【摘 要】
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近年来,各类水源的重金属污染问题日益严重,以铅离子超标为例,由于检测不及时造成大量人身伤害和财产损失的案例层出不穷。因此,在生产和生活中铅离子的检测变得愈发重要。当前铅离子检测的主要方法有原子光谱吸收法（ASS）、X射线荧光光谱（XFR）等,这些方法大都存在检测成本高、操作难度大、检测周期长等明显不足,因此发展低成本、易操作和高精度的铅离子检测技术是非常必要的。本文在测量了不同浓度和不同温度下的铅
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近年来,各类水源的重金属污染问题日益严重,以铅离子超标为例,由于检测不及时造成大量人身伤害和财产损失的案例层出不穷。因此,在生产和生活中铅离子的检测变得愈发重要。当前铅离子检测的主要方法有原子光谱吸收法（ASS）、X射线荧光光谱（XFR）等,这些方法大都存在检测成本高、操作难度大、检测周期长等明显不足,因此发展低成本、易操作和高精度的铅离子检测技术是非常必要的。本文在测量了不同浓度和不同温度下的铅离子介电常数的基础上,基于微波检测原理,设计并加工了微波微流控传感器,实验研究了不同条件下铅离子检测的性能,最后从便携式和低成本应用的角度,使用微型网络分析仪,实现了检测系统的小型化。具体来看,本文主要研究内容有:（1）搭建了由介电常数检测仪、加热板等组成的介电常数检测系统,测量了不同浓度、不同温度下的铅离子溶液的介电常数。实验结果表明:介电常数与铅离子溶液浓度、温度均呈负相关。室温下,当铅离子浓度由0.001mg/L增加到0.01mg/L时,相对介电常数下降了0.24%;不同浓度下的铅离子溶液的介电常数随温度的升高而变小。本实验结果为后续开展基于微波法的铅离子浓度检测实验研究奠定了理论基础。（2）设计了双圆环结构的微波谐振电路,采用光刻、电镀以及刻蚀的方法,加工获得了20μm线宽微波电路,完成了微通道、钝化层、微波电路、基板四层结构的键合。该方法简化了微波电路的制造流程,有效提高了传感器的制造效率和质量,实验结果表明,传感器通道可承受最高500μbar气压。（3）加工获得了金纳米颗粒修饰的微波传感器,实验研究了金纳米颗粒提高铅离子检测精度的可行性。实验结果表明:和未使用金纳米颗粒修饰的微波微流控传感器相比,检测精度由0.25MHz/10(μg·L-1)提升到9.4MHz/(μg·L-1),检测限由10μg/L提升为1μg/L,检测能力提升了10倍。此外,该传感器对钙离子浓度为108mg/L的硬水具有较强的抗干扰能力,此硬水环境中,铅离子检测限同样可达到1μg/L,检测精度为8.4MHz/(μg·L-1)。（4）使用微型网络矢量分析仪,测试了检测系统对铅离子溶液的检测限与检测精度,验证了Nano VNA-F V2网络矢量分析仪的实用性。实验结果表明:采用Nano VNA-F V2网络矢量分析仪达到了6.5MHz/(μg·L-1)的检测精度,验证了该仪器用于小型化的可行性,为本技术后续的实用化研究研究奠定了基础。本文设计的铅离子微波微流控传感器实现了1μg/L的铅离子检测限,为发展低成本、便携式的重金属检测传感器提供了一种新思路。
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