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(zhǎng)必須的支持介質(zhì)，同時(shí)還能儲(chǔ)存植物生長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(guò)程中的水肥狀況，對(duì)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(duì)目前pH傳感器無(wú)法對(duì)土壤基質(zhì)環(huán)境實(shí)現(xiàn)pH原位檢測(cè)，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(cè)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(kāi)展其傳感機(jī)理及土壤基質(zhì)pH原位檢測(cè)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(cè)電極理論分析與分子動(dòng)力學(xué)模擬。分析了Nafion修飾pH電極的理論;介紹了分子動(dòng)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(dòng)力學(xué)模擬方法;借助分子動(dòng)

3、力學(xué)模擬軟件Materials Studio，模擬計(jì)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(kuò)散行為，借助分子動(dòng)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(kuò)散隨Nafion薄膜的水化度增加而提高，說(shuō)明Nafion薄膜越潤(rùn)濕水合氫離

4、子的擴(kuò)散越快。
　　(2) Nafion修飾pH銻檢測(cè)電極制備及性能研究。理論分析了pH銻檢測(cè)電極的能斯特響應(yīng)機(jī)理，并計(jì)算了其在25℃時(shí)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(cè)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(cè)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(shí)，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(duì)含量不斷降低;研究了不同厚度銻薄膜的Nafion修飾pH銻檢測(cè)電極的電化學(xué)響應(yīng)特性，包括靈敏度、響應(yīng)時(shí)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(shí)，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(jī)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(guò)對(duì)Ag層表面和氯化后的電極表面進(jìn)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(shí)間為45min，氯化時(shí)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(duì)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(cè)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(duì)所研制的基于修飾膜的全固態(tài)pH傳感器進(jìn)行了試驗(yàn)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(shí)間在20s左右，短時(shí)間連續(xù)測(cè)量的偏差小于2mV

8、，長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，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(jiàn)的樣本測(cè)試，結(jié)果表明，在水系樣本中，其測(cè)量誤差明顯小于在土壤基質(zhì)浸提液中的測(cè)量誤差，且其在酸性環(huán)境下的測(cè)量誤差要大于中性和堿性環(huán)境下的測(cè)量誤差;相對(duì)于數(shù)字pH檢測(cè)儀其測(cè)量的絕對(duì)誤差都保持在0.6個(gè)單位以?xún)?nèi)，相對(duì)誤差基本保持在10％以?xún)?nèi)。
　　(5)基于修飾膜的全固態(tài)pH傳感器溫濕度雙補(bǔ)償方法及其應(yīng)用研究。結(jié)合能斯特響應(yīng)機(jī)理和土壤基質(zhì)等p

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