基于微流控芯片的惡臭氣體在線檢測理論方法和實驗研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟建設快速發(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)嚴重地影響了人們的正常生活。因此，我國《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展“十二五”規(guī)劃綱要》中明確提出要“加強惡臭污染物治理”。而研究惡臭氣體檢測的理論和方法，開發(fā)惡臭氣體在線檢測儀器是惡臭治理中亟需解決的問題。因此，開展這項研究工作一方面可以為我國惡臭在線檢測儀器的開發(fā)提供理論方法和經(jīng)驗積累，同時也可以為環(huán)境管理部門提供一種高效、實時的惡臭檢

2、測儀器。
　　氣相色譜技術(shù)因其具有分離效率高、檢測速度快、選擇性高、分析精度高等優(yōu)良特性被廣泛于應用于氣體檢測之中。隨著微機電系統(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、微檢測器以及微控制器應用到氣相色譜儀中，已經(jīng)成為氣相色譜儀器向著小型化、便攜化、在線檢測方向發(fā)展的研究熱點和發(fā)展趨勢。
　　本論文首先就氣相色譜技術(shù)研究領域發(fā)展狀況，詳細歸納總結(jié)了國內(nèi)外氣相色譜儀器及其所涉及的氣體分離器、檢測器等一

3、些關(guān)鍵技術(shù)的研究歷史、最新進展和發(fā)展趨勢，隨后，開展了基于微流控芯片的氣相色譜檢測理論、方法與仿真研究，并依據(jù)這一研究基礎確立了惡臭氣體檢測方案，開發(fā)出了基于微流控芯片的惡臭氣組分在線檢測實驗系統(tǒng)，利用這一實驗系統(tǒng)進行了惡臭氣體組分檢測實驗。本研究課題得到了國家重大科學儀器設備開發(fā)專項支持，旨在完成“惡臭自動在線監(jiān)測預警儀器開發(fā)及應用示范”(NO.2012YQ060165)。本課題主要開展的工作和取得的研究成果如下：
　　以氣相色

4、譜基礎理論—色譜柱塔板理論為出發(fā)點開展了色譜柱的速率理論研究，建立了氣體經(jīng)過色譜柱分離后流出時的濃度模型，并利用COMSOL仿真軟件對濃度流出模型進行了仿真實驗，針對實驗系統(tǒng)中需要開發(fā)的微流控芯片色譜柱各項參數(shù)進行了仿真實驗研究，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。
　　對惡臭氣體在線檢測系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)—氣體分離器進行了深入研究，從微流控芯片

5、色譜柱需要的材料、制造方法、溝道的設計到芯片內(nèi)固定相材料選取、涂覆液幾個方面都作深入研究。最后，分別開發(fā)設計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柱。
　　對惡臭氣體在線檢測系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件--光離子化檢測器進行了開發(fā)研究。針對惡臭氣體的特點和系統(tǒng)在線檢測的要求，選擇了光離子化檢測器作為氣相色譜檢測單元，開發(fā)完成了光離子化檢測器紫外燈的高壓、射頻電源和氣體離子化濃度檢測信號的濾波、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)的研究基礎上，確定了惡臭氣體在線檢測方案，開發(fā)完成了用于惡臭氣體在線檢測實驗系統(tǒng)，包括：載氣壓力檢測、流量自動控制單元；樣氣自動進給單元；微流控芯片色譜柱；光離子化檢測器；計算機控制和數(shù)據(jù)采集、處理單元。實驗系統(tǒng)中的計算機硬件、軟件開發(fā)及氣體成分的定性、定量標定方法也在論文中進行了詳細介紹。
　　針對不同的微流控芯片色譜柱在檢測系統(tǒng)上進行了實驗研究。首先對系統(tǒng)穩(wěn)定性和重復性進行了

7、實驗研究；對兩種不同類型的微流控芯片色譜柱進行了氣體分離效果的實驗研究，并對氣體分離實驗結(jié)果進行分析，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)；然后對涂覆不同固定液和不同尺寸的微流控芯片毛細柱分離實驗進行比較研究；最后進行了不同溫度、不同壓力下惡臭氣體在線檢測系統(tǒng)對混合氣體的檢測實驗研究，并對實驗結(jié)果進行分析。
　　論文最后對研究工作進行了總結(jié)。經(jīng)過理論方法和實驗研究的分析，證明了基于微流控芯片氣體分離技術(shù)進行惡臭氣體