基于修飾膜的全固態(tài)pH傳感器及應(yīng)用研究.pdf

1、在設(shè)施園藝生產(chǎn)中，土壤基質(zhì)既作為植物生長必須的支持介質(zhì)，同時還能儲存植物生長的必須的養(yǎng)分和水分，作物根系從中按需選擇吸收，為作物提供所需要的水、氣、肥生長環(huán)境。pH是土壤基質(zhì)重要的基本性質(zhì)之一，是影響肥力和養(yǎng)分有效性的重要因素。及時掌握并調(diào)節(jié)土壤基質(zhì)pH值，有利于更好地調(diào)控栽培過程中的水肥狀況，對于安全高效生產(chǎn)有著重要的意義。
　　本文分析了pH傳感器的研究現(xiàn)狀，針對目前pH傳感器無法對土壤基質(zhì)環(huán)境實現(xiàn)pH原位檢測，結(jié)合土壤基質(zhì)特

2、殊的理化性狀，提出了一種由Nafion修飾的pH銻檢測電極和殼聚糖-石墨烯修飾的固態(tài)Ag/AgCl參比電極組成的全固態(tài)pH傳感器，并開展其傳感機理及土壤基質(zhì)pH原位檢測應(yīng)用研究。本文的主要研究工作和取得的研究成果如下:
　　(1) Nafion修飾pH銻檢測電極理論分析與分子動力學(xué)模擬。分析了Nafion修飾pH電極的理論;介紹了分子動力學(xué)模擬的基本理論和基本方法，研究了Nafion-銻界面相互作用的分子動力學(xué)模擬方法;借助分子動

3、力學(xué)模擬軟件Materials Studio，模擬計算得到Nafion-銻界面相互作用能大小為-471.04kcal/mol，即界面處Nafion膜與金屬銻表面相互吸引且結(jié)合緊密;研究了水合氫離子在Nafion膜內(nèi)的擴散行為，借助分子動力學(xué)模擬軟件Materials Studio構(gòu)建不同水化度的Nafion膜和水合氫離子的元胞結(jié)構(gòu)模型，模擬結(jié)果表明，水合氫離子的擴散隨Nafion薄膜的水化度增加而提高，說明Nafion薄膜越潤濕水合氫離

4、子的擴散越快。
　　(2) Nafion修飾pH銻檢測電極制備及性能研究。理論分析了pH銻檢測電極的能斯特響應(yīng)機理，并計算了其在25℃時的理想能斯特響應(yīng)斜率為59.16mV/pH;結(jié)合PCB工藝、磁控濺射物理氣相沉積技術(shù)和旋涂技術(shù)，制備了Nafion修飾pH銻檢測電極;借助掃描電子顯微鏡及能譜儀研究了不同厚度的銻薄膜的pH檢測電極的表面形貌和組成元素，結(jié)果表明，當(dāng)銻薄膜厚度為50nm左右時，薄膜表面有孔隙現(xiàn)象，且Cu元素含量很高;

5、隨著薄膜厚度增加，薄膜表面孔隙逐漸消失，顆粒逐漸細(xì)化，Cu元素的相對含量不斷降低;研究了不同厚度銻薄膜的Nafion修飾pH銻檢測電極的電化學(xué)響應(yīng)特性，包括靈敏度、響應(yīng)時間、穩(wěn)定性和可逆性等特性，結(jié)果表明，當(dāng)銻薄膜的厚度為240nm時，基于Nafion修飾的全固態(tài)pH銻電極具有較好的電化學(xué)響應(yīng)特性。
　　(3)殼聚糖-石墨烯修飾Ag/AgCl參比電極制備及性能研究。理論分析了Ag/AgCl參比電極的參比機理及其響應(yīng)規(guī)律;結(jié)合PCB

6、工藝、磁控濺射物理氣相沉積技術(shù)和旋涂技術(shù)，制備了殼聚糖-石墨烯修飾Ag/AgCl參比電極;借助掃描電子顯微鏡及能譜儀研究了不同修飾膜的Ag/AgCl參比電極的物理特性，通過對Ag層表面和氯化后的電極表面進行表面形貌和元素組成的定性分析和半定量分析，得到Ag層厚度為4μm左右，磁控濺射時間為45min，氯化時間為0.5min，物理特性較好;研究了不同修飾的Ag/AgCl參比電極的電化學(xué)特性，包括持續(xù)性、可逆性和循環(huán)伏安特性，結(jié)果表明，經(jīng)殼

7、聚糖-石墨烯修飾的Ag/AgCl參比電極具有相對較好的電化學(xué)響應(yīng)特性。
　　(4)基于修飾膜的全固態(tài)pH傳感器研制及特性研究。提出以Nafion修飾的銻電極作為檢測電極，以殼聚糖-石墨烯修飾的Ag/AgCl參比電極作為參比電極的基于修飾膜的全固態(tài)pH傳感器;對所研制的基于修飾膜的全固態(tài)pH傳感器進行了試驗研究，結(jié)果表明，傳感器的靈敏度為52.3mV/pH，接近理想能斯特響應(yīng)斜率，響應(yīng)時間在20s左右，短時間連續(xù)測量的偏差小于2mV

8、，長時間使用時，其響應(yīng)斜率偏差小于2mV/pH;將所研制的基于修飾膜的全固態(tài)pH傳感器應(yīng)用于常見的樣本測試，結(jié)果表明，在水系樣本中，其測量誤差明顯小于在土壤基質(zhì)浸提液中的測量誤差，且其在酸性環(huán)境下的測量誤差要大于中性和堿性環(huán)境下的測量誤差;相對于數(shù)字pH檢測儀其測量的絕對誤差都保持在0.6個單位以內(nèi)，相對誤差基本保持在10％以內(nèi)。
　　(5)基于修飾膜的全固態(tài)pH傳感器溫濕度雙補償方法及其應(yīng)用研究。結(jié)合能斯特響應(yīng)機理和土壤基質(zhì)等p

9、H原位檢測的特殊要求，提出了土壤基質(zhì)原位檢測的pH溫濕度分步雙補償機制;對土壤基質(zhì)溫濕度雙補償算法進行了試驗研究，以泥炭和蛭石等作為研究對象，根據(jù)分步補償?shù)臋C制，分別得到基質(zhì)的pH原位檢測的溫濕度雙補償數(shù)學(xué)模型;研制了基于雙補償算法的基質(zhì)pH檢測儀，并對其試驗研究，結(jié)果表明，經(jīng)過雙補償處理，pH檢測誤差都為正誤差，絕對誤差范圍為0.12～0.27，相對誤差范圍為1.87％～4.95％，整體誤差較小，已接近土壤pH測量國家標(biāo)準(zhǔn)(NY/T1