因、SODA∷LUXCDABE融合基因检测氧还循环反应剂。但是，这些融合基因建构对氧还循环反应剂的检测敏感度不高，不能用于环境中氧还循环反应剂的检测。必须采用新的方法提高生物学检测方法检测氧还循环反应剂的敏感度。研究目的与意义：氧还循环反应剂是最常见的工农业污染物，其诱发的氧化应激在神经退行性变疾病、癌症和衰老过程中都发挥作用。加强对工农业污染物的检测和治理是各国政府和民众越来越关注的问题。检测氧还循环反应剂是评价和治理环境污染的重要指标。常用的化学和物理学(质谱法、气相色谱法等)监测监方法，需要昂贵的仪器设备和专业的实验室。更重要的是，对污染物的定量检测不能提供一些有关化学物质生物有效度、潜在的修饰/细胞内脱毒作用和对生活有机体协同/拮抗作用等关键要素。因此，有必要发展一类生物反应器来快速检测这些有毒化学物质。主要论点与论据：1、申报国家发明专利2项，申请保护2个E.COLI菌株；2、已在BIOCHEMICALJOURNAL发表论文2篇(IF4.3)。创见与创新：该项目构建了敲除FRDABCD、AHPCF、KATG、SODA和SODB五个基因的大肠杆菌菌株(E.COLIWMC-001)，使其对氧还循环反应剂的敏感性比野生型大肠杆菌提高了100倍；通过敲入TRXB，并利用定点突变技术将OMPR基因的第43位碱基A替换为T，构建了E.COLIOMPR3突变株(ARG15→CYS)，命名为E.COLIWMC-002。具有与原菌种相同的敏感性和细菌生长优势。该菌株可以检测生物样品和环境中的氧还循环反应剂，检测低限达到微摩尔浓度水平。五、社会效经济益，存在问题：该项目用构建的大肠杆菌株检测氧还循环反应剂，为环境污染检测提供了一种简便、高效、高性价比的解决方案。更重要的是，该研究项目将会为发展其它一些针对炸药、多环芳烃、重金属等影响到国家安全、人类健康、环境保护、能源供应及食品安全的化学物质的超敏感生物反应器提供崭新的范例。课题组所构建的SOXR/SOXS::GFPUV报告基因还可用于其他特异性生物传感器的构建，为新一代生物传感器的设计提供了一个高效的信号检测模块。构建用于检测氧还循环反应剂的报告基因和开发检测氧还循环反应剂的高通量筛选技术，设备要求简单、方法敏感，对民众健康、防治环境污染、食品安全等有重大意义，适用于大规模推广。在该课题实施过程中没有存在问题，只是由于专利实审和公开尚需要一定时日，因此影响了该课题成果进一步推广应用的进度。
表面等离子共振AG/TIO复合薄膜光传感器的研究”为海南省科技厅批准的2006年度海南省自然科学基金指导性计划项目。项目编号：80690，执行时间：8.12。该项目的研究顺应了环境有毒有害气体检测技术发展的需求，在深刻剖析金属表面等离子体共振技术原理和其应用的基础上，提出了一种复合膜AG/TIO表面等离子共振检测气体的光化学传感器，并着重研究了共振角与气体浓度之间的关系。1、项目研究确定了发生表面等离子共振最佳灵敏度的金属薄膜银膜，厚度为50NM。2、项目研究确定AG/TIO复合膜的共振角与三甲胺气体浓度之间的关系，在空气，三甲胺浓度400PPM和1200PPM时，共振角分别为47.30、48.470和50.70，传感器的响应时间短，性能稳定。3、项目研究得到了AG/TIO复合膜的表面形貌和组分，而这对于理解复合膜对气体的敏感机理提供了实验依据。上述的研究具有创新和独特之处，针对性强，项目的研究对环境气体的检测有着积极的应用意义。
地下水中的无机砷主要以As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的形态存在,其毒性远大于有机砷,对环境构成严重的威胁。近40年来已经发展了多种检测手段,本文对目前无机砷的常用检测方法如光谱法、电感耦合等离子体技术及电化学法等进行了比较和综述,同时介绍了传感器测定砷的技术。
硫是大气污染的主要元凶之一，对人类的健康构成了极大的威胁。空气中的硫主要来源于石油产品，如何准确检测出其中硫化物的含量、进而采取有效的措施脱硫是净化空气，降低污染的关键所在。课题对气相色谱硫电化学按培检测技术进行了研究，设计了硫化氢电化学传感器的结构，自制AG/NAFION膜电极作为工作电极，并对工作电极的一系列性质进行了摸索，研究了硫化物转变为目标检测物的方法以及实现手段。最后将气相色谱、硫化物微反应器以及硫化氢电化学传感器相连，对硫化物进行了测定。课题研究内容具有创新性，使得快速分析石油及石油产品中硫含量成为可能，它将为石油工业硫化物深度脱硫提供坚实的理论指导。
生化需氧量(biochemical oxygen demand )简称bod，是指在有氧条件下，好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的溶解氧的量，以mg/l表示。在水质环境监测中，bod是重要的监测项目，是保证水体自净的重要指标之一。目前国内外普遍采用五日生化培养法(bod5), 该方法操作较为复杂、对操作人员要求较高、耗时长，不能迅速地反映水体污染状况和反馈处理信息，也不能满足当前环境监测中快速测定的要求，无法及时为环境管理和决策提供科学依据。随着环境污染问题日益严重，建立和发展连续、在线、快速的现场监测体系尤其重要。近几十年来bod微生物传感器快速测定方法受到广泛关注，并已开始应用于城市污水和天然淡水中bod的测定，但专门用于海洋污染监测的bod传感器很少报道。本论文工作利用光纤光化学传感器响应快、检测过程不耗氧和易微型化等优点，利用实验前期工作构建的bod光化学传感装置，对bod微生物传感器的核心部件--微生物传感膜的性能进行了实验条件的优化，并在实验室原理样机的基础上进一步研制了海水bod快速检测仪，bod快速检测仪不仅体积小，易于携带，而且具有操作简单，高度集成化等特点。
本文共分为四章：
第一章，文献综述，主要介绍bod检测的基本原理、发展概况及其相关技术的研究和应用情况。
第二章，利用bod光纤传感装置对微生物传感膜这一bod微生物传感器的核心部件进行了实验条件的优化，通过对海水耗氧菌种的有效包埋制备对海水中有机物响应时间短、响应线性好，测定准确度高的微生物传感膜。
第三章，在实验室原理样机的基础上研制了海水bod快速检测仪，具体介绍了其原理、构造、使用方法等，并初步对该仪器的性能进行了考察。实验结果表明本仪器响应线性、稳定性良好，通过对实际海水的测定以及同国家标准方法的比对实验证明仪器较适合复杂海水体系的测定，且测定结果与传统的5日法相关性良好第四章，以二甲基二甲氧基硅烷(dime-dmos)和四甲氧基硅烷(tmos)为共前驱体，对新型氧猝灭荧光探针5,10,15,20-4-(5-氟基)卟啉铂(ptf20tpp)进行有效包埋，制备了光化学氧传感膜，并对传感膜的光谱性质、响应特性等进行表征。
多环芳烃是一类具有致癌、致畸、致突变性的持久性有机污染物。1-芘丁酸(PBA)是PAHS的衍生物、蒽(AN)是三环多环芳烃，对人体和动植物均有毒性作用。因此，对PAHS及衍生物的快速检测具有重要意义。电化学免疫传感器作为一种有效的微量和痕量分析手段，具有灵敏度高、分析速度快、选择性强、仪器简单等优点，近年来被人们所广泛关注。文献调研表明，利用电化学免疫传感器来监测环境中的多环芳烃及其衍生物的研究较少，对小分子物质PAHS的电化学免疫分析有待进一步探索。　　
本文以PBA和AN为检测对象，以石墨烯、壳聚糖、离子液体、纳米金、二茂铁甲酸作为修饰电极材料，采用不同的复合物修饰玻碳电极，构建了三种灵敏性高和特异性强的免疫传感器。以修饰的传感界面为敏感元件，根据循环伏安、交流阻抗等电化学方法表征免疫传感器的构建过程，通过示差脉冲伏安法和电化学交流阻抗谱测定抗原抗体反应后传感器界面电子转移的变化来实现PBA和AN的定量分析，并据此探索了利用电流型免疫传感器和阻抗型免疫传感器进行多环芳烃快速检测的新方法。　　
以PBA为研究对象，采用石墨烯-壳聚糖复合膜修饰玻碳电极，再将纳米金吸附其上，制备了一种无标记的电流型免疫传感器。该免疫传感器利用成膜性极好的壳聚糖分散具有大比表面积和导电性极好的石墨烯作为平台，利用生物兼容性极好的纳米金固定抗体，依据不同浓度的抗原与抗体结合后，传感器界面的电流变化与免疫产物的量成正比来测定PBA分子的浓度。结果表明，在优化条件下，石墨烯-壳聚糖/纳米金修饰电极对1-芘丁酸检测的灵敏度和稳定性比单一的石墨烯-壳聚糖复合膜修饰电极性能更优异，具有较宽的线性范围和低检测限。PBA浓度在0.001～10NG/L和10～200NG/ML范围内，峰电流随PBA浓度的增加而减小，且与峰电流值呈良好的线性关系，回归方程分别是IP1(μA)=0.105CPBA(NG/ML)-65.485，相关系数为0.9994和IP2(μA)=2.2218CPBA(NG/ML)-87.262，相关系数为0.99，检出限(S/N=3)为0.001NG/ML，并且该传感器具有制作过程简单，检测限低，稳定性好等优点。　　
以PBA为研究对象，采用石墨烯-离子液体-壳聚糖复合物修饰玻碳电极，构建了一种无标记的电流型免疫传感器用于PBA的检测研究。将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM]BF4)离子液体（结构式见图3-1）掺杂进入一定比例的石墨烯-壳聚糖复合膜中，制备了一种新型的电极修饰材料，利用透射电镜对其形态进行表征，用该复合物修饰玻碳电极，采用循环伏安法和示差脉冲伏安法对修饰电极性能进行表征。研究结果表明，在优化条件下，该方法制备的免疫传感器对1-芘丁酸的检测同样具有较宽的线性范围和低检测限，PBA浓度在0.01～5NG/L和5～150NG/ML范围内，峰电流随PBA浓度的增加而减小，且与峰电流值呈良好的线性关系，回归方程分别是IP1(μA)=1.6482CPBA(NG/ML)-89.606，相关系数为0.9994和IP2(μA)=0.1837CPBA(NG/ML)-81.892，相关系数为0.9976，检出限(S/N=3)为0.01NG/ML。　　
以AN为检测对象，选择二茂铁衍生物二茂铁甲酸(FC-COOH)、离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸(ILS)、石墨烯和壳聚糖以及纳米金为电极修饰材料，构建一种用于蒽的检测研究的阻抗性电化学免疫传感器。通过FC-COOH、ILS、GS、CS复合膜修饰玻碳电极提供固定抗体的稳定且具有良好生物兼容性的界面，利用纳米金来固定抗体，并且提高传感器的灵敏度。应用电化学阻抗谱及循环伏安法测定修饰电极在电解液中的电化学行为，对该传感器电极表面交流阻抗行为的进行深入研究，实现了蒽的快速检测。研究结果表明，在0.001～30NG/ML范围内，△RET与PBA的质量浓度对数呈现良好的线性关系，回归方程为:△RET=935.21LOGC+3932.3，相关系数R2=0.9908，检测下限为0.001NG/ML。该免疫传感器具有良好的重现性和稳定性，制备方法简单、快速、制备费用低，具有潜在应用价值。
有毒有机污染物严重危害中国水质安全，迫切需要高通量、快速灵敏的分析技术。该项目采用免疫分析、酶分析等生物检测原理，在关键生物指示剂研制的基础上，以电化学生物传感器技术为核心，研制检测有毒污染物的自动分析仪。该项目研制了2，4-D，藻毒素、硝基苯等污染物的抗体，并建立一整套针对不同类型污染物的抗体制备技术；该项目包括厚膜型传感器的制备技术(包括工艺方法、修饰技术)，并结合流动注射分析，研制出通用型的电化学生物传感器系统，适用于免疫传感器、DNA传感器、酶传感器检测水体中有毒物质。技术指标：该项目研制的电化学生物传感器系统，能快速、灵敏地检测水环境中有毒污染物，能够独立工作，具有远程通讯功能。其主要的技术经济指标如下：(1)检测灵敏度：以氯化汞为例，＜1μG/L(2)响应时间：20MIN(3)检测成本：＜20元/样本(4)经济指标：单台仪器成本＜5万(5)检测指标：2，4-D，藻毒素，硝基苯，有机磷农药可根据目标污染物进行定向开发。应用说明该检测技术可以广泛应用于水体污染物的常规检测和应急检测，为污染控制提供有力的工具，尤其在污染水源监测、污染地治理后的复查以及污染企业的监管等方面，具有重要作用。由于该技术成本低廉，操作简单，可以用作水体污染物作大范围预筛，有助于提高国家环境监测能力。效益分析形成产业化后，可以年增产值近5000万元，利润达2000多万，上缴税收500万的规模。合作方式充分利用科技企业制造能力，实现校企合作，加速产业化进程。
现代的农业生产离不开农药的使用，农药已成为植物免受病、虫、草害的有效保护手段之一，使粮食生产率得以大幅度的提高，特别是除草剂的使用，极大地减轻了劳动强度，直接或间接地提高了农业生产水平。但是，由于农药的长期使用和残留，及其它们的有毒代谢物、降解物、转化物的存在，造成了环境的严重污染，对人体的危害是难以估量的。目前，国际上对农药最高残留量要求越来越严格，这些都给农药残留检测技术提出了更高的要求。因此，发展高灵敏的、对农药及其代谢物、降解物、转化物有特异性响应的检测技术对国民健康和经济发展无疑具有重要意义。
将纳米材料引入化学传感器中，成为分析化学的一个研究热点，取得了许多创新性研究成果。其中碳纳米管因其独特的力学、电子特性及化学稳定性，得到了人们的广泛关注。碳纳米管用于电极材料除了可将材料本身的物理化学特性引入电极界面外，同时也会拥有纳米材料的大比表面积、粒子表面带有较多的功能基团的特性。它能在电化学反应中促进电子传递，对某些物质的电化学行为产生特有的催化响应。除此之外，利用其粒径小、比表面积大、表面反应活性高、催化效率高等优异特性，还可作为固体促进剂，用于实现酶的直接电化学，使其在电化学领域有着广阔的应用前景。
本文的工作主要是将纳米技术以及纳米材料的修饰技术应用于传感器中，其研究思路表现为：(1)碳纳米管直接修饰于电极表面，提高农药在电极上的响应电流，研制对农药有高灵敏度的电化学传感器；(2)由于碳纳米管有利于提高生物活性物质的固定量，对生物活性物质有生物兼容性并可改善其氧化还原特性，利用碳纳米管作为载体材料将对农药有特异性响应的生物活性物质修饰于电极表面，大大提高了修饰电极的响应电流，制备出对农药有高选择性和灵敏度的生物传感器，采用电化学技术对其进行表征，并研究其反应机理。主要研究内容包括以下几个部分：
1.基于碳纳米管传感器检测环境水样中的农药百草枯。制备了多壁碳纳米管修饰玻碳电极，采用循环伏安法比较了百草枯在裸玻碳电极和修饰电极上的电化学特性，发展了一种新的高灵敏度检测百草枯的电化学分析方法。在最佳实验条件下，用方波伏安法检测百草枯，其响应电流与百草枯的浓度在5.38xl0-7～2.37x10-4m范围内成很好的线性关系，最低检测限为5.0xl0-7m，并用此方法检测了环境中的百草枯。
2.基于辣根过氧化物酶修饰碳纳米管传感器检测农药2，4-二氯苯酚酶。生物传感器在农药残留检测方面具有传统方法不可比拟的优势，而酶对固定载体材料有很高的要求。本论文利用多壁碳纳米管(mwnts)作为载体来固定辣根过氧化物酶(hrp)，制备了hrp-mwnts修饰玻碳(gc)电极，hrp在gc电极表面可发生直接的氧化还原反应并保持很好的生物活性。在h2o2的存在下，2，4-二氯苯酚(2，4-dcp)在酶电极上发生氧化还原反应，响应电流与其浓度在一定范围内成线性关系。通过循环伏安法，电化学交流阻抗法对修饰电极进行表征。利用计时电流法来检测2，4-dcp，在最佳实验条件下，2，4-dcp浓度在范围1.0x10-6～1.0x10-4m与响应电流成良好的线性关系，其检测限为3.8x10-7m，并检测了实际样品中的2，4-dcp含量。本章还讨论了酶电极的动力学方程，计算其反应过程中的米氏常数。
3.葡萄糖氧化酶一有序碳纳米管修饰铜电极检测农药阿特拉津。一般情况下制取碳纳米管时，碳纳米管是自由生长，会发生随意弯曲，并互相缠绕，这无论对其性质研究，还是对其实际应用，都造成了很大的影响。而有序碳纳米管阵列取向高度一致、管径均匀、不含杂质，阵列中的每根碳纳米管之间互不缠绕，以此制得的传感器在信噪比和检测限上都有极大的提高。本文采用有序碳纳米管，制备了有序碳纳米管一葡萄糖氧化酶传感器，基于碳纳米管的高度有序性，进一步提高了电子传递作用及电化学检测农药的灵敏度。由于阿特拉津对god有抑制作用，故可以通过测定酶被抑制的活性来测定阿特拉津的含量。在最佳实验条件下，阿特拉津浓度在5.80x10-7～4.22x10-5m范围内与响应电流成良好的线性关系，其检测限为3.9x10-8m，并检测了实际样品中的阿特拉津含量。
4.基于静电吸附作用自组装构建酶一碳纳米管一表面活性剂传感器。酶在电极上的固定是酶传感器制备中的重要环节，它直接影响酶传感器的检测性能。本文利用静电吸附的自组装法以碳纳米管为载体将酶固定在电极上来制备酶传感器，具体制备过程分为以下几个步骤：(1)将碳纳米管溶解在表面活性剂中，使碳纳米管表面带有正/负电荷，制备碳纳米管一表面活性剂修饰电极；(2)根据酶的等电点，选择与碳纳米管一表面活性剂带相反电荷的酶溶液的ph；(3)利用基于静电吸附的自组装技术制备新型的酶-碳纳米管一表面活性剂修饰电极。此类酶传感器制备过程简单、稳定性好、组装到电极表面的酶的量多并可保持其生物活性，可检测浓度在1.0×10-6～5.4×10-5m范围内的h2o2，最低检测限为5.3×10-7m。这种制备方法为构建检测农药残留的生物传感器提供了一种新的方法。
压电传感器具有适用对象宽，测定灵敏度高，操作简单方便，可用于实时或在位检测等优点，其应用涉及到分析化学、生命科学、环境监测等众多领域。本文充分利用压电传感器的非质量响应，并和微生物的新陈代谢特征相结合，拓宽了压电体声波传感器在环境检测和生命科学中的应用，使信息的提取更加准确容易，测定更加快速方便。鉴于此开展了以下研究工作：
1.首次采用表面沉积聚吡咯的聚酰亚胺膜做电极，与压电石英晶体串联，设计成聚吡咯/聚酰亚胺-pqc传感器，并用于氨气的检测，最低可以检测1ppm氨气。实验中讨论了对甲基苯磺酸在聚合过程中对聚吡咯性能的影响，用三氯化铁处理聚吡咯的影响以及湿度对检测氨气灵敏度的影响。通过测定氨气对聚吡咯电参数的变化，得出聚吡咯/聚酰亚胺-pqc传感器的响应原理。该论文设计的氨气传感器可用于环境检测和临床诊断。
2.本文利用聚吡咯氨气传感器成功地检测尿素酶细菌。文中讨论了聚吡咯对氨气的选择性响应，不受二氧化碳的影响；研究了三种培养基分别用聚吡咯氨气传感器法和spqc法对普通变形杆菌进行检测，结果表明，聚吡咯/聚酰亚胺-pqc氨气传感器法更灵敏，而且三种培养基都可用于检测，而spqc只能用yc肉汤一种培养基。通过对不同浓度的普通变形杆菌的检测得出，fdt与普通变形杆菌的初始浓度在8–3.2×108cells/ ml成线性关系，可用于细菌数量的测定。对普通变形杆菌、表皮葡萄球菌、肺炎克雷伯菌的快速准确的检测证明该方法的可行性。
3.利用串联式压电传感器检测真菌生长放出的二氧化碳来检测真菌，响应机理是二氧化碳与koh发生反应，引起koh溶液电导变化，这种变化能引起压电晶体频率的变化。实验结果，当koh浓度为0.0125mol/l时，灵敏度最高，细菌初始浓度的对数和检测时间之间的线性关系为logn0=10.6t，可用于细菌数量的测定。用该法对白色念珠菌、近平滑念珠菌、克柔念珠菌、葡萄牙念珠菌以及热带念珠菌进行了检测实验，并从临床中收集40株真菌进行检验。
重金属是一种很危险的污染物，往往长期积累在生物体内不可降解，在极其微量的情况下也会产生不良后果。各种生态系统都不同程度地受到重金属的影响。重金属通过食物链沉积到人体中，可引起多种疾病甚至癌症，危害还可能遗传到下一代。因此痕量重金属的定量分析在药物、食品、临床和环境检测等方面都是非常重要的。
近年来，我国海域水质污染日益加剧。控制海水污染，保护海洋生态环境迫在眉睫。因此，“十五”期间国家提出了建立船载海洋生态环境现场快速监测系统的计划。相对于其它重金属检测方法，电化学溶出伏安法可以同时快速检测多种重金属元素，具有仪器体积小，价格低，操作简单，灵敏度高等优点，易于实现现场自动检测重金属。目前，现代传感器及其分析仪器正在朝着微型化、集成化、自动化的趋势发展。微型电化学传感器易于批量生产，成本低，一致性好，同时具有分析样品少，响应时间快，信噪比高等优点。
本文重点研究了重金属电化学传感器及其在海水检测中的应用，旨在实现传感器的微型化、集成化和分析仪器的自动化、便携化。该研究得到了国家高技术研究发展计划(863计划)、国家自然科学基金委国际合作中俄专项基金以及浙江省国际合作重点项目的资助。
本文所做的主要工作如下：
1)基于电化学溶出伏安法测定了锌、镉、铅、铜、锰、砷等重金属元素。通过一系列的条件实验，优化实验参数，并对实验结果进行了分析和探讨。实验选择汞膜电极，同时测定水溶液中锌、镉、铅和铜四种元素，它们的线性范围分别为10～1000μG/L、1～500μG/L、2～800μG/L和5～500μG/L，检出限分别为2.8μG/L、0.2μG/L、0.8μG/L和1.1μG/L；采用汞膜电极测定锰，得到锰的线性范围为5～200μG/L，检出限为1μG/L；应用金电极测定砷，得到砷的线性范围为10～500μG/L，检出限为3.2μG/L。
2)基于微加工技术研制了微型电化学传感器。采用氧化、溅射、光刻、腐蚀等微加工工艺，在5.5×5.5MM2的硅基底上设计了30×30的金盘微电极阵列(MICROELECTRODEARRAY，MEA)。单个微电极的直径为10μM，电极间距为150μM。镀汞金微电极阵列差分脉冲溶出伏安同时测定锌、镉、铅和铜四种元素，分别在5～400μG/L、0.3～200μG/L、1～200μG/L和1～300μG/L的线性范围内得到良好结果，检出限分别为0.8μG/L、0.1μG/L、0.5μG/L和0.3μG/L。与普通电极相比，微电极阵列所需样品量少，不需搅拌和支持电解质，扫描速度快，分辨率高，检出限低。
3)研制了用于多元素重金属检测的集成微型传感器。通过微加工工艺，在6×6MM2的硅片上设计了两个微电极阵列和两个光寻址电位传感器(LIGHT-ADDRESSABLEPOTENTIOMETRICSENSOR，LAPS)。其中每个微电极阵列由8×8个直径为10μM的金微电极组成，电极间距为80μM。并采用电镀银和铂的方法在硅片上制作了微型参比电极和对电极。在硅片的两个2×2MM2的表面上分别沉积了铁离子和铬离子选择性薄膜以形成光寻址电位传感器。该集成微型传感器用于测定锌、镉、铅、铜、锰、砷、铁、铬等多种元素。其中微电极阵列溶出伏安检测锌、镉、铅、铜的线性范围分别为10～200μG/L、1～100μG/L、5～100μG/L和10～200μG/L，检出限分别为3μG/L、0.3μG/L、1μG/L和2μG/L；检测锰的线性范围为1～100μG/L，检出限为0.3μG/L；检测砷的线性范围为5～150μG/L，检出限为1μG/L。光寻址电位传感器检测铁、铬的检出限分别达到3.6μG/L和0.8μG/L。
4)基于集成微型传感器，设计了一台重金属自动分析仪。仪器针对分离富集后的海水样品，结合电化学溶出伏安法和光寻址电位传感器技术，实现了锌、镉、铅、铜、锰、砷、铁和铬八种重金属元素的同时自动测定。分析样品的自动进样、检测、清洗和排液由计算机多线程控制检测电路以及泵、阀等实现。一次测量在15MIN内完成，仪器自动分析数据和计算检测结果，能够实现船载海水连续在线检测。
汞离子是一种在环境中普遍存在的污染物,其毒性非常大,不易被降解,并能通过甲基化作用转化成有机汞,并通过食物链产生富集效果,最终导致在人体内积累,对人类的健康和生命造成严重的威胁。汞能引起很多严重的疾病,例如:对DNA的破坏,对肾和肝脏的破坏,对大脑以及引起中枢神经的破坏、使心肌梗死的危险增大等。因此,对环境中的汞离子污染进行检测与监控十分必要,而且有很重要的意义。　　
近年来核酸适体得到了广泛的研究与应用。利用核酸适体高特异性结合目标物的特性发展的生物传感器对代谢物、DNA、蛋白质等物质进行临床疾病的快速、准确的检测与监控,是分析化学中非常热门的研究课题之一。在本研究论文中,主要包括以下两方面内容:　　
(1)基于T-HG2+-T结构构建的汞离子传感器　　
在第二章中,我们研制了一种基于T-T碱基错配特异性键合汞离子的荧光传感器用于汞离子的检测。该传感器由两条分别标记了荧光基团(F)和淬灭基团(Q)的DNA探针组成,并且含有两对用于结合汞离子的T-T错配碱基。实验考察了温度对传感器的影响,以及其它金属离子的干扰。实验结果表明,该传感器选择性好,动力学响应范围为50NM到1000NM,检测下限为79NM。　　
在第三章中,结合链置换的原理,研制了一种新型的用于检测水溶液中汞离子的电化学生物传感器。该传感器的基底是在电极表面利用1,6-二巯基己烷组装了一层金纳米颗粒,这种结构可以增加探针在电极表面的固定量,而且,有利于电子的传递。一条与汞离子特异结合的探针与电极表面固定的探针杂交。在汞离子存在的情况下,胸腺嘧啶与汞离子形成T-HG2+-T结构,破坏了两条探针的稳定结构,使得汞离子特异结合探针从电极表面脱离。因此,吸附在电极表面剩余DNA上的电活性指示剂-亚甲基蓝会减少,导致了电流信号的减弱。这种氧化还原电流的改变可以反映被分析物的浓度。而且,在一定范围内,电流信号与目标物浓度的对数呈线性关系,目标物浓度可达500 NM,检测下限为0.3 NM。该传感器有很好的灵敏度、选择性,并且可运用在实际样品的检测中。　　
(2)基于核酸适体检测腺苷的荧光生物传感器　　
在第四章中,基于核酸适体对目标物的强亲合力和高识别性,研制了一种以腺苷为分析模型的灵敏、特异的新型荧光分析方法。该方法应用了两种纳米材料标记的核酸探针-核酸适体修饰的磁性纳米颗粒和核酸探针P1修饰的金纳米颗粒。利用腺苷诱导核酸适体的构型转换导致与其杂交的金标核酸探针被置换,置换下来的纳米金标记物进而催化抗坏血酸将铜离子还原为金属铜并沉积在金纳米颗粒上,使铜离子对钙黄绿素的荧光淬灭得到抑制。由于极少量的纳米金可催化大量的铜离子还原沉积,使铜离子浓度急剧降低,从而灵敏改变钙黄绿素的荧光信号。实验结果表明,用这种方法检测腺苷得到的动力学响应浓度范围为1.0×10-11到1.0×10-9 M,检测限为1.0×10-12 M。
该研究建立了一种快速、灵敏、简便的测定环境污染物急性毒性的生物传感器方法.该方法利用明亮发光杆菌的细胞发光作为毒性的判断指标,将细胞固定化技术、生物传感器技术与发光细菌毒性检测技术有机结合起来,构建了一种细菌发光传感器.该方法采用包埋法固定细菌细胞,改善了细胞发光的稳定性;以硅光电二极管作为光电转换元件,提高了检测的灵敏度.以这一检测系统测定了六种毒物的急性毒性（以抑制菌膜发光强度50﹪所需的受试物浓度即EC值表示）并分析了毒物作用的动力学过程.毒性测试结果EC与哺乳动物毒性试验的LD具有良好的相关性,不同毒物之间对细菌发光反应的抑制速率有差异.该检测系统和传统的毒性检测方法相比具有快速、灵敏、简便、廉价等优点,在毒物的快速检测中具有良好的应用前景.
甲醛是一种原生质毒物，对人体具有较大危害。它在环境中对人类的危害引起人们的高度重视，因此，对这种有毒物质的监测显得尤为重要。我国室内空气质量标准规定，分析甲醛的国家标准方法可分为分光光度法和气相色谱法两太类，但这两类方法均需先在监测现场采集气体样品，再回实验室分析，分析周期长，成本高，步骤繁琐，不能实时地反映室内空气甲醛污染的状况。虽然目前已有少量便携式甲醛测试仪，但其价格昂贵。鉴于此，研制一种新的快速、连续、自动、廉价的监测仪就成了一项十分有意义的工作。本论文的研究工作主要有以下部分：
(1)首先对已有的甲醛各种检测方法进行分析对比，在此基础上提出本文的检测方法。
(2)论述甲醛传感器的工作原理，设计甲醛检测系统结构，使其具有体积小、操作简单、携带方便、监测快速，适合现场监测且价格低廉等优点。
(3)对甲醛检测系统的硬件部分进行电路与参数设计，本文基于甲醛气体经扩散过多孔的憎水膜在工作电极上进行电化氧化还原反应，产生一个微弱的电流信号，经放大器放大成为仪器的输出信号。同时电路使工作电极与参考电极间保持恒定的电位差。电压信号经集成电路处理器比较后生成甲醛气体浓度值，并用数字显示在仪器面板上。
(4)完成软件设计与编程，甲醛检测系统的功能由硬件和软件两大部份协调完成，硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转换，以及信息的显示等；软件主要完成信号的处理及控制功能等。
(5)对所设计的系统进行实验，通过实验证明本设计的正确性。
生化需氧量是水质监测的一项重要指标,国家标准检验方法为五日稀释与接种法,该方法耗时长、操作复杂,不能及时为环境管理和决策提供依据,因此BOD的快速测定成为国内外竞相研究的目标.近40年来经过国内外科学工作者的不断努力,相继研制出不同类型的微生物传感器BOD快速测定仪.各类仪器间在微生物膜、测定时间、恒温装置、实验室内及实验室间对比结果、检测范围、抗干扰能力等方面不尽相同,但基本上满足了以下特点(1)在短时间内获得BOD测定结果,(2)方法简便可行,(3)与BOD标准测定方法有可比性(4)应用范围广,(5)经济上可行(6)能与国际接轨.为此我们承担了BOD微生物传感器快速测定方法的研究和制定工作.该文研究的内容为生化需氧量的微生物传感器快速测定法,该方法为国内首次制定.在方法的研究制定过程中,我们对仪器的使用条件、适用范围、抗干扰能力等方面进行了试验,证明使用磷酸盐缓冲溶液测定PH在4-10之间的水样无需调节水样PH值,悬浮物在250MG/L以下对测定无影响,并对干扰物中常见的金属离子的含量限值做出了规定.在对方法的技术指标的研究中,进行了方法的检测范围、精密度和准确度等方面的实验.对方法的精密度和准确度进行了实验室间和实验室内的比对试验,四个实验室对BOD含量为25.3MG/L、10.3 MG/L的统一样品分析结果为实验室内的相对标准偏差为3.0﹪、2.6﹪实验室间的相对标准偏差为3.5﹪、2.7﹪.通过与国标五日稀释与接种法的比对实验,表明二者具有良好的可比性.
很多装饰材料中含有甲醛，甲醛具有较高毒性，易挥发，会造成室内空气污染，对人体的健康造成了极大的危害。因此加强对甲醛污染的监测，对于改善空气质量、保护人类健康等具重要的意义。亚硝酸盐是致癌物亚硝胺类化合物的前驱体，在环境、食品及生物体中都很重要。一氧化氮作为一种重要的生物信使分子，在生命过程中发挥着重要的生理作用，许多疾病如高血压、偏头痛、糖尿病和动脉粥样硬化等都与一氧化氮在人体内的释放和生理调节失常有关。电化学传感器在污染物的检测中有广泛的应用，近年来，有许多关于建立在化学修饰电极基础上的电化学传感器的文献报道。经过电化学预处理的玻碳电极能使不同物质的反应速率、可逆性、灵敏度等显著提高，对电化学的反应呈现出很大的电催化效应。
1、本文报道了一种用于检测甲醛的伏安型电化学传感器。利用电沉积法与滴涂法将au微粒与nafion膜修饰在玻碳电极表面，制备成可应用检测甲醛的新型电化学传感器，并确定了最佳实验条件。该方法具有良好的重现性和回收率，当甲醛的浓度在2.0×l0-6～1.0×10-mol/l的范围内，甲醛的氧化峰电流与其浓度在呈良好的线性关系，检测限可达到1.0×10-6mol/l。
2、本文报道了一种用于检测亚硝酸根的电化学传感器。通过电化学沉积将au-fe(iii)氧化物微粒修饰在玻碳电极表面，并确定了最佳实验条件。在弱酸性条件下，当亚硝酸根的浓度在2.0×10-7～1.5×104mol/l的范围内，亚硝酸根的氧化峰电流与其浓度呈良好的线性系，检测限可达到1.0×10-7mol/l。本文所提出的测定亚硝酸根的方法具有较高的灵敏度和较好的重现性。
3、通过电化学沉积法制成au-fe(iii)/gce修饰电极，采用微分脉冲伏安法研究对一氧化氮进行快速检测的电化学传感器。当一氧化氮的浓度在3.0×10-7～1.5×104mol/l的范围内，一氧化氮的氧化峰电流与其浓度呈良好的线性关系，检测限为1.5×10-7mol/l。
本论文考察了以上三种金微粒电化学传感器对于不同污染物的检测，实验结果表明，上述三种电化学传感器具有响应速度快、灵敏度高，选择性好、重现性和稳定性好等优点，在环境污染物的快速检测中具有良好的应用前景。
该文首先论述了透平油中微水含量检测的现状及发展,分析了导致透平油中含水的原因,指出了油中含水对机组的危害.其次,提出在线检测的基本原理,选择了能够在汽轮机油系统这种热油环境中长时间稳定工作的传感器,并详细论述了传感器温度系数的影响因素,进而从测量系统可靠性的角度,提出了运用三选二电路实现提高系统测量可靠性的方法,并对此进行了研究.另外,通过大量的实验来测试传感器在热油环境中长期工作的可靠性、耐热性、重复性、迟滞效应等特性,同时得到了大量的样本数据,并根据这些样本数据提出了温度校正的方案.最后,对汽轮机油系统含水量变化进行了数学建模,模拟了油系统含水量的变化过程,通过仿真分析研究了油系统在有水分侵入的情况下的故障特征.结合油系统含水量在线检测的方法,讨论了故障诊断方法.
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