基于微流控芯片的惡臭氣體在線檢測(cè)理論方法和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展和城市化水平的不斷提高，環(huán)境污染中的惡臭污染事件日益增多，在環(huán)境投訴中位居第二，已經(jīng)嚴(yán)重地影響了人們的正常生活。因此，我國(guó)《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“十二五”規(guī)劃綱要》中明確提出要“加強(qiáng)惡臭污染物治理”。而研究惡臭氣體檢測(cè)的理論和方法，開(kāi)發(fā)惡臭氣體在線檢測(cè)儀器是惡臭治理中亟需解決的問(wèn)題。因此，開(kāi)展這項(xiàng)研究工作一方面可以為我國(guó)惡臭在線檢測(cè)儀器的開(kāi)發(fā)提供理論方法和經(jīng)驗(yàn)積累，同時(shí)也可以為環(huán)境管理部門(mén)提供一種高效、實(shí)時(shí)的惡臭檢

2、測(cè)儀器。
　　氣相色譜技術(shù)因其具有分離效率高、檢測(cè)速度快、選擇性高、分析精度高等優(yōu)良特性被廣泛于應(yīng)用于氣體檢測(cè)之中。隨著微機(jī)電系統(tǒng)、微流控芯片、微制造技術(shù)等新興技術(shù)不斷成熟，如何將微氣體分離器件、微檢測(cè)器以及微控制器應(yīng)用到氣相色譜儀中，已經(jīng)成為氣相色譜儀器向著小型化、便攜化、在線檢測(cè)方向發(fā)展的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。
　　本論文首先就氣相色譜技術(shù)研究領(lǐng)域發(fā)展?fàn)顩r，詳細(xì)歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)外氣相色譜儀器及其所涉及的氣體分離器、檢測(cè)器等一

3、些關(guān)鍵技術(shù)的研究歷史、最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)，隨后，開(kāi)展了基于微流控芯片的氣相色譜檢測(cè)理論、方法與仿真研究，并依據(jù)這一研究基礎(chǔ)確立了惡臭氣體檢測(cè)方案，開(kāi)發(fā)出了基于微流控芯片的惡臭氣組分在線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用這一實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了惡臭氣體組分檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。本研究課題得到了國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)支持，旨在完成“惡臭自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警儀器開(kāi)發(fā)及應(yīng)用示范”(NO.2012YQ060165)。本課題主要開(kāi)展的工作和取得的研究成果如下：
　　以氣相色

4、譜基礎(chǔ)理論—色譜柱塔板理論為出發(fā)點(diǎn)開(kāi)展了色譜柱的速率理論研究，建立了氣體經(jīng)過(guò)色譜柱分離后流出時(shí)的濃度模型，并利用COMSOL仿真軟件對(duì)濃度流出模型進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中需要開(kāi)發(fā)的微流控芯片色譜柱各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合仿真結(jié)果分析和研究了影響微流控芯片色譜柱分離效果的參數(shù)。根據(jù)仿真結(jié)果提出了采用微流控芯片作為氣相色譜氣體分離器這一方法。
　　對(duì)惡臭氣體在線檢測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)—?dú)怏w分離器進(jìn)行了深入研究，從微流控芯片

5、色譜柱需要的材料、制造方法、溝道的設(shè)計(jì)到芯片內(nèi)固定相材料選取、涂覆液幾個(gè)方面都作深入研究。最后，分別開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了兩類微流控芯片色譜柱：第一種為微流控芯片填充柱，第二種為微流控芯片毛細(xì)柱。
　　對(duì)惡臭氣體在線檢測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件--光離子化檢測(cè)器進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究。針對(duì)惡臭氣體的特點(diǎn)和系統(tǒng)在線檢測(cè)的要求，選擇了光離子化檢測(cè)器作為氣相色譜檢測(cè)單元，開(kāi)發(fā)完成了光離子化檢測(cè)器紫外燈的高壓、射頻電源和氣體離子化濃度檢測(cè)信號(hào)的濾波、放大等調(diào)理電路以

6、及光離子化氣室。
　　在理論方法研究和關(guān)鍵技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，確定了惡臭氣體在線檢測(cè)方案，開(kāi)發(fā)完成了用于惡臭氣體在線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括：載氣壓力檢測(cè)、流量自動(dòng)控制單元；樣氣自動(dòng)進(jìn)給單元；微流控芯片色譜柱；光離子化檢測(cè)器；計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集、處理單元。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)硬件、軟件開(kāi)發(fā)及氣體成分的定性、定量標(biāo)定方法也在論文中進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
　　針對(duì)不同的微流控芯片色譜柱在檢測(cè)系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。首先對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和重復(fù)性進(jìn)行了

7、實(shí)驗(yàn)研究；對(duì)兩種不同類型的微流控芯片色譜柱進(jìn)行了氣體分離效果的實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)氣體分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到了微流控芯片色譜柱的分離度和理論塔板數(shù)等柱效參數(shù)；然后對(duì)涂覆不同固定液和不同尺寸的微流控芯片毛細(xì)柱分離實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較研究；最后進(jìn)行了不同溫度、不同壓力下惡臭氣體在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)混合氣體的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。
　　論文最后對(duì)研究工作進(jìn)行了總結(jié)。經(jīng)過(guò)理論方法和實(shí)驗(yàn)研究的分析，證明了基于微流控芯片氣體分離技術(shù)進(jìn)行惡臭氣體